基于液晶編碼的三維視覺測(cè)量

1、光電子激光第14卷第4期2003年4月JournalofOptoelectronicsLaserVol.14No.4Apr.2003基于液晶編碼的三維視覺測(cè)量沙吉樂,馮展軍,吳斌,邾繼貴,葉聲華(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)摘要:研究了基于液晶(LCD)編碼技術(shù)的三維(3D)曲面測(cè)量方案。該方案利用LCD投射規(guī)則點(diǎn)到被測(cè)3D曲面,經(jīng)過粗2細(xì)匹配技術(shù)獲得高精度空間匹配點(diǎn),由高精度標(biāo)定的CCD給出空間匹配點(diǎn)的3D坐標(biāo),從而完成曲面測(cè)量。該方案測(cè)量速度快,測(cè)量精度優(yōu)于0.2mm。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化測(cè)量。關(guān)鍵詞:液晶(LCD)編碼;視覺檢測(cè);粗2細(xì)匹配;標(biāo)定

2、中圖分類號(hào):TN247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100520086(2003)042039123DVisualMeasurementTechnologySHAJi2le,FENGZhanBiniSheng2hua(StateKeyLPTechnology&Instruments,TianjinUniversity,TianjinAbstract:Anew3DmeasuringtechnologybasedonLCDencodingprocesswasproposed.RegularpointsproducedbyLCDwereprojectedtomeasuringsurface.Arough2

3、precisematchingtechnologyconductshighprecisionofspacematchingpoints.Accuratecalibratedcameracangivethreecoordinatesofthesematchedpoints.Thismethodisfastandwithhighprecisionwhichislessthan0.2mm.Thesetsiseasyestablishedandcanfulfillcompleteautomatization.Keywords:LCDcodingprocess;visualinspection;roug

4、h2precisematching;calibrate1引言三維(3D)外形輪廓測(cè)量一直受到國內(nèi)外的關(guān)注1。而視覺技術(shù)由于其非接觸和快速測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),目前已成為CAD、逆向工程(RE)和快速原形CAM、(RP)中產(chǎn)品研發(fā)的新趨勢(shì),涉及汽車制造、通信、家電、玩具、模具、航天和五金等行業(yè)。在3D視覺測(cè)量方案中,經(jīng)常采用激光掃描技術(shù)或光柵編碼技術(shù)來獲得空間特征點(diǎn)2,3。其中前者需要借助掃描系統(tǒng),雖然測(cè)量精度高但測(cè)量速度比較慢;后者雖然測(cè)量速度快,但圖像處理比較復(fù)雜,需要借助一些約束條件,測(cè)量精度較低,當(dāng)條紋斷裂為教小條時(shí)匹配存在一定問題。本文介紹了一種基于液晶(LCD)成像的主動(dòng)式視覺測(cè)量方案。該方案

5、與傳統(tǒng)方案相比,具有測(cè)量匹配精度高、操作簡(jiǎn)單和可改變編碼圖案以適應(yīng)不同編碼方式的優(yōu)點(diǎn)。LCD按測(cè)量方案顯示不同的結(jié)構(gòu)光,由光學(xué)系統(tǒng)投射至被測(cè)曲面,經(jīng)調(diào)制獲得所需的特征測(cè)量圖形。本文主要研究了對(duì)規(guī)則點(diǎn)進(jìn)行空間編碼,獲得空間特征匹配點(diǎn)的方案。2攝像機(jī)模型及標(biāo)定針對(duì)主動(dòng)視覺要求測(cè)量精度高且標(biāo)定不要求實(shí)時(shí),因此采用鏡頭一階徑向畸變的攝相機(jī)透視成像模型,如圖1所示。Oc為成像透視中心;OcZc為攝像機(jī)成像透鏡的光軸,它與攝像機(jī)像平面垂直;O為光軸與像平面的交點(diǎn),為CCD的像面中心。坐標(biāo)系O2XYZ為像平面坐標(biāo)系;Oc2XcYcZc為攝像機(jī)坐標(biāo)系;坐標(biāo)系Of2UV為計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系(即幀存體坐標(biāo)系,單位為

