基于立體視覺焊接變形測量系統(tǒng)標(biāo)定

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1、第33卷第3期焊接學(xué)報(bào)Vol．33No．32012年3月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMarch2012基于立體視覺焊接變形測量系統(tǒng)標(biāo)定張海鵬，韓端鋒，苗玉剛，陳淼(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)摘要:應(yīng)用立體視覺三維測量系統(tǒng)對鋼結(jié)構(gòu)上若干待測標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行測量，測量前分兩步對測量系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定．首先應(yīng)用基于平面模板的方法標(biāo)定攝像機(jī)的固有參數(shù)，包括單個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和兩個(gè)攝像機(jī)間的位置關(guān)系參數(shù)．其次使用單位四元數(shù)法對攝像機(jī)坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的位置參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定．為了驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，對攝像機(jī)內(nèi)

2、參數(shù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了重投影誤差估算，重投影誤差很小，滿足系統(tǒng)測量誤差要求．對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行重建試驗(yàn)，重建結(jié)果平均誤差小于1mm，最大誤差小于2．5mm．關(guān)鍵詞:焊接變形;立體視覺;攝像機(jī)標(biāo)定;單位四元數(shù)法中圖分類號:TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:0253－360X(2012)03－0021－04張海鵬0序言定．廣義上攝像機(jī)標(biāo)定可分為兩類，傳統(tǒng)標(biāo)定方法［5，6］和自標(biāo)定方法．傳統(tǒng)的標(biāo)定方法需要使用精密大型鋼結(jié)構(gòu)件在焊接過程中，由于受到不均勻加工的標(biāo)定塊，通過標(biāo)定塊上已知三維坐標(biāo)的點(diǎn)與加熱和冷卻，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接變形．焊接變其圖像上的對應(yīng)點(diǎn)來計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)．該方

3、形會(huì)嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，一方面降低了法可獲得較高精度，但標(biāo)定過程成本較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和力學(xué)性能，另一方面影響結(jié)構(gòu)件的尺力，不適合在線標(biāo)定和無法使用標(biāo)定塊的場合．自寸精度和表面的平整度．如何準(zhǔn)確的獲得鋼結(jié)構(gòu)在標(biāo)定方法利用攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)自身存在的約束來求焊接過程中產(chǎn)生的變形一直是國內(nèi)外焊接工藝領(lǐng)域解，算法復(fù)雜、魯棒性差、精度不高．研究的熱點(diǎn)問題之一．針對上述各標(biāo)定方法的不足，文中提出一種立傳統(tǒng)的焊接變形測量方法包括動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)體視覺焊接變形測量系統(tǒng)兩步標(biāo)定法．第一步，標(biāo)測量．靜態(tài)測量方法測量精度高，但測量的變形量定視覺測量系統(tǒng)的固有參數(shù)，包括單個(gè)攝像機(jī)內(nèi)參

4、較小，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中大變形量的測量［1］．動(dòng)數(shù)和兩攝像機(jī)間的位置參數(shù)．第二步，標(biāo)定攝像機(jī)態(tài)的焊接變形測量雖然能夠?qū)崟r(shí)地測出焊件的動(dòng)態(tài)的外參數(shù)，即解算攝像機(jī)坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間變形，對于焊接數(shù)值計(jì)算有較好的驗(yàn)證效果，但需借的相對位置參數(shù)．助于數(shù)值計(jì)算的方法才能得到最終的焊接變形值，誤差較大，精度較低，不適應(yīng)于焊接變形的質(zhì)量評1測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)定內(nèi)容定義［2］估．針對傳統(tǒng)焊接變形測量方法的不足，國內(nèi)外研究人員應(yīng)用機(jī)器視覺中的雙目立體視覺測量原立體視覺焊接變形測量系統(tǒng)由兩臺(tái)CCD攝像理，拍攝鋼結(jié)構(gòu)件的焊接過程圖像，重建標(biāo)志點(diǎn)三維機(jī)、圖像采集卡和一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)組成．圖

5、1為測坐標(biāo)，依據(jù)同名點(diǎn)將前后變形狀態(tài)關(guān)聯(lián)，可精確地獲量系統(tǒng)工作原理．［3，4］得焊接變形量．通常情況下，應(yīng)用立體視覺重建立體視覺焊接變形測量系統(tǒng)標(biāo)定是利用試驗(yàn)和標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)第一步工作是立體視覺測量系統(tǒng)標(biāo)計(jì)算的方法來獲取攝像機(jī)的數(shù)學(xué)成像模型．在立體視覺焊接變形測量系統(tǒng)中需要標(biāo)定單個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、兩攝像機(jī)間的位置關(guān)系參數(shù)以及攝像機(jī)坐標(biāo)收稿日期:2011－09－28基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005049);中央高校基本系和設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，因此需定義下述4個(gè)科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(HEUCF110107);黑龍坐標(biāo)系．江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(GZ

6、10A402);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2010RFQXG012)(1)左攝像機(jī)坐標(biāo)系OLxLyLzL．22焊接學(xué)報(bào)第33卷坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，M槇=［x，y，z，1］T表示空間點(diǎn)P對應(yīng)的齊次坐標(biāo)，依據(jù)針孔攝像機(jī)模型，有éαγu0ùsm槇=A［RT］M槇=ê0βv0ú［RT］M槇(3)êú?001?式中:s為任意的尺度因子;R和T為攝像機(jī)外參數(shù)，表示從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系;α和β分別為攝像機(jī)焦距在u軸和v軸方向上的坐標(biāo)值;γ為描述圖像中u軸和v軸傾斜程度的參數(shù);圖1測量系統(tǒng)工作原理(u0，v0)為像面中心坐標(biāo);A為內(nèi)參數(shù)矩陣．上述參Fig

7、.1Principleofmeasuringsystem數(shù)被稱為攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)．2．2基于平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定(2)右攝像機(jī)坐標(biāo)系ORxRyRzR．［7］Zhang提出了一種基于平面模板分步標(biāo)定法，左右攝像機(jī)坐標(biāo)系間的關(guān)系為該方法將鏡頭畸變系數(shù)與其它攝像機(jī)參數(shù)分開求xR=RRLxL+TRL(1)解，利用線性方法解出部分參數(shù)并作為非線性方法式中:RRL和TRL分別為從左攝像機(jī)坐標(biāo)系變換到右的初始值，然后通過非線性優(yōu)化，可以達(dá)到較高的精攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量．(3)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系Odxdydzd．度．標(biāo)定過程中只需從不同方向拍攝平面模板的多幅圖像，攝像機(jī)與平面