基于計算機視覺水火彎板的三維測量系統

趙猛，王直

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江 212003）

大型曲面板的高精度快速測量及定位自動化，不僅是目前船舶建造所急需的，也是未來船舶建造測量裝備發展的必然趨勢。傳統的研究方法對板子加工后位移大小的計算測量精度都不高，關鍵原因是在板子上標記具有難度。長期以來，對于船體雙曲度外板的加工，國內外造船廠都是依靠有經驗的工人采用水火彎板的方法手工作業完成。船體外板曲面的成型加工是船舶制造的關鍵及重要環節之一。各種船舶的外表面大多都是由復雜的、不可展的空間曲面構成，把鋼板加工成這樣的曲面，目前在國內外大部分船廠主要還是采用燃氣火焰在鋼板表面局部進行加熱，當加熱區達到一定溫度后再降溫，利用金屬的熱彈塑性收縮變形原理，以獲得良好的整體變形，這就是所說的水火彎板工藝[1]。

1 曲面板測量、定位系統的整體設計與原理

1.1 整體架構圖

該系統主要是由服務器、工控機、工業照相機、激光掃描機以及傳輸信號的數據線組成的如圖1所示。

服務器主要是接受處理伺服控制器的控制信號，通過伺服控制器來控制激光掃描機跟工業攝像機，對曲面板立體拍照、測量，通過嵌入式計算機收集反饋來的控制信號通過比較相機跟激光掃描機的來準確的定位劃線裝置的位移。

圖1 整體架構圖Fig.1 Overall chart

1.2 相機成像原理

該測量系統采用了4臺高分辨率家用單反相機、以及一個高精度激光測量裝置，系統將激光與照相相結合進行測量。目前該系統能比較準確地測量曲面板的三維形狀，測量精度可以達到±2 mm。根據物理學中光學的原理攝像機成像模型如圖2所示[2]。

圖2 攝像機成像模型Fig.2 Camera imaging model

三維空間坐標系的構成為O1，X1Y1，Z1；筆者把攝像機的坐標系定義成為 O，X，Y，Z；把平面二維坐標系定義為 Os，Xs，Ys；Xs=fx/ηxz，Ys=fy/ηyz （1）

其中：f是攝像機的焦距；x，y方向的成像比例因子是ηx，ηy。 假設 H=z，X=fx/ηx，Y=fy/ηyz，則式（1）可用下矩陣形式來表示

所以可由計算機圖形學中的坐標轉換關系可以用下面的矩陣表示

由（2）和（3）可推出

式中：xs=X/H；ys=Y/H。

式（4）為三維空間坐標系跟平面二維坐標系的坐標變換關系，把Cij的值定為空間三維點和二維圖像點之間的變換關系。

1.3 劃線機的工作過程

激光劃線機通過嵌入式計算機控制一個伺服驅動器然后帶動一個激光器在鋼板上面沿設定的路線劃線如圖3所示。

圖3 激光劃線機定位示意圖Fig.3 Laser scribing machine location sketch map

2 構建測量機構

2.1 具體方法

測量范圍為12 m長×8 m寬×2 m高的曲面板，需采用多組照相測量設備以保證測量精度。每組測量設備由4臺高分辨率相機和一臺高分辨率工業投影儀組成。每組的測量范圍為4 m長×3 m寬，共需要8組照相機（32臺）來構建測量機構（照相機測量裝置如圖4所示）。為了完成三維曲面板全方位的測量，需研制激光自動測量機構。為了保證激光的高精度定位、測量，文中擬采用2臺高精度的全自動激光測量裝置（如圖5所示檢測機構）。

圖4 照相機測量裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring device for camera

圖5 激光測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser measuring device

文中的照相測量機構固定在一個長方形的背板上，需在兩兩相機之間進行幾何標定。相機拍攝的圖像由USB線傳輸到一臺代理工控機上，工控機只負責圖像與激光數據采集與傳輸工作，當工控機獲得測量的數據之后，便將采集到的數據傳輸到能進行存儲和分析的高性能服務器中，然后利用機器視覺算法測量曲面板動態三維形狀[3]，具體做法是：

1）利用棋盤格標定方法，對相機進行標定，精確地測量出每個相機的內參（CCD的形變、焦距等）和相機之間的外參（2個相機坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量），以及畸變系數。標定的精度對測量的精度有很大的影響，所以棋盤格的大小要均勻，尺寸要精確。

2）在鋼板表面涂上特殊的化學材料，利用自動激光標線機在鋼板上劃基準線與安裝線，這些特殊的化學材料在激光照射后會產生化學反應，出現顏色變化。

3）利用激光測量設備，測量鋼板上若干個關鍵數據點，為了保證激光測量的精確性，這些關鍵點需要貼上特殊的標記。

4）利用相機的SDK（軟件開發工具包）開發相機的控制程序，通過控制程序控制標定的相機同步拍攝鋼板圖像，并將圖像實時地傳輸到服務器中。

5）在服務器上，采用邊緣檢測算法在圖像中檢測出需要測量的部位，找到被測鋼板的邊界。

6）采用圖像特征提取算法測量貼上標記關鍵數據的特征點，并且對每個特征點在DOG（Difference of Gaussians，高斯差分）空間進行拋物面擬合，得到關鍵特征點的精確的像素位置，并計算每個點的特征描述符[4]。

