基于雙目立體視覺(jué)的玻璃微珠運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)裝置

劉明明, 劉雙喜, 朱增偉, 王　盼, 王金星

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京210016 )

基于雙目立體視覺(jué)的玻璃微珠運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)裝置

劉明明1, 劉雙喜1, 朱增偉2, 王盼1, 王金星1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京210016 )

摘要：針對(duì)摩擦輔助電鑄技術(shù)中工件在玻璃微珠的摩擦和擾動(dòng)下，電鑄質(zhì)量明顯提高這一特性,研制出一種基于雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的玻璃微珠運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)裝置.該裝置的硬件系統(tǒng)主要由平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)和圖像采集系統(tǒng)組成，軟件程序采用VC6.0與opencv機(jī)器視覺(jué)函數(shù)庫(kù)編寫.通過(guò)對(duì)靜態(tài)物體形態(tài)尺寸進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和可行性，為進(jìn)一步探尋及優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)提供支持.

關(guān)鍵詞：雙目立體視覺(jué)； 玻璃微珠； 摩擦輔助電鑄技術(shù)； 運(yùn)動(dòng)軌跡

計(jì)算機(jī)雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是測(cè)量領(lǐng)域的重要分支,其基本原理是：從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一場(chǎng)景獲得一組圖像，然后通過(guò)三角測(cè)量原理和視差理論獲得不同圖像中對(duì)應(yīng)象素間的視差，來(lái)測(cè)量?jī)蓴z像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)被測(cè)物體的三維形狀尺寸及空間物點(diǎn)坐標(biāo)，它是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容[1].

針對(duì)傳統(tǒng)電鑄工藝中陰極表面產(chǎn)生的麻點(diǎn)、針孔等缺陷，南京航空航天大學(xué)特種加工實(shí)驗(yàn)室提出一種基于陰極平動(dòng)的游離粒子摩擦輔助電鑄技術(shù)，即在電鑄過(guò)程中，將陰極工件放入浸滿電鑄液的玻璃微珠中，以平動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式帶動(dòng)玻璃微珠摩擦、沖擊陰極表面，可以迅速、有效徹底地去除吸附氣泡和沉積表面的積瘤，減薄擴(kuò)散層，有效地提高電鑄速度，明顯改善電鑄質(zhì)量[2-4].

為進(jìn)一步探尋及優(yōu)化相關(guān)摩擦輔助電鑄技術(shù)的工藝參數(shù)，本文采用雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)研制一種玻璃微珠運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)裝置，獲得在不同平動(dòng)量撞擊下的玻璃微珠三維運(yùn)動(dòng)軌跡模型，以期為優(yōu)化摩擦輔助電鑄技術(shù)提供研究基礎(chǔ).

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與原理

試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)、圖像采集及處理系統(tǒng)、電鑄槽、電鑄直流電源等部分組成，裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.計(jì)算機(jī)； 2.調(diào)速電機(jī)； 3.機(jī)架； 4.平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)； 5.CCD相機(jī)； 6.輸出軸； 7.電鑄槽圖1　裝置總體結(jié)構(gòu)

電鑄工藝前期工作準(zhǔn)備完畢后，開(kāi)啟觀測(cè)裝置電源開(kāi)關(guān)，調(diào)速電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)將平動(dòng)運(yùn)動(dòng)由輸出軸輸出，輸出軸帶動(dòng)陰極工件在充滿電鑄液的玻璃微珠中攪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)玻璃微珠對(duì)陰極工件表面的沖擊及摩擦；然后用搭建的空間正交雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)采集圖像，最后經(jīng)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)及視覺(jué)測(cè)量數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到玻璃微珠的三維運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軌跡.裝置工作原理示意圖如圖2所示.

圖2　裝置工作原理示意圖

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)

平動(dòng)量可調(diào)機(jī)構(gòu)可觀測(cè)在不同的平動(dòng)量下電鑄工件質(zhì)量的優(yōu)劣，裝置采用整體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示.平動(dòng)運(yùn)動(dòng)由輸入軸與偏心軸的偏心距來(lái)實(shí)現(xiàn)，偏心距離的大小決定平動(dòng)量的大小.輸入軸上的偏心柱與從動(dòng)軸上的偏心柱為左右對(duì)稱式，平衡攪動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的附加彎矩，使裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn).偏心柱內(nèi)開(kāi)有T形槽，與其配合的偏心軸頭部也為T型，調(diào)節(jié)平動(dòng)量時(shí)，松開(kāi)偏心柱上的緊定螺釘，使偏心軸在T槽內(nèi)滑動(dòng)，通過(guò)改變偏心軸與輸入軸的偏心距離來(lái)實(shí)現(xiàn)平動(dòng)量的調(diào)節(jié).圖4為偏心柱和偏心軸的三維建模圖.

1.輸入軸; 2、8.偏心柱; 3、9.偏心軸; 4.平動(dòng)連桿; 5.輸出軸; 6.箱體; 7.從動(dòng)軸圖3　平動(dòng)量可調(diào)裝置示意圖

1.緊定螺釘; 2.偏心柱; 3.偏心軸圖4　偏心柱與偏心軸三維建模圖

2.2圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要由工業(yè)CCD相機(jī)、PCI-E數(shù)據(jù)采集卡、光源及計(jì)算機(jī)等部分組成.選用Pointgery FL2-03SM-C型CCD相機(jī)，PB-088EAM型鏡頭(焦距8 mm)，PCI-E數(shù)據(jù)采集卡，829B889型條形光源.計(jì)算機(jī)的主要配置為：1G 內(nèi)存，Pentium(R)4，CPU(2.1GHz 主頻)，系統(tǒng)所進(jìn)行的圖像采集處理及相關(guān)標(biāo)定算法均在本計(jì)算機(jī)上進(jìn)行.

