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量沙吉樂,馮展軍,吳斌,邾繼貴,葉聲華(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津300072)摘要:研究了基于液晶(LCD)編碼技術的三維(3D)曲面測量方案。該方案利用LCD投射規則點到被測3D曲面,經過粗2細匹配技術獲得高精度空間匹配點,由高精度標定的CCD給出空間匹配點的3D坐標,從而完成曲面測量。該方案測量速度快,測量精度優于0.2mm。系統結構簡單,實現了完全自動化測量。關鍵詞:液晶(LCD)編碼;視覺檢測;粗2細匹配;標定

2、中圖分類號:TN247文獻標識碼:A文章編號: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)外形輪廓測量一直受到國內外的關注1。而視覺技術由于其非接觸和快速測量的優點,目前已成為CAD、逆向工程(RE)和快速原形CAM、(RP)中產品研發的新趨勢,涉及汽車制造、通信、家電、玩具、模具、航天和五金等行業。在3D視覺測量方案中,經常采用激光掃描技術或光柵編碼技術來獲得空間特征點2,3。其中前者需要借助掃描系統,雖然測量精度高但測量速度比較慢;后者雖然測量速度快,但圖像處理比較復雜,需要借助一些約束條件,測量精度較低,當條紋斷裂為教小條時匹配存在一定問題。本文介紹了一種基于液晶(LCD)成像的主動式視覺測量方案。該方案

5、與傳統方案相比,具有測量匹配精度高、操作簡單和可改變編碼圖案以適應不同編碼方式的優點。LCD按測量方案顯示不同的結構光,由光學系統投射至被測曲面,經調制獲得所需的特征測量圖形。本文主要研究了對規則點進行空間編碼,獲得空間特征匹配點的方案。2攝像機模型及標定針對主動視覺要求測量精度高且標定不要求實時,因此采用鏡頭一階徑向畸變的攝相機透視成像模型,如圖1所示。Oc為成像透視中心;OcZc為攝像機成像透鏡的光軸,它與攝像機像平面垂直;O為光軸與像平面的交點,為CCD的像面中心。坐標系O2XYZ為像平面坐標系;Oc2XcYcZc為攝像機坐標系;坐標系Of2UV為計算機圖像坐標系(即幀存體坐標系,單位為

6、pixels);Ow2XwYwZw為空間3D坐標系。收稿日期:2002211204修訂日期:20032012033基金項目:天津市重大科技攻關資助項目(003101311)光電子激光392靠單個攝像機是無法獲得空間3D坐標的。一般采用雙目傳感器來實現3D坐標測量,其模型如圖2所示。圖1帶有徑向畸變的攝像機透視成像模型Fig.1Thecameraimagingmodelwithradialaberration空間任意一點P在3D坐標系中的坐標為(xw,yw,zw),在攝像機坐標系中的坐標為(xc,yc,zc);P點投射在像平面上的無畸變點Iu在像平面坐標系O2XYZ的坐標為(Xu,Yu),有一階

7、徑向畸變點Id平面坐標系O2XYZ的坐標為(d,dr向OcZc(v0f焦距。則有計算機圖像坐標系Of2UV與像平面坐標系O2XYZ之間的轉換關系(sxdx)-10u0xu-1(1)v=0dyv0y1圖2ig.2SchevisionsensorP(xw,yw,zw)在左攝像機坐標系Oa2aYaZa中的坐標為(xa,ya,za),在右攝像機坐標系Ob2XbYbZb的坐標為(xb,yb,zb);P點在左右攝像機像面上成像點的像平面坐標中的坐標分別為(Xa,(Xb,Yb);左右攝像機的有效焦距分別為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的驅動頻率和圖像卡的采集頻率有關。像平面坐標系O2XYZ與空間3D坐標系Ow2XwYwZw之間的轉換關系為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;r=X+Y;r1r9為兩坐標系之間的旋轉矩陣參數;TxT

9、z為兩坐標系之間的平移矩陣參數;為比例因子。攝像機模型中,需要標定的內部參數有k1、u0、r9、經典的非v0、f和sx;外部參數有r1Tx、Ty和Tz。線性標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模型。其中Mab表征兩攝像機坐標系的空間位置關系,由旋(4)式即可轉矩陣Rab和平移向量Tab組成。聯立(3)、求出空間點在左攝像機中的3D坐標為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雙目視覺傳感器數學模型、原理由于攝像機是一個3D到2D的轉換模型,所以上式中,需要對Mab中的參數進行標定才能得到3D數據,具體方法可以參考文獻4、5。3934基于LCD系統的規則點編碼綜上所述,3D形面測量的中心任務就是找到空間測量點在左右攝像機中的匹配位置。我們采用了一種基于LCD的規則點空間編碼方案,該方案測量速度快,運用基于粗2細匹配方案可獲得很高的匹配精度?；贚CD系統的編碼原理如圖3所示。光學投影系統將可以將LCD的圖案投射到

11、被測物上,受被測形面調制成測量圖案。LCD經控制系統可以顯示出(a)(d)的n次編碼圖案,形成空間n位二進制編碼,則空間上的點可對應唯一的n位二進制編碼。如空間P點的編碼為0101(P點在黑圖案區為編碼1,在白圖案區為編碼0)。左右攝像機中可根據這一編碼來粗略確定匹配的空間點。圖3LCD編碼工作原理示意圖Fig.3SchematicdiagramofLCDcodingprocess這樣所找到的匹配點只是粗略的(在一個最小的黑塊或白塊內的點都符合這一編碼),在獲得圖像匹配點的各種方案中,匹配算法的精度是最高的。但是匹配算法的缺陷是數據處理量大,匹配速度慢。匹配算法原理為:假設要在圖像a(mn)中

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

13、解決匹配算法計算復雜的弱點,保持了匹配算法高精度的優點,在我們的測量中取得了極好的效果。最高的點。其中Mpq5實驗結果評定實驗測量一標準平面塊。用LCD投影傳感器對其表面進行測量,測量點共680個,如圖4(a)所示。所有空間3D點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。最終獲得標準平面的平面度測量精度為0.29mm。圖4(c)所示為三角網格化后的圖像,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)對于768576的圖像進行全局匹配(設模板為光

14、電子激光394圖4測量標準平面示意圖Fig.4SchematicplanofmeasuringstandardplaneA.SPIEC,2001,4552:2532258.4馬頌德,張正文.計算機視覺計算機理論與算法基礎M.北京:科學出版社.5RogerYTasi.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh2accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff2the2shelfTVcamerasandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsandAutomation,1987,RA23(4):3232344.參考文獻:1NI.3Dpr2UXiao2bing,LINYu2chi,ZHAOMei2rong,etalofilometrymeasurementusinggratingprojectionandkeytechniquesanalysisJ.J.ofOptoelectronicsLaser(光電子激光),2002,13(9):9832985.(inChi2nese)2MichalMagee,RichardWenig