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CN111008602B - 一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法 - Google Patents

一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其属于机器视觉领域，包括多相机测量系统标定步骤S1、布置标记点步骤S2、对划线后待测零件进行图像采集的步骤S3、对单次采集的多幅图像提取划线特征的步骤S4；对多幅图像中的划线特征进行特征点匹配的步骤S5、建立提取的多幅图像的划线特征对应关系的步骤S6、对多幅图像的划线特征进行三维重建得到待测零件划线特征的三维点云数据的步骤S7、改变位姿多次测量并提取单次测量的待测零件划线特征的三维点云数据的步骤S8、对待测零件划线特征的三维点云数据通过标记点进行数据融合。本发明解决了飞机蒙皮机器人切边难以根据设计模型进行加工的技术问题。

Description

一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取 方法
技术领域
本发明属于三维视觉领域，更具体地，涉及一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法。
背景技术
通过比对划线确定待加工零件的余量是目前飞机蒙皮修配确定加工余量的常用手段，由于飞机蒙皮在制造以及装配过程中存在误差的累积，因此在部分蒙皮的装配过程中需要保留一定的余量来进行修配。如图1所示，飞机蒙皮标识为数字100，人工划线标识为数字101，飞机蒙皮100的零件边界标识为数字103，在人工划线101和零件边界103之间即为飞机蒙皮的加工余量105。
传统的飞机蒙皮修配多采用比对划线后进行人工修配（即人工修磨），这种方式存在加工质量难以保证、一致性差的不足。而机器人作为制造装备执行体，集成智能传感器，替代人类手工或数控机床，实现大型复杂零件小余量铣削、磨削、制孔、钻铆已经成为智能制造领域的前沿研究方向之一。采用机器人加工，可以有效提高大尺寸小曲率薄壁零件的加工效率和加工质量，对于中小尺寸的该类零件也可以有效提高加工一致性。
为了实现机器人按指定路径进行飞机蒙皮的切边加工，其需要根据零件的加工余量生成，目前最为常用的加工路径多是基于设计模型生成，与数控加工轨迹生成的方法类似。但是针对飞机蒙皮，其实际加工余量与设计模型不完全一致，且由于制造和装配误差的累积需要根据实际的装配情况确定工艺余量，用于修配，因此难以根据设计模型估计加工余量并生成加工轨迹。
基于二维和三维视觉结合的数字化测量方法，可以在位获取待加工零件上划线的三维信息，其可以用于获取待加工毛坯的实际边界用于与实际装配区域计算加工余量，来生成加工路径，相较于传统的人工修磨，可以更好的保证加工精度、效率以及一致性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法将是有利的。
本发明总的设计思想在于：采用二维视觉提取划线特征的像素信息，采用双目或者多目立体视觉的三维重建方法，基于三维视觉提取划线特征的像素信息的匹配关系，实现对待测零件上划线特征（即待测零件划线特征）的三维测量，并基于在待测零件上布置的标记点对多个姿态的测量数据进行拼接融合，获取待测零件完整的划线特征。
为实现上述目的，本发明提供一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对由不少于两个CCD/CMOS相机组成的多相机测量系统进行标定；
S2：在待测零件周围布置标记点；
S3：通过步骤S1中标定后的多相机测量系统对划线后的待测零件进行图像采集；
S4：对步骤S3中获得的由多相机测量系统单次采集的多幅图像采用两步灰度重心法提取划线特征的中心线亚像素坐标；
S5：根据步骤S1对多相机测量系统的标定，建立CCD/CMOS相机两两之间有关空间位姿关系的对极约束关系，通过极线对步骤S4中提取的多幅图像中的划线特征进行特征点匹配；
S6：通过步骤S5获取的匹配后的特征点建立步骤S4中提取的多幅图像的划线特征的对应关系；
S7：对步骤S6中已建立对应关系的多幅图像的划线特征进行三维重建得到划线特征的三维点云数据；
S8：通过改变步骤S1中标定后的多相机测量系统中每个相机的位姿对待测零件划线特征进行多次测量，所采集的数据通过步骤S4～S7提取单次测量的待测零件划线特征的三维点云数据；
S9：对步骤S8中获得的多次测量的待测零件划线特征的三维点云数据通过步骤S1中待测零件周围布置的标记点进行数据融合，获得完整的待测零件划线特征，即基于待测零件周围布置标记点进行多姿态测量数据融合，获得完整的划线特征。
