雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法
2023-10-18 13:28:59 3
雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法，系統主要由兩臺背景投影儀、一臺全站儀、一臺三維掃描儀和一臺GPU伺服器組成；背景投影儀、三維掃描儀和全站儀均連接到伺服器上。方法：在被測鋼板周圍放置若干雷射標籤；用雷射測量標籤的三維坐標用三維掃描儀中的兩臺相機拍攝雷射標籤；用HOG和SVM檢測標籤的初始位置；用DOG精確定位標籤的中心；測量出標籤的三維坐標將從視覺坐標系轉換到雷射坐標系，得到計算和的誤差並建立誤差場；用掃描儀測量被測鋼板，得到鋼板的三維數據；用誤差場校正鋼板的三維數據，得到更加精確的鋼板的三維數據。本發明將雷射測量和視覺測量兩種方法結合在一起，可以大大減小視覺測量的誤差。
【專利說明】雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統方法，適用於船舶製造過程中，對船體鋼板進行三維測量。
【背景技術】
[0002]船舶鋼板的彎曲是船舶製造的重要環節。由於船用鋼板較厚，要將其精確地彎曲到設計要求的形狀是非常困難的。目前造船企業大多採用火燒之後手工敲打，然後再比對目標模型的方法。這種方法勞動強度大、費時、精度和效率低，為此需研發船舶鋼板彎曲自動化控制系統。船舶鋼板彎曲自動化控制系統中，三維測量是最關鍵的環節，只有準確測量出鋼板的三維形狀，才能實現自動化控制。由於鋼板表面不能加傳感器，所以只能採用非接觸測量法。目前，常用的非接觸測量法有兩種:雷射測量法和視覺測量法。兩種測量方法都有各自的優缺點。雷射測量方法，測量速度較慢，但是測量精度較高。視覺測量方法，測量速度快，但是測量精度低。因此，可以將這兩種方法結合在一起，實現一種快速、準確的測量方法，該方法雖然不能完全消除誤差，但是可以大大減小誤差。
【發明內容】
[0003]發明目的:針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法。
[0004]技術方案:一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統，主要由兩臺高亮度的背景投影儀、一臺全站儀、一臺三維掃描儀和一臺高性能的GPU伺服器組成。其中，三維掃描儀包括一臺高亮度的投影儀，和兩臺解析度1440*1080以上、幀率IOfps的同步高分辨工業相機。系統中所有相機經由1394線和1394卡與伺服器相連；所有投影儀經由usb接口與伺服器相連；全站儀經由網線與伺服器相連。
[0005]一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量方法，進行船舶鋼板動態三維數據分析，主要包括結合雷射測量對基於視覺的鋼板的三維測量結果進行校正。步驟如下:
[0006]a)在被測鋼板周圍放置若干雷射標籤；
[0007]b)用雷射測量標籤的三維坐標P"；
[0008]c)用三維掃描儀中的兩臺相機拍攝雷射標籤；
[0009]d)用HOG和SVM檢測標籤的初始位置；
[0010]e)用DOG精確定位標籤的中心；
[0011]f)根據三角測量原理，測量出標籤的三維坐標y ;
[0012]g)將 從視覺坐標系轉換到雷射坐標系，得到pf ；
[0013]h)計算和p?的誤差五"，並建立誤差場；
[0014]i)用掃描儀測量被測鋼板，得到鋼板的三維數據；[0015]j)用誤差場Aro校正鋼板的三維數據，得到更加精確的鋼板的三維數據。
[0016]有益效果:與現有技術相比，本發明提供的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統及方法，通過雷射測量建立誤差場，矯正基於視覺的三維測量結果，實現對船舶鋼板快速、精確的三維測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例的系統硬體連接圖；