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件程序采用VC6.0與Opencv機(jī)器視覺(jué)函數(shù)庫(kù)編寫.首先對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度化處理，將采集的8 位 BMP圖像轉(zhuǎn)化為256級(jí)BMP灰度圖像.然后對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取目標(biāo)的圓心作為匹配特征點(diǎn)，并對(duì)兩個(gè)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[5].通過(guò)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)[6]求解示蹤玻璃微珠的三維坐標(biāo)數(shù)值.軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

圖5　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4結(jié)果與分析

4.1試驗(yàn)條件及結(jié)果

試驗(yàn)中玻璃微珠為透明玻璃微珠，直徑為0.8～1 mm，圓度為90 %以上，密度3.4 g/cm3.電鑄工藝參數(shù)：電流密度4 A/dm2，陰極旋轉(zhuǎn)速度200 r/min，電鑄液溫度40℃.電鑄液成分：氨基磺酸鎳(Ni(SO3NH2)2·nH2O)400 g/L，硼酸(H3BO3)30 g/L，氯化鎳(NiCl2)15 g/L.試驗(yàn)時(shí)，將透明玻璃微珠放入電鑄槽體中，同時(shí)將單粒同參數(shù)黑色玻璃微珠作為示蹤微珠，使其初始位置在相機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，設(shè)置初始平動(dòng)量值為10 mm；開(kāi)啟試驗(yàn)裝置，兩相機(jī)同時(shí)各采集150張640×480的8 Bits位圖圖像作為研究對(duì)象.圖6為相機(jī)兩個(gè)方向采集的各6幀原始圖像，表1為該測(cè)量系統(tǒng)獲取的示蹤微珠的三維坐標(biāo)數(shù)值.

4.2精度分析

通過(guò)對(duì)靜態(tài)物體測(cè)量來(lái)驗(yàn)證搭建系統(tǒng)的可靠性和可行性.測(cè)試試驗(yàn)裝置：雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，外形尺寸為70 mm×50 mm×50 mm的長(zhǎng)方體.圖7為采集的長(zhǎng)方體模型圖像，圖中標(biāo)記出的4個(gè)棱角點(diǎn)位為模型在兩個(gè)相機(jī)視場(chǎng)中共有點(diǎn). 本實(shí)驗(yàn)采用交互式區(qū)域匹配方法[7-9]，計(jì)算還原4個(gè)棱角點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并求出4條邊的長(zhǎng)度.表2為長(zhǎng)方體各條邊線的長(zhǎng)度，圖8為還原模型.通過(guò)靜態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)得出相對(duì)誤差為7.06 %，可以基本滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.同時(shí)由于系統(tǒng)標(biāo)定誤差、測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)正交約束安裝誤差影響了系統(tǒng)的測(cè)量精度.

(a)垂直方向CCD1相機(jī)采集的原始圖像　(b)水平方向CCD2相機(jī)采集的原始圖像圖6　相機(jī)兩個(gè)方向采集的原始圖像

幀頻數(shù)坐標(biāo)值/mmXYZ11.673.42152.0221.583.47152.0631.344.58152.8541.314.66152.7251.424.66152.8061.583.98152.3971.743.16151.9181.673.45151.4391.504.00151.62101.244.82151.94111.366.40151.28121.196.81151.32130.898.29151.58141.148.28151.58151.367.10151.21161.336.83151.18170.549.66151.52180.477.41151.18190.235.66150.87200.218.55151.31

圖7　長(zhǎng)方體模型圖像

表2各邊線的長(zhǎng)

線段L1L2L3L4實(shí)際邊長(zhǎng)/mm50505050邊長(zhǎng)/mm44.2644.645.6451.38誤差/mm-5.74-5.4-4.361.38平均誤差/mm -3.53標(biāo)準(zhǔn)差 3.325相對(duì)誤差/% 7.06

圖8　還原模型圖

5結(jié)束語(yǔ)

研制了一種基于雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的玻璃微珠三維運(yùn)動(dòng)軌跡觀測(cè)裝置，通過(guò)提取示蹤微珠的圓心作為匹配特征點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)定相機(jī)參數(shù)，獲得玻璃微珠的三維坐標(biāo)軌跡.通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)得到系統(tǒng)相對(duì)

誤差為7.06 %，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和可行性，為進(jìn)一步探究陰極平動(dòng)摩擦輔助電鑄技術(shù)、優(yōu)化改善相關(guān)工藝參數(shù)提供了技術(shù)支持

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(編輯：郝秀清)

The research of the observation device of glass beads trajectory based on binocular stereo vision

LIU Ming-ming1， LIU Shuang-xi1, ZHU Zeng-wei2， WANG Pan1， WANG Jin-xing1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University, Tai′an 271018, China；2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:If the work piece is rubbed and disturbed by the glass beads in friction auxiliary electroforming technology, the quality of the electrodepositing will be obviously improved. Based on this feature, this paper developed an observation device of glass beads trajectory based on the binocular stereo vision measurement method. The hardware system of the device is mainly composed of a translational quantity adjustable mechanism and an image acquisition system, and the software program was written by VC6.0 and opencv machine vision function.Through the measuring, the shape size of the static object, it verified the reliability and feasibility of the system, which provides supports for further exploring and the optimization of the related technology parameters.

Key words:binocular stereo vision; glass beads; friction auxiliary electroforming technology; trajectory

收稿日期：2015-08-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50975143)

作者簡(jiǎn)介：劉明明,男, lmmjx@126.com; 通信作者： 王金星，男，jinxingw@163.com

文章編號(hào)：1672-6197(2016)05-0032-04

中圖分類號(hào)：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A