[发明专利]一种高精度空间管路测量系统及方法

权利要求书

1.一种高精度空间管路测量系统，其特征在于包括：双目视觉传感器和计算机；

双目视觉传感器由两个具有公共视场的工业相机组成，该双目相机构成立体视觉测量系统，用于拍摄管路双目图像；

计算机负责完成管路双目图像采集控制及管路测量过程中的计算任务，管路测量算法包括：管路子像素级边缘提取、基于管路任意截面空间透视投影模型实现管路轴线投影位置的精确计算和空间管路高精度双目重构。

2.根据权利要求1所述的高精度空间管路测量系统，其特征在于：所述计算机具体实现过程如下：

(1)测量前利用靶标对双目视觉传感器标定，获得双目视觉传感器内部参数和外部参数；

(2)为了获得具有清晰边缘信息的管路图像，可采用背景面光源等手段提高图像对比度、降低环境干扰，图像采集过程中，还需要保证待测管路位于双目视觉传感器公共视场范围内；

(3)拍摄管路图像时，首先调整曝光时间，使管路成像较为清晰；然后控制计算机触发双目视觉传感器同时拍照，获得待测管路在双目视觉传感器中所拍摄到的图像；

(4)利用计算机对图像进行处理，首先对两张图像分别提取子像素级轮廓，然后分别利用每张图像上的子像素级轮廓，同时结合管路任意截面空间透视投影模型计算管路轴线在图像上的精确投影位置，最后将两图像上的投影位置立体匹配，重构管路轴线点的空间坐标。

3.一种高精度空间管路测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、首先建立测量坐标系，以双目视觉传感器中一个相机的坐标系为测量坐标系；然后在双目视觉传感器视场内摆放靶标，实现双目视觉传感器内参和外参的标定；内参为双目视觉传感器中左右相机各自的焦距、主点和畸变系数，外参为双目视觉传感器中另一个相机坐标系到测量坐标系的旋转矩阵R和平移矢量T；测量过程中，触发双目视觉传感器同时拍照，获得管路图像；

b、对步骤a中得到的管路图像提取子像素级轮廓，对子像素级轮廓上属于管路在空间中同一截面的两个像点P′₁，P′₂进行点对匹配，将子像素级轮廓上的点按是否处于子像素级轮廓的中心线两侧均匀分成两条点列，同一截面的两个像点分别分布于两条点列中，匹配的像点满足条件其中v_h为截面法向量在图像上对应的消影点，O为摄像机光心；

c、建立管路任意截面空间透视投影模型，所述截面为管路上任一与轴线切线方向垂直的截面，所述截面在像平面上有唯一确定的虚拟像并与轮廓线相交于两点，即步骤b中已匹配好的点对；利用步骤b中得到的点对，并结合管路任意截面的透视投影模型，得到管路每一个截面圆圆心在像平面上的投影位置，即管路轴线在像平面上的投影位置；

d、对步骤a中得到的双目视觉传感器拍摄图像分别应用步骤b和步骤c，得到整条管路轴线分别在双目视觉传感器中的成像位置，然后采用双目立体视觉技术重构管路轴线点三维坐标，实现管路高精度测量。

4.根据权利要求3所述的高精度空间管路测量方法，其特征在于：所述步骤b，所述子像素级轮廓提取方式包括二阶微分算子法或曲面拟合法方法。

5.根据权利要求3所述的高精度空间管路测量方法，其特征在于：所述步骤c，采用的管路任意截面空间透视投影模型是针对截面圆圆心点，两个投影边界点建模，最终由两个边界投影点推知截面圆圆心在像平面的精确投影位置坐标，具体实现过程如下：

(1)首先根据步骤b将子像素级轮廓点上属于同一截面的投影点对匹配；

(2)将匹配好的点对带入步骤c中所述的截面空间透视投影模型，然后依次利用每一对点对计算相应的截面圆圆心投影，得到整条管路轴线在像平面上的投影位置。

6.根据权利要求3所述的高精度空间管路测量方法，其特征在于：所述步骤d采用的双目立体视觉技术具体要求为：首先对步骤c所获轴线在像平面上的投影位置进行极线匹配，得到属于空间轴线上同一点在双目视觉传感器中左右两像平面上的像点，然后对匹配好的像点重构对应轴线点在空间中的三维坐标；或可利用视差重构的方法对匹配点进行三维重构，具体过程如下：

(1)分别对双目视觉传感器中左右两相机拍摄得到的图像同时应用步骤b和步骤c，获得双目视觉传感器两像平面上空间轴线的投影位置，然后对两像平面上的投影位置点进行极线匹配，得到空间轴线上同一点在双目视觉传感器中两像平面上的对应成像点；

(2)利用双目立体视觉三维重构模型将(1)中的双目视觉传感器两像平面上的对应成像点重构空间点三维坐标，得到轴线点重构结果。