[0018]圖2為本發明實施例的方法流程圖；
[0019]圖3為本發明實施例的誤差場建立，以及校正視覺三維測量結果示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
[0021]如圖1所示，本系統由一臺三維掃描儀、兩臺背景投影儀、一臺全站儀和一臺高性能GPU伺服器組成。其中，三維掃描儀包括一臺高亮度的投影儀，和兩臺解析度1440*1080 以上、幀率IOfps的同步高分辨工業相機。系統中所有相機經由1394線和1394卡與伺服器相連；所有投影儀經由usb接口與伺服器相連；全站儀經由網線與伺服器相連。
[0022]本發明方法的流程如圖2所示:
[0023]1.在被測鋼板周圍放置若干雷射標籤；
[0024]2.用雷射測量標籤的三維坐標如圖3 (a);
[0025]3.用三維掃描儀中的兩臺相機拍攝雷射標籤；
[0026]4.用HOG和SVM檢測雷射標籤的初始位置:首先採集大量的雷射標籤圖像作為正樣本，以及大量的環境圖像作為負樣本；然後，在這些樣本上提取HOG特徵；接下來，利用樣本的HOG特徵訓練一個SVM檢測器。用該SVM檢測器檢測標籤的大概位置，得到一個標籤圖像塊，用Im表示該標籤圖像塊；
[0027]5.用DOG精確定位標籤的中心，方法如下:
[0028]第一步，在Im上使用自適應的二值化方法，產生一個二值圖像。
[0029]第二步,計算二值化圖像連通區域的中心,用Li = (Xli, Yli)1表示。然而Li不一定是標籤的精確中心。因此，需要以Li為初始值，尋找精確的中心位置。
[0030]第三步，利用DOG的方法尋找精確的中心值。首先，使用具有兩個不同高斯核爐I
和<p2的高斯函數，平滑圖像塊Im，得到兩個平滑之後的圖像塊/:1和/然後，根據/:1和J 形成一個DOG圖像最後，在/ ㈨中，在Li的附近尋找極值，得到標籤的中心。
[0031]6.根據三角測量原理，測量出標籤的三維坐標pf，如圖3 (b)所示。
[0032]7.將從視覺坐標系轉換到雷射坐標系，得到雷射坐標；?；0，方法如下:
[0033]假設，Rvo和Tv。是從視覺坐標繫到雷射坐標系的旋轉矩陣和平移向量，根據P'和夕屍之間的關係計算Rv。和Tv。。如果M大於3，便可以構建一個關於Rv。和Tv。的過約束方程， 如公式(I)所示。使用最小二乘法優化求解該過約束方程，估計Rv。和Tv。。
[0034]
[0035]估計出Rv。和Tv。之後，便可將P轉換到雷射坐標系之中，得到$
[0036]理論上，Ke (圖3 ( c )中的圈)和pf (圖3 ( c )中的點)應該是雷射坐標系中相同的點。然而，由於相機標定和點雲拼接會產生誤差，因此測量得到 會產生誤差。所以不可能精確估計Rv。和Tv。，這導致了 之間的差異(圖3 (c))。
[0037]8.計算之間的誤差E1;0 ,並建立誤差場。
[0038]三角化點，形成一些三角形(圖3 (d)、(e)、(f))，然後為每個三角形構建一個誤差場。下面，以一個三角形為例，闡述構建誤差場的過程。
[0039]假設一個三角形的三個頂點是/ {j,k,m},從視覺坐標系轉換過來的對應點是 與P "之間的誤差是五,?，五f可以看成是三維空間中的三個向量。在該三角形中，可以根據進行線性插值，形成一個誤差場。此時，誤差場可以看成是由經過夕"的三
角形平面與經過P的三角形平面所包圍的空間(圖3 (f))。
[0040]根據上述方法，可以為每個三角形構建一個誤差場。
[0041]9.用掃描儀測量被測鋼板，得到鋼板的三維數據。
[0042]10.用誤差場五廣校正鋼板的三維數據。具體的校正過程如圖3 (g)- (j)所示。
[0043]假設PCa是掃描儀測量得到的一個點雲，P是PCa上的一點(圖3(g))，下面解釋點 P的校正過程。基本思想是利用誤差場使PCa產生形變，以使得PCa更加接近於雷射的結果。
[0044]首先，假設p:9和Z所形成的三角形是距離P最近的三角形，從P到由/C3和Z所
形成的三角形平面做兩條垂線(圖3 (h))，兩個垂足分別用Cp和Fp表示(圖3 (i))；
