雙目視覺風(fēng)洞測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究

曹文倫，陳 蓓，宋 程，賀昱曜

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072； 2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710072; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，雙目視覺測量作為一種非接觸測量手段[1-4]受到了學(xué)者的青睞，也取得了不錯的應(yīng)用效果。本課題組也在這方面進(jìn)行了一些研究[5]。

視覺測量問題的關(guān)鍵在于提升圖像特征匹配，計(jì)算精確視差：文獻(xiàn)[6]采用算法來抑制待測物表面反光；文獻(xiàn)[7]中的視差圖是通過使用基于約束區(qū)域的立體匹配算法獲得的；文獻(xiàn)[8]采用環(huán)形激光作為輔助光源進(jìn)行管道建模；文獻(xiàn)[9]使用立體視覺區(qū)分靜態(tài)/動態(tài)物體，用于在線自主車輛和移動機(jī)器人。

針對防熱材料燒蝕變形的高溫風(fēng)洞測量問題，因其具有相當(dāng)?shù)奶厥庑?，其真?shí)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析及工程解決方案尚存在很多問題，比如高溫、高焓、高壓，待測物表面特征匹配難度大，隔著觀察窗遠(yuǎn)距離測量和雙目欠同步影響精度，以及傳統(tǒng)雙目測量不能實(shí)時(shí)反映測量的動態(tài)過程，數(shù)據(jù)采集、存儲及后處理的難度大、自動化程度低等。因此，研究和開發(fā)新的防熱結(jié)構(gòu)動態(tài)燒蝕外形測量方法與技術(shù)，有著重要的意義與應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的雙目視覺立體測量方法面臨的主要問題是需要對左右相機(jī)拍攝得到的圖像進(jìn)行特征匹配。而對于該文涉及的紋理特征不顯著的待測工件來說，進(jìn)行特征匹配難度很大，導(dǎo)致最終精度也不理想。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主動投射的線結(jié)構(gòu)激光，以增加對象紋理(見圖1)。在1/200秒內(nèi)利用線激光投射技術(shù)在待測物表面投射激光線；同樣在1/200秒內(nèi)采集左右兩個相機(jī)圖像(圖1：Step1)；在一秒內(nèi)讓激光線在待測物表面移動200個位置，且相機(jī)同步拍攝200對圖像(圖1：Step2)；對上一步驟中的每一對圖像逐一計(jì)算其視差，得到待測物體表面激光投射中心線所在位置的三維坐標(biāo)(圖1：Step3)；最后組合200個不同位置的三維數(shù)據(jù)得到整個激光掃描面的三維數(shù)據(jù)(圖1：Step4)。

圖1 點(diǎn)云生成示意圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了特征匹配的復(fù)雜度，但對硬件性能和控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求則較高，它們之間的關(guān)系如下：

設(shè)掃描精度(平均點(diǎn)距指標(biāo))為d，完成一次幅面掃描為t，掃描幅面的邊長為l。

那么在t時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該獲取n=l/d條檢測線；

線激光的速度要求滿足：v=l/t；

雙目相機(jī)的幀率要求至少為：v=l/t。

雙目視覺在風(fēng)洞測量方面有其非接觸、受風(fēng)洞環(huán)境干擾小等獨(dú)特的優(yōu)勢，文獻(xiàn)[10-13]通過在待測工件表面提前標(biāo)記特征點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男巫兒妥藨B(tài)測量；文獻(xiàn)[14-15]改進(jìn)了標(biāo)記特征點(diǎn)的方法，使用了投射結(jié)構(gòu)光結(jié)合雙目視覺的方式實(shí)現(xiàn)了冰形和模型位姿的測量。但是文獻(xiàn)[10-14]使用的測量設(shè)備均安裝在風(fēng)洞內(nèi)部，文獻(xiàn)[15]雖然將測量設(shè)備放在了觀察窗外實(shí)現(xiàn)了待測件姿態(tài)測量，但其測量對象仍為常溫。

根據(jù)上述關(guān)系，約束線激光在直線導(dǎo)軌上的精確位置或時(shí)刻，觸發(fā)雙目相機(jī)同時(shí)拍照，并設(shè)定曝光時(shí)間和增益以使采集的圖像達(dá)到成像要求。

該系統(tǒng)為保證左右視圖匹配良好需解決以下幾個主要問題：(1)系統(tǒng)標(biāo)定圖像的同步采集；(2)左右圖像采集的同步問題；(3)激光中心線的精確定位。另外，待測物的尺寸和動態(tài)測量要求的實(shí)時(shí)性對線激光掃描精度和速度、相機(jī)視野及拍攝幀率，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、存儲和后處理提出了不小的挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)組成

為了解決上節(jié)末提出的問題，設(shè)計(jì)了基于高速相機(jī)和線激光器的非接觸測量同步采集和控制系統(tǒng)硬件，如圖2所示。該測量系統(tǒng)由同步控制子系統(tǒng)、激光投射子系統(tǒng)和圖像采集子系統(tǒng)三部分組成。

