基于雙目便攜式三維掃描技術的小工件測量

王喜華

【摘 要】在對小工件進行測量時，很多傳統的測量方式都存在不同程度的測量速度慢、測量數據準確度不高等問題，線結構光法與雙目視覺測量法都屬于非接觸式測量法，但其也存在一定的缺陷。本文將兩種測量方式相結合，對小工件進行測量。其中雙目視覺測量系統由一個激光發射器和兩個CCD攝像頭構成，同時還需要兩個結構完全對稱的光測量系統。通過對小工件進行測量后結果表明，兩種測量方式相結合不僅彌補了單純的雙目視覺系統存在的空間定位不便、單次測量數據較少以及對曲面測量效果不佳等缺點，而且更加便捷、操作更加簡單，測量的適用性范圍也很廣，且測量誤差相對較小，在1mm以下。

【關鍵詞】小工件；雙目便攜式；三維掃描

傳統的接觸式測量方式一般都具有測量速度慢、測量精度低、測量效率不高等缺點，而且測量時需要與工件相接觸，因此對于軟質物體或者具有彈性的物體測量效果往往較差，而且由于接觸很容易導致精密物體的表面受到損壞，其中比較典型的例子就是三坐標測量機即CMM測量方法[1]。在現代工業的測量領域，傳統的這些測量方式已經無法適應現代化制造業發展的整體需要，因此非接觸式測量逐漸被開發出來，其中包括結構光法、立體視覺法、雙目或多目視覺法、相位光柵法等等。

由于雙目視覺測量需要對其進行雙目立體匹配，因此對于工件表面一些過分復雜的部分或者特征不太明顯的曲面上的紋理來說，很難獲取其三維坐標點的信息。而對于線結構光法來說，雖然其具有測量精度高、測量速度快而且是非接觸式等優點，但是每次測量只能獲取部分坐標信息，不僅操作過于復雜，而且單次測量所獲得的數據較少，要想完成空間定位還需要與電磁感應器之間進行配合。

一、雙目便攜式三維掃描測量小工件的工作原理

該掃描系統是由一個線激光器以及兩個CCD相機組成，兩個相機呈左右分布，再由線激光器與其構成兩個線結構的光測量系統，在對小工件進行測量時，周圍會存在一些人為設計的標記點[2]。當軟件的處理對象是一個連續的圖像幀時，雙目視覺測量系統可以計算在每一圖偵動態坐標下的標志點的三維坐標。由于標志點具備的空間不變性，可以獲得在這一時刻的動態坐標系統逐漸移動到基準坐標系下所生成的變換矩陣。在該動態坐標系下，每一個圖像幀下在激光線上的點的三維坐標由每一個光線結構測量系統進行測量及計算，然后將獲得的變換矩陣由雙目視覺測量系統將其轉換到基準的坐標系。由于兩個線結構光測量系統可以起到為彼此的數據進行校正的作用，因此可以有效減小測量誤差。

（一）雙目視覺系統的工作原理

通過成像系統使攝像機將三維空間直接投影在二維的平面上，以此實現攝像機模型的成像變換，一般攝像機模型有非線性模型和針孔模型即線性模型兩種。在計算機內，CCD相機所采集的數字圖像以M×N的數組形式所表示，每一個數組值就為一個像素。如果利用針孔成像模式，在投影矩陣已知的情況下，可以較容易的求出其對應的圖像坐標，但是如果已知圖像坐標，在將比例因子進行消除之后就只能得到兩個線性方程，而兩個線性方程還不足以求出整個空間坐標。這時候就可以通過在一個坐標系下設置雙相機的雙目視覺測量系統來得到四個線性方程，最終獲得圖像坐標點的空間坐標。

（二）線結構光系統的工作原理

線結構光系統測量出的數據精度相對較高，因此利用其測量機光線上的點進行計算。單個攝像機可獲得兩個線性方程，激光平面的點也有其特定的方程，而這些方程即為線結構光系統對所有空間點的約束條件，再通過相關計算過程即可求得所有世界坐標系的坐標，旋轉平移矩陣可以通過雙目視覺測量系統來求出，并將其轉換到基準坐標系之下，通過處理每一幀激光線上的點坐標，最后即可獲得被測工件表面的所有云數據。