进一步，步骤S1中“对由不少于两个CCD/CMOS相机组成的多相机测量系统进行标定”具体为：通过空间中的平面靶标，对多相机测量系统中每个CCD/CMOS相机的内参进行标定，同时测量系统中对每个CCD/CMOS相机的空间位姿关系进行标定。
再进一步，步骤S3中“标定后的多相机测量系统对划线后的待测零件进行图像采集”具体为：标定后的多相机测量系统中每个CCD/CMOS相机的相对空间位姿关系保持不变，同一时刻在不同视角对待测零件进行图像采集。
还进一步，步骤S4中“对步骤S3中获得的由多相机测量系统单次采集的多幅图像采用两步灰度重心法提取划线特征的中心线亚像素坐标”具体为：针对多幅图像中的图像I(x,y)，首先对图像I(x,y)沿x轴或者y轴计算粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)，其计算公式如下：
或者
接着，基于粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)计算精提取中心线上各点的坐标C(x ’ ,y ’ )，其计算公式如下
其中，I(x i ’ ,y j ’ )表示像素坐标为(x i ’ ,y j ’ )的像素点的像素值，s是像素点(x i ’ ,y j ’ )的法向取点的总数。
更进一步，步骤S5中“根据步骤S1中对多相机测量系统的标定，建立CCD/CMOS相机两两之间有关空间位姿关系的对极约束关系，通过极线对步骤S4中提取的多幅图像中的划线特征进行特征点匹配”具体为：所述多幅图像中的图像A中中心线坐标为C A (x ’ ,y ’ ),根据图像A中中心线坐标C A (x ’ ,y ’ )与对极点e A 建立极线l A ，根据对极几何原理，在所述多幅图像中的图像B中基于极点e B 建立极线l B ，从而确定图像B与图像A中中心线坐标为C A (x ’ ,y ’ )对应的中心线坐标C B (x ’ ,y ’ )。
又进一步，步骤S7中“对步骤S6中已建立对应关系的多幅图像的划线特征进行三维重建，得到划线特征的三维点云数据”，具体为：根据多幅图像中的划线特征的特征点的匹配关系:
求解划线特征的特征点的三维坐标C(x,y,z)，其中，T表示矩阵转置，F表示基础矩阵，即平面A到平面B的转换关系。
又再进一步，步骤S8中“通过改变步骤S1中标定后的多相机测量系统的空间位姿来对待测零件划线特征进行多次测量，所采集的数据通过步骤S4～S7提取单次测量的待测零件划线特征的三维点云数据”具体为：根据待测零件的大小尺寸，通过标定后的多相机测量系统在多个空间位姿进行测量，测量时的该空间位姿根据多相机测量系统的景深、视野等基于可视锥的原理进行规划，以获得待测零件完整的测量数据。
进一步的，步骤S9中“对步骤S8中获得的多次测量的待测零件划线特征的三维点云数据通过步骤S1中待测零件周围布置的标记点进行数据融合”具体为：在待测零件上随机布置不少于三个标记点，并且保证前次测量和后次测量（即前后序测量）的公共标记点不少于三个，通过测量获得标记点的三维坐标，基于ICP算法计算旋转变换矩阵T，实现多次测量数据的融合。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：克服了传统的三维测量方法对待测零件形貌进行稠密重建后划线特征难以提取的缺陷，且为飞机蒙皮修配提供一种有效的数字化测量手段，有效解决了在飞机蒙皮机器人切边难以根据设计模型进行加工的技术问题。
通过参考下面所描述的实施例，本发明的上述这些方面和其他方面将会得到更清晰地阐述。
附图说明
本发明的结构以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：
图1示意性地示出了飞机蒙皮的零件边界、人工划线以及该二者之间的加工余量；
图2是根据本发明的一个具体实施方式的小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法的流程图；
图3示意性地示出了二维图像中的划线特征；
图4是两步灰度重心法粗提取和精提取示意图；
图5是两个相机空间中对极约束的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图来描述本发明的具体实施方式。
总的来说，在本发明中，待测零件划线特征通过多相机测量系统中的CCD/CMOS相机进行采集，图像中的划线特征通过两步灰度重心法提取，基于对极几何对提取的图像中的划线特征进行匹配，采用立体视觉的原理对图像中的划线特征进行三维重构。另，需要说明的是，本实施方式中的小曲率薄壁零件为图1所示的飞机蒙皮100。
