[发明专利]基于时空约束的双目视觉三维形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于时空约束的双目视觉三维形貌测量方法。

背景技术

随着汽车工业、航空航天领域、模具和重大装备零部件制造技术的迅速发展，人们对制造的精度和质量提出了更高的要求。例如飞机平垂尾等大型零部件的三维形貌的高精度测量是其高质量连接装配的前提和保证，对于这种大型尺寸且不规则的物体表面的三维精确测量是现代测量技术中的一个难题。而基于激光结构光扫描的双目视觉测量方法是近些年研究比较热点的一种三维形貌测量方法，这种方法具有检测速度快、测量精度高、自动化程度高而且测量非接触等优势。该方法是利用双目相机采集辅助激光条纹图像并进行光条中心的提取和匹配、重建，来实现被测物体形面轮廓的高精度测量。然而这种方法的测量效果往往由于测量环境的影响导致光条在被测物体表面投射质量变差，以至于光条信息在物体边界处产生溢出或缺失，最后使得三维形貌测量结果在边界处信息不够精确和完整。因此，如何实现快速高精度且完整的三维形貌测量是目前亟待解决的一个重要难题。

张文增等人的发明专利号为CN 101476881，发明名称为“一字激光立旋式三维形貌测量装置及其方法”的专利，发明了一种视觉测量装置，利用一字线激光器旋转扫描来实现三维形貌测量，该装置能够检测出各个方向的边缘信息。但由于采用单目相机进行三维测量，需要结合装置的已知精确的位置关系来进行求解，算法复杂影响测量效率且易受中间过程的影响，并且未考虑激光光条在被测物体边缘处受到的影响。王从军等人的专利号CN1971205的发明“一种便携式面结构光逆向测量系统”利用柔性测量臂和测量头结合进行三维形貌测量，同时采用接触式测量头测量关键特征尺寸和轮廓数据以及光栅扫描头测量复杂工件的表面点云数据；但是，由于装置包括6个旋转关节的机械臂，运动部件多，结构复杂，精度难以得到保证，且装置成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对大型零部件表面三维形貌测量过程中边缘信息提取不完整、不精确以及测量效率低的问题，发明了一种基于时空约束的双目视觉三维形貌测量方法。该方法针对大型复合材料构件表面形貌，采用基于激光结构光扫描的双目视觉测量系统进行图像采集；对零、构件轮廓边界进行边缘提取，通过被测目标边界约束提取光条有效信息，并结合时间维度信息缩小光条提取感兴趣区域，提高测量效率，最终能够实现快速完整的三维形貌高精度测量。

本发明采用的技术方案是一种基于时空约束的双目视觉三维形貌测量方法，其特征是，该方法针对大型复合材料构件表面形貌，采用基于激光结构光扫描的双目视觉测量系统进行图像采集和图像处理；对零、构件轮廓边界进行边缘提取，并由此建立基于边界信息的光条提取约束条件；结合时间维度信息预测光条位置，建立适度的感兴趣提取区域，从而快速高精度的提取对应左、右光条图像的激光光条中心；对在边界约束内的光条中心信息进行保留，对在约束外的光条中心信息予以剔除；将保留的光条中心信息和边界信息进行匹配和重建，最终还原完整的三维形貌信息；方法具体步骤如下：

第一步对被测物体表面形貌进行图像采集和图像处理，提取轮廓边缘，建立时空约束条件

1)轮廓边缘提取方法

对于双目视觉测量系统采集的被测物体表面形貌的图像，首先采用Sobel算子进行边缘检测，达到像素级的边缘提取精度；对应图像二维函数f(x,y)的一阶导数表达式为：

其中，G(x,y)为图像二维函数f(x,y)的梯度，G_x和G_y分别是对x和y的偏导数。Sobel算子将方向差分运算与局部平均相结合，利用像素点(x,y)附近的3×3的邻域来计算梯度值，其两个卷积模板为：

采用∞范数衡量梯度的幅值|G(x,y)|＝max(|G_x|,|G_y|)，即将两个模板算子的最大值作为该点的输出位；然后计算每一点的梯度值，将梯度最大处定义为边界；

2)基于边界信息建立光条提取约束条件

根据上述提取到的轮廓边缘点，构成封闭的边界信息,将边界及边界内的二维图像区域定义为边界约束函数R(x,y)，若在边界约束内则赋值为1，在边界约束外赋值为0，即

粗提取光条中心时，假设得到的光条中心圆整后为(i,j)；若R(i,j)＝1，则保留其光条中心信息，进而进行光条中心的精提取，若R(i,j)＝0，则去除该部分的光条信息；最后得到的将仅剩有用精确地光条中心信息；

3)基于时间维度信息的约束