[0045]然後，將Cp和Fp所形成的向量FC作為校正點P的值。根據FC，移動P，產生一個新的點。
[0046]PCa上的其他點都可以使用該方法進行校正。因此，PCa將向雷射測量結果的方向產生形變，從而得到更加精確的結果。
[0047]以上的方法雖然不能完全消除誤差，但是可以大大減小誤差。得到比單純使用視覺測量更加精確的鋼板的三維數據。
【權利要求】
1.一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統，其特徵在於:主要由兩臺高亮度的背景投影儀、一臺全站儀、一臺三維掃描儀和一臺高性能的GPU伺服器組成；所述兩臺背景投影儀、一臺三維掃描儀和一臺全站儀均連接到伺服器上。
2.如權利要求1所述的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統，其特徵在於:所述三維掃描儀包括一臺高亮度的投影儀，和兩臺解析度1440*1080以上、幀率IOfps的同步高分辨工業相機，其中兩臺相機經由1394線和1394卡與伺服器相連；所述三維掃描儀的投影儀經由usb接口與伺服器相連。
3.如權利要求1所述的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量系統，其特徵在於:所述全站儀經由網線與伺服器相連；所述兩臺背景投影儀均經由usb接口與伺服器相連。
4.一種雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量方法，其特徵在於，包括步驟如下: a)在被測鋼板周圍放置若干雷射標籤； b)用雷射測量標籤的三維坐標pf; c)用三維掃描儀中的兩臺相機拍攝雷射標籤； d)用HOG和SVM檢測標籤的初始位置； e)用DOG精確定位標籤的中心； f)根據三角測量原理，測量出標籤的三維坐札P g)將Y從視覺坐標系轉換到雷射坐標系，得到ρvoi; h)計算pf的誤差E:0，並建立誤差場； i)用掃描儀測量被測鋼板，得到鋼板的三維數據； j)用誤差場五廣校正鋼板的三維數據，得到更加精確的鋼板的三維數據。
5.如權利要求4所述的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量方法，其特徵在於，所述用HOG和SVM檢測雷射標籤的初始位置的具體方法為: 首先採集雷射標籤圖像作為正樣本，以及環境圖像作為負樣本； 然後，在這些樣本上提取HOG特徵；接下來，利用樣本的HOG特徵訓練一個SVM檢測器；用該SVM檢測器檢測雷射標籤的大概位置，得到一個標籤圖像塊，用Im表示該標籤圖像塊。
6.如權利要求5所述的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量方法，其特徵在於，所述用DOG精確定位標籤的中心的具體步驟如下: 第一步，在Im上使用自適應的二值化方法，產生一個二值圖像； 第二步，計算二值化圖像連通區域的中心，用Li = (X1Dyli)T表示； 第三步，以Li為初始值，利用DOG的方法尋找精確的中心值；首先，使用具有兩個不同高斯核φ?和<p2的高斯函數，平滑圖像塊I,，得到兩個平滑之後的圖像塊/ IP/,;,2然後，根據/=和形成一個DOG圖像Afxi;最後，在中，在Li的附近尋找極值，得到標籤的中心。
7.如權利要求6所述的雷射與視覺相結合的鋼板的三維測量方法，其特徵在於，將Pvi從視覺坐標系轉換到雷射坐標系，得到雷射坐標Pro,方法如下:假設，Rvo和Tvo是從視覺坐標繫到雷射坐標系的旋轉矩陣和平移向量，根據和之間的關係計算Rv。和Tv。；如果M大於3，便可以構建一個關於Rv。和Tv。的過約束方程，如公式(I)所示；使用最小二乘法優化求解該過約束方程，估計Rv。和Tv。；
【文檔編號】G01B11/24GK103438826SQ201310358560
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2013年8月16日
【發明者】史金龍, 龐林斌, 錢強, 白素琴, 王直, 張洪濤, 劉建峰, 錢萍 申請人:江蘇科技大學