6、pixels);Ow2XwYwZw為空間3D坐標(biāo)系。收稿日期:2002211204修訂日期:20032012033基金項(xiàng)目:天津市重大科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(003101311)光電子激光392靠單個(gè)攝像機(jī)是無法獲得空間3D坐標(biāo)的。一般采用雙目傳感器來實(shí)現(xiàn)3D坐標(biāo)測(cè)量,其模型如圖2所示。圖1帶有徑向畸變的攝像機(jī)透視成像模型Fig.1Thecameraimagingmodelwithradialaberration空間任意一點(diǎn)P在3D坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xw,yw,zw),在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xc,yc,zc);P點(diǎn)投射在像平面上的無畸變點(diǎn)Iu在像平面坐標(biāo)系O2XYZ的坐標(biāo)為(Xu,Yu),有一階

7、徑向畸變點(diǎn)Id平面坐標(biāo)系O2XYZ的坐標(biāo)為(d,dr向OcZc(v0f焦距。則有計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系Of2UV與像平面坐標(biāo)系O2XYZ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(sxdx)-10u0xu-1(1)v=0dyv0y1圖2ig.2SchevisionsensorP(xw,yw,zw)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系Oa2aYaZa中的坐標(biāo)為(xa,ya,za),在右攝像機(jī)坐標(biāo)系Ob2XbYbZb的坐標(biāo)為(xb,yb,zb);P點(diǎn)在左右攝像機(jī)像面上成像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)中的坐標(biāo)分別為(Xa,(Xb,Yb);左右攝像機(jī)的有效焦距分別為fa、Ya)、fb。則有Xafafa00rab1xayazaxbybzrab2rab5rab8xarab

8、3rab6rabxaya+z=aYa1Xb00fb式中,dx為X方向相鄰光敏單元中心距離;dy為Y方向相鄰光敏單元中心距離;sx為比例因子,與CCD的驅(qū)動(dòng)頻率和圖像卡的采集頻率有關(guān)。像平面坐標(biāo)系O2XYZ與空間3D坐標(biāo)系Ow2XwYwZw之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Xd(1+k1r00fbbYb=1xb00xayaab(3)yb=Mzf000r1r4r7r2r5r8r3r6r9TxTyTzdxwywzwza=rab4rab7Yd(1+k1r2)=10f0(2)1TabxTabyTabz12d=Rabya+Tabza(4)式中,k1是一階徑向畸變系數(shù);r=X+Y;r1r9為兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù);TxT

9、z為兩坐標(biāo)系之間的平移矩陣參數(shù);為比例因子。攝像機(jī)模型中,需要標(biāo)定的內(nèi)部參數(shù)有k1、u0、r9、經(jīng)典的非v0、f和sx;外部參數(shù)有r1Tx、Ty和Tz。線性標(biāo)定方法以采用徑向約束條件(radialalignmentconstraint)的TsaiRAC兩步法為代表,可以精確地獲得所需攝像機(jī)模型。其中Mab表征兩攝像機(jī)坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系,由旋(4)式即可轉(zhuǎn)矩陣Rab和平移向量Tab組成。聯(lián)立(3)、求出空間點(diǎn)在左攝像機(jī)中的3D坐標(biāo)為xa=Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)ya=za=(5)Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9

10、fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)Yb(rab7Xa+rab8Ya+rab9fa)-fb(rab4Xa+rab5Ya+farab6)3雙目視覺傳感器數(shù)學(xué)模型、原理由于攝像機(jī)是一個(gè)3D到2D的轉(zhuǎn)換模型,所以上式中,需要對(duì)Mab中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定才能得到3D數(shù)據(jù),具體方法可以參考文獻(xiàn)4、5。3934基于LCD系統(tǒng)的規(guī)則點(diǎn)編碼綜上所述,3D形面測(cè)量的中心任務(wù)就是找到空間測(cè)量點(diǎn)在左右攝像機(jī)中的匹配位置。我們采用了一種基于LCD的規(guī)則點(diǎn)空間編碼方案,該方案測(cè)量速度快,運(yùn)用基于粗2細(xì)匹配方案可獲得很高的匹配精度?；贚CD系統(tǒng)的編碼原理如圖3所示。光學(xué)投影系統(tǒng)將可以將LCD的圖案投射到