如图2所示，并参考图3、图4和图5，根据本发明的一个具体实施方式的小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法包括步骤S1～S9。图3为待测零件划线特征在二维图像中的示意图，参考图1所示，数字101仍然标识飞机蒙皮100的人工划线，数字103仍然标识飞机蒙皮100的零件边界，数字105仍然标识飞机蒙皮100在人工划线101和零件边界103之间的加工余量。图4中，数字1用来标识粗提取，数字3用来标识精提取。图5中，C和D表示本实施方式中待测零件即飞机蒙皮100上的两个划线特征，C A 和C B 分别对应划线特征C在相机A和相机B中的图像，D A 和D B 分别对应划线特征D在相机A和相机B中的图像， l A 和l B 表示相应的极线。
S1：对由不少于两个CCD/CMOS相机组成的多相机测量系统进行标定；
具体地，在本实施方式中，通过空间中的平面靶标对多相机测量系统中每个CCD/CMOS相机的内参进行标定，同时对每个CCD/CMOS相机的空间位姿关系进行标定。
S2：在待测零件周围随机布置标记点；
具体地，在本实施方式中，在待测零件的表面随机布置标记点，用于多空间位姿测量数据的拼接。
S3：通过步骤S1标定后的多相机测量系统对划线后的待测零件（即待测零件划线特征）进行图像采集；
具体地，在本实施方式中，标定后的多相机测量系统中每个CCD/CMOS相机的相对空间位姿关系保持不变，同一时刻在不同视角对待测零件进行图像采集。
S4：对步骤S3获得的由多相机测量系统单次采集的多幅图像采用两步灰度重心法提取划线特征的中心线亚像素坐标；
具体地，在本实施方式中，对多幅图像中的图像I(x,y)，首先对图像沿x轴或者y轴计算粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)，其计算公式如下：
或者
接着，基于粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)计算精提取中心线上各点的坐标C(x ’ ,y ’ )，其计算公式如下
其中，I(x i ’ ,y j ’ )表示像素坐标为(x i ’ ,y j ’ )的像素点的像素值，s是像素点(x i ’ ,y j ’ )的法向取点的总数。
S5：根据步骤S1中对多相机测量系统的CCD/CMOS相机所标定的空间位姿关系，建立CCD/CMOS相机两两之间的对极约束关系，通过极线对步骤S4提取的多幅图像中的划线特征进行特征点匹配；
具体地，在本实施方式中，多幅图像中的图像A中中心线坐标为C A (x ’ ,y ’ ),根据图像A中中心线坐标C A (x ’ ,y ’ )与对极点e A 建立极线l A ，根据对极几何原理，在多幅图像中的图像B中基于极点e B 建立极线l B ，从而确定图像B与图像A中中心线坐标C A (x ’ ,y ’ )对应的中心线坐标C B (x ’ ,y ’ )。
S6：通过步骤S5获取的匹配后的特征点建立步骤S4中提取的多幅图像的划线特征的对应关系；
S7：对步骤S6中已建立对应关系的多幅图像的划线特征进行三维重建，得到待测零件划线特征的三维点云数据；
具体地，在本实施方式中，根据多幅图像中的划线特征的特征点的匹配关系:
求解划线特征的特征点的三维坐标C(x,y,z)。
S8：通过改变步骤S1中标定后的多相机测量系统的空间位姿对待测零件划线特征进行多次测量，所采集的数据通过步骤S4～S7来提取单次测量的待测零件划线特征的三维点云数据；
具体地，在本实施方式中，根据待测零件的大小尺寸，通过标定后的多相机测量系统在多个空间位姿进行测量，测量时的该等空间位姿根据多相机测量系统的景深、视野等基于可视锥的原理进行规划，以获得待测零件完整的测量数据。
S9：对步骤S8获得的多次测量的待测零件划线特征的三维点云数据通过步骤S1中待测零件周围布置的标记点进行数据融合，获得完整的待测零件划线特征。
具体地，在本实施方式中，在待测零件上随机布置不少于三个标记点，并且保证前后序测量的公共标记点不少于三个，通过测量获得标记点的三维坐标，基于ICP算法计算旋转变换矩阵T，实现多次测量数据的融合。
本发明方法适用小曲率薄壁零件划线特征的提取，即本发明适用各种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，包括如下步骤：
S1：对由不少于两个CCD/CMOS相机组成的多相机测量系统进行标定；
S2：在待测零件周围布置标记点；
S3：通过步骤S1中标定后的多相机测量系统对划线后的待测零件进行图像采集；
S4：对步骤S3中获得的由多相机测量系统单次采集的多幅图像采用两步灰度重心法提取划线特征的中心线坐标；
S5：根据步骤S1中对多相机测量系统的标定，建立CCD/CMOS相机两两之间有关空间位姿关系的对极约束关系，通过极线对步骤S4中提取的多幅图像中的划线特征进行特征点匹配；