7）根據局部特征點的特征描述符、多個相機之間的極線約束關系、以及規則投影的約束找到部分正確匹配的特征點，采用多視幾何的理論求解出正確的特征點所對應的三維空間坐標；過濾噪聲點，保留正確的三維數據關鍵點。

8）將激光測量的關鍵點數據與相機測量到的關鍵點數據進行非線性擬合，求解出激光測量與相機測量之間的非線性誤差函數，用于校準照相測量[5]。

9）利用圖像線段檢測算法提取鋼板上的基準線與安裝線，并根據兩兩相機圖像之間的對應關系，測量出其對應的三維曲線。

2.2 建立激光測量與照相測量關系模型

在測量時，因為激光測量較慢，所以只使用激光測量曲面板上部分重要的關鍵點。激光測量的數據是非常精確的。而照相測量往往無法得到十分精確的測量數據[6]。假設在照相測量結果與激光測量結果之間，存在一個非線性的誤差函數，只要能得到這個非線性的誤差函數，便能夠利用激光測量的結果對照相測量進行校準。將激光測量到的關鍵點數據與相機測量的對應結果進行非線性擬合，便能求解出照相測量與激光測量之間的非線性誤差函數，從而實現利用激光測量的數據對相機的照相測量進行校準[7]。大大提高照相測量系統的精度，也提高了系統測量大的物件的速度。

2.3 實現多相機測量三維曲面拼接算法

由于被測鋼板較大（12 m長×8 m寬×2 m高），要想一次測量到整塊鋼板，并且保證測量精度，必須使用多組相機。因為每組相機都不可能拍攝到所有的鋼板，所以必須分塊測量，然后再利用計算機視覺算法（例如ICP算法）進行三維曲面拼接。

3 劃線定位

文中將根據相關數據，在測量的基礎上，通過運動伺服機構自動控制激光劃線機構，利用激光的聚焦特性，將需要劃線的點線準確地投射到目標曲面分段上，實現劃線。具體實現方案為：首先在曲面分段鋼板表面相應位置形成涂層，涂層中含有可接受激光激發變色材料[8]，然后，按照設計中各種線段在分段體中要求的坐標位置，經過計算機將控制激光劃線機用激光點在涂層表面畫線，在激光照射下，受激材料變色，形成所需要的圖案，即可實現預定劃線的目標 （如圖6所示）。

圖6 劃線定位設計圖Fig.6 Scribing positioning design

劃線定位主要研究內容為：

1）激光劃線機研究。為了保證劃線的精度及劃線的清晰度，必須嚴格劃線激光的功率強度，使其穩定在一定范圍內；此外，劃線機應能夠滿足曲面分段各個位置、各種角度的劃線要求，激光劃線機的柔性結構運動機構的實現是上述功能的保證；在上述機構的保證下，高精度、快速的劃線伺服運動控制算法才能提高劃線精度及提高工效[9]。

2）激光涂料的研究。雖然激光變色涂料已有一定基礎，但高穩定性、無污染、低燃點、低成本、適用于船體分段工藝的涂料的進一步研究是整個劃線的基礎。

4 測量結果

由于影響測量的因素很多如光照、圖像的采樣與量化、標定精度等，因此為保證測量精度，在本系統的開發過程中，采取了一系列措施以提高測量精度，如用工業攝像機拍照、用多幅圖像測量結果取平均來逼近真值及設置擋板等。目前，測量結果采取在基線對應的兩側取對應點的方法來檢測劃線是否正確。對某一鋼板上一條加熱線上距離約為100 mm；左右兩點之間的距離進行了多次測量，測量結果如表1從表中所示，該測量系統的重復測量精度較好，能滿足測量精度。

5 結 論

本文除了能夠解決船舶工業中自動劃線的問題，對于實現彎板的定位打孔以及按照規定的要求加工彎板的弧度具有重要的研究價值。

本文重點解決的問題有：

1）曲面板關鍵點位置的自動、精確、快速測量

利用激光測距原理、視覺跟蹤原理，能自動、精確、快速測量曲面關鍵點的智能測量裝置，以確保整個測量系統的高精度及快速性。

表1 測量結果Tab.1 Measurement result

2）激光及照相測量控制機構

自動測量三維曲面的激光測量及多目視覺照相測量控制裝置，實現激光自動測量很大。

3）激光劃線定位

文中利用噴涂在鋼板上的特殊激光激發變色涂料，由機械手（柔性控制機構）控制激光頭將激光投射在鋼板上（當激光照射到這種特殊激光受激材料時，會產生化學反應，從而使激光所畫的線出現顏色變化），實現激光劃線定位。

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[4]廣東工業大學.應用于水火彎板機數控系統三維立體成形的加工方法：中國，發明專利，20081019891617[P].2009-01.

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