二、測量過程及結果分析

（一）標定過程

所有工件在測量之前都需要根據系統的標定原理對其進行標定，這樣才可以獲得左右激光平面的方程以及左右兩個攝像頭的投影矩陣[3]。理論上來說，左右兩個相機其光平面系數應該是完全一致的，但由于圖像獲取時可能產生噪聲或者不同硬件之間存在差異、激光中心的提取精度、特征點選取為隨機性且數量較少等因素，因此系數會存在一定的差異。

（二）三維掃描實驗

在獲得了左右兩激光平面方程以及左右兩相機的投影矩陣后，可采用三維掃描技術對小工件進行掃描來獲取點云數據。由于雙目視覺系統與左右兩個線結構光系統是分別獨立的系統，因此掃描后獲得的點云數據也分為左右兩個系統的點云數據。又因為其都建立在同一個統一的基準坐標系下，因此雖然掃描的數據分左右系統但依然可以綜合到一起[4]。

因此，小工件的尺寸信息可以通過獲取的點云數據來獲得，另一種方式就是重建小工件的三維立體模型。以鼠標為例進行試驗后可知，即使其有些曲面部位紋理特征不明顯，其三維坐標信息依然可以順利獲得，從而彌補了雙目視覺這一測量方式所存在的缺陷，達到了試驗的目的。

（三）三維測量試驗

為了驗證最終所獲數據的精準程度，以一元硬幣為例使用本文系統對其尺寸進行測量，再以標準正值為準將所測結果與其進行比較，以此來判斷最終測得的精度是否符合要求。根據最終的測量結果可知，所測得的大部分數據其測量誤差都在正負1mm以內，并且測量結果的相對誤差都在1%以內，由此可見，該系統對于數據的測量精度來說是滿足要求的[5]。

結語：

綜上所述，在對小工件進行測量時，采用雙目便攜式三維掃描方式進行測量的相對比較少見。該方式一傳統的利用電磁傳感器來對空間進行定位的方式不同，與CMM以及超聲測量方式相比又具有成本低、方便快捷等優勢。

雖然單獨使用雙目視覺測量系統，其單次采集的數據量較大，適用于通過三維掃描技術進行識別、理解以及分析等，使用方式也相對便捷，但由于其過分依賴被測物體的紋理特征，導致在曲面較為復雜或者曲面紋理特征不明顯的表面會很難測出其三維坐標點。而單獨使用線結構光測量系統雖然測量速度很快且測量精度較高，但由于該方式非常受光源的約束，因此單次測量獲取的信息量非常小，而且需要解除電磁傳感器來對空間進行定位。本文綜合了以上兩種測量方式的優點，通過雙目視覺系統進行定位，再利用線結構光系統對工件進行精確測量，這樣一來就可以將工件表面信息不斷進行完善，最終不依賴任何固定測量平臺就可以測量出工件的尺寸，因此前景一片大好。

參考文獻：

[1]劉家豪，賀賽先.基于雙目便攜式三維掃描技術的小工件測量[J].科學技術與工程，2016，16（7）：31-41.

[2]邾繼貴，王浩，任同群，等.便攜式激光掃描三維形貌測量系統[J].機械工程學報，2005，41（2）：166-169.

[3]張俊勇，伍世虔，陳彬，等.基于雙目視覺的零件多尺寸在線測量系統[J].儀表技術與傳感器，2018，（10）：75-80.

[4]王浩，張鳳生，劉延杰.接觸線雙目視覺測量系統標定及立體校正方法研究[J].制造業自動化，2019，41（3）：97-101.

[5]唐玉勃.用懸高測量法進行拱軸線檢測[J].遼寧省交通高等?？茖W校學報，2012，14（04）：18-20.

（作者單位：遼寧省交通高等專科學校）