S6：通过步骤S5获取的匹配后的特征点建立步骤S4中提取的多幅图像中的划线特征的对应关系；
S7：对步骤S6中已建立对应关系的多幅图像的划线特征进行三维重建，得到待测零件划线特征的三维点云数据；
S8：通过改变步骤S1中标定后的多相机测量系统的空间位姿来对待测零件划线特征进行多次测量，所采集的数据通过步骤S4～S7来提取单次测量的待测零件划线特征的三维点云数据；
S9：对步骤S8中获得的多次测量的待测零件划线特征的三维点云数据通过步骤S1中待测零件周围布置的标记点进行数据融合，获得完整的待测零件划线特征。
2.如权利要求1所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述标定包括：通过空间中的平面靶标，对所述多相机测量系统中每个所述CCD/CMOS相机的内参进行标定，同时对每个所述CCD/CMOS相机的空间位姿关系进行标定。
3.如权利要求2所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述图像采集是在所述标定后的所述多相机测量系统中每个所述CCD/CMOS相机的相对空间位姿关系保持不变的情况下，同一时刻在不同视角对所述待测零件进行图像采集。
4.如权利要求3所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S4中，针对所述单次采集的所述多幅图像中的图像I(x,y)，首先对图像I(x,y)沿x轴或者y轴计算粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)，其计算公式如下：
或者/>，接着，基于粗提取中心线坐标C x (x,y j )或C y (x i ,y)计算精提取中心线上各点的坐标C(x ’ ,y ’ )，其计算公式如下：
其中，I(x i ’ ,y j ’ )表示像素坐标为(x i ’ ,y j ’ )的像素点的像素值，s是像素点(x i ’ ,y j ’ )的法向取点的总数。
5.如权利要求4所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述多幅图像中的图像A中心线坐标为C A (x ’ ,y ’ )，根据图像A中心线坐标C A (x ’ ,y ’ )与对极点e A 建立极线l A ，根据对极几何原理，在所述多幅图像中的图像B中基于极点e B 建立极线l B ，从而确定图像B与图像A中心线坐标C A (x ’ ,y ’ )对应的中心线坐标C B (x ’ ,y ’ )。
6.如权利要求5所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S7中，根据所述多幅图像中的所述划线特征的特征点匹配关系:
求解所述划线特征的特征点的三维坐标C(x,y,z)，其中，T表示矩阵转置，F表示基础矩阵，该基础矩阵为平面A到平面B的转换关系。
7.如权利要求6所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S8中，根据所述待测零件的大小尺寸，通过所述标定后的所述多相机测量系统在多个空间位姿进行测量，测量时所述空间位姿根据所述多相机测量系统的景深、视野基于可视锥的原理进行规划，以获得所述待测零件完整的测量数据。
8.如权利要求7所述的一种小曲率薄壁零件用二维和三维视觉结合的划线特征提取方法，其特征在于，在所述步骤S9中，在所述待测零件上随机布置不少于三个标记点，并且保证前次测量和后次测量的公共标记点不少于三个，通过测量获得标记点的三维坐标，基于ICP算法计算旋转变换矩阵T，实现多次测量数据的融合。
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Denomination of invention: A Method for Extracting Lined Features of Small Curvature Thin-walled Parts Using a Combination of 2D and 3D Vision

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Pledgee: Weihai commercial bank Limited by Share Ltd. Qingdao branch

Pledgor: QINGDAO HAIZHICHEN INDUSTRIAL EQUIPMENT Co.,Ltd.

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