11、被測(cè)物上,受被測(cè)形面調(diào)制成測(cè)量圖案。LCD經(jīng)控制系統(tǒng)可以顯示出(a)(d)的n次編碼圖案,形成空間n位二進(jìn)制編碼,則空間上的點(diǎn)可對(duì)應(yīng)唯一的n位二進(jìn)制編碼。如空間P點(diǎn)的編碼為0101(P點(diǎn)在黑圖案區(qū)為編碼1,在白圖案區(qū)為編碼0)。左右攝像機(jī)中可根據(jù)這一編碼來粗略確定匹配的空間點(diǎn)。圖3LCD編碼工作原理示意圖Fig.3SchematicdiagramofLCDcodingprocess這樣所找到的匹配點(diǎn)只是粗略的(在一個(gè)最小的黑塊或白塊內(nèi)的點(diǎn)都符合這一編碼),在獲得圖像匹配點(diǎn)的各種方案中,匹配算法的精度是最高的。但是匹配算法的缺陷是數(shù)據(jù)處理量大,匹配速度慢。匹配算法原理為:假設(shè)要在圖像a(mn)中

12、找到與模板b(kl)匹配度最高的點(diǎn)。設(shè)Va(i)(j)為圖像a中第j行第i列點(diǎn)的灰度值。Vb(i)(j)為圖像b中第j行第i列點(diǎn)的灰度值。對(duì)于圖像a中任一點(diǎn)(p,q)都有與模板b的匹配函數(shù)值Mpq。則M2020),需3(768-20)(576-20)202次乘法和3(768-20)(576-20)(202-1)次加法。而對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過粗匹配后的LCD圖像,可以只在LCD粗編碼相同的小范圍內(nèi)進(jìn)行匹配,一般為4040。在模板相同的情況下(2020),如上式計(jì)算量可減少1000多倍,計(jì)算量大大減少。最大值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是圖像a(mn)中與模板b(kl)匹配度pq這種基于粗編碼匹配后的細(xì)灰度匹配可以有效地

13、解決匹配算法計(jì)算復(fù)雜的弱點(diǎn),保持了匹配算法高精度的優(yōu)點(diǎn),在我們的測(cè)量中取得了極好的效果。最高的點(diǎn)。其中Mpq5實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定實(shí)驗(yàn)測(cè)量一標(biāo)準(zhǔn)平面塊。用LCD投影傳感器對(duì)其表面進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量點(diǎn)共680個(gè),如圖4(a)所示。所有空間3D點(diǎn)用最小二乘法擬合空間平面,擬合的殘余誤差如圖4(b)所示。最終獲得標(biāo)準(zhǔn)平面的平面度測(cè)量精度為0.29mm。圖4(c)所示為三角網(wǎng)格化后的圖像,圖4(d)所示為可視化3D圖。=6666lklkVa(p+i)(q+j)2j=1i=1Vb(i)(j)Va(p+i)(q+j)j=1i=166lkVb(i)(j)2j=1i=1(6)對(duì)于768576的圖像進(jìn)行全局匹配(設(shè)模板為光

14、電子激光394圖4測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)平面示意圖Fig.4SchematicplanofmeasuringstandardplaneA.SPIEC,2001,4552:2532258.4馬頌德,張正文.計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)理論與算法基礎(chǔ)M.北京:科學(xué)出版社.5RogerYTasi.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh2accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff2the2shelfTVcamerasandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsandAutomation,1987,RA23(4):3232344.參考文獻(xiàn):1NI.3Dpr2UXiao2bing,LINYu2chi,ZHAOMei2rong,etalofilometrymeasurementusinggratingprojectionandkeytechniquesanalysisJ.J.ofOptoelectronicsLaser(光電子激光),2002,13(9):9832985.(inChi2nese)2MichalMagee,RichardWenig