圖2 同步觸發(fā)雙目測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)主體設(shè)備包括：PCIE高速IO卡及高性能上位機(jī)1臺、激光器和高精度滑臺各1個、相機(jī)支架1個、高速相機(jī)2個、定焦鏡頭和濾鏡各2個。滑臺上的線激光器在伺服電機(jī)控制下對待測工件幅面進(jìn)行周期掃描；工控機(jī)協(xié)調(diào)同步控制IO卡向高速相機(jī)發(fā)送同步觸發(fā)信號，控制左右相機(jī)對工件圖像進(jìn)行同步采集；隨后在工控機(jī)內(nèi)完成圖像命名、存儲；事后對掃描幅面圖像組進(jìn)行光條中心線提取、特征匹配、三維點(diǎn)云計(jì)算及整體三維點(diǎn)云合成等后處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了使系統(tǒng)在高速度下實(shí)現(xiàn)高精度的要求，除了要求硬件高配置，還需要解決諸如標(biāo)定、同步、左右圖像對匹配等一系列軟問題。

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

為了實(shí)現(xiàn)最好的測量精度，理論上要保證：標(biāo)定板應(yīng)平整，圖像清晰，不反光；同時(shí)，左右相機(jī)圖像應(yīng)完全匹配，即盡最大可能同步采集。

根據(jù)待測工件尺寸以及相機(jī)和鏡頭選型，計(jì)算得出在規(guī)定測量距離上的實(shí)際視野長度和寬度分別為：294.912 mm和235.929 6 mm。而遵循標(biāo)定板尺寸是視野尺寸的2/3左右的原則，選擇了GP150的標(biāo)定板。該標(biāo)定板采用玻璃基加氧化鋁面板，實(shí)現(xiàn)平整不變形、不反光、不透明，精度可以達(dá)到±0.01 mm。

標(biāo)定時(shí)，大量文獻(xiàn)中通常的做法是由人工手持標(biāo)定板在相機(jī)前變換角度，拍攝一定數(shù)量的標(biāo)定圖像，進(jìn)而計(jì)算內(nèi)外參。但是在精度要求比較高的情形下，由于手持標(biāo)定板的輕微抖動，以及左右相機(jī)拍攝的時(shí)間差，共同造成左右標(biāo)定圖像的不同步，進(jìn)而影響精度。建議的做法是將標(biāo)定板物理固定或靜置進(jìn)行標(biāo)定圖像對的采集，然后調(diào)整角度進(jìn)行下一圖像對的采集。以次類推，完成所有標(biāo)定圖像的采集。

3.2 相機(jī)同步

上一節(jié)講到了相機(jī)拍攝的時(shí)間差會對雙目測量的精度產(chǎn)生影響。因此相機(jī)的同步觸發(fā)對于高精度測量顯得尤為重要。

在相機(jī)選型時(shí)需考慮采用有外同步觸發(fā)功能的工業(yè)相機(jī)。通過信號發(fā)生器或高速IO卡產(chǎn)生的PWM信號(文中采用)可以盡可能保證左右相機(jī)圖像對采集的同步性。

其次，為了防止數(shù)據(jù)擁塞和丟幀，在采集軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面也需要重點(diǎn)考慮，比如：利用大內(nèi)存工控機(jī)進(jìn)行緩存并在采集間隙后處理數(shù)據(jù)；開啟工控機(jī)電源管理模式的高性能模式等。

3.3 基于線激光投射紋理的匹配算法

為了降低弱紋理工件雙目測量時(shí)左右相機(jī)圖像匹配的難度，該文采用了主動投射線激光以增加工件紋理。

紋理檢出的核心是中心線提取算法，擬采用灰度重心法對光條中心線進(jìn)行檢出。

外部光照條件會對采集的光條圖像產(chǎn)生很多噪聲，為光條中心線的高精度提取造成麻煩。受到這些因素的影響，得到的線結(jié)構(gòu)光圖像實(shí)際上是一寬度不均、截面光強(qiáng)不對稱而又呈單峰值變化的變形光條。對于垂直投射的激光線而言，以高斯函數(shù)對圖像行上的灰度點(diǎn)進(jìn)行描述，如圖3所示。

圖3 灰度重心法參數(shù)取值示意

假設(shè)m×n圖像f(m,n)任意一行的灰度值分布如圖3，Grey_Max為本行灰度最大值，T為根據(jù)所需寬度給定的值，大于T的灰度值均參與重心的計(jì)算。

圖像f(m,n)任意第i行的重心公式如下：

(1)

其中，cj為列坐標(biāo)值。

Ci為第i行的重心坐標(biāo)，當(dāng)i遍歷每一行，則得到一條完整的激光投影的中心線。

使用上述公式需要在每一圖像行中遍歷每一列尋找灰度值最亮的點(diǎn)的坐標(biāo)，搜索范圍太大。而從圖1得知，該方法中激光投影線條隨著拍攝的進(jìn)行是移動的。對于任意一幀圖像，激光投影線條在圖像中的位置是可預(yù)估的，故只需要在激光投影線條附近搜索灰度值最亮的點(diǎn)的坐標(biāo)即可。

因此，作改進(jìn)如下：設(shè)圖像拍攝幀率為f，則對于任意一幀圖像k的第i行，對應(yīng)的重心計(jì)算公式為：

i=1，2，…,m；k=1，2，…,f

(2)

其中，cj為列坐標(biāo)值。

可以看出，上述改進(jìn)至少有兩點(diǎn)好處：(1)上述公式可以將原來搜索灰度值的范圍從n個點(diǎn)降低為n/f個點(diǎn)，速度提升了f倍；(2)濾除了圖像中距離光條較遠(yuǎn)的亮點(diǎn)對光條中心線提取的干擾。

該文基于上述算法，首先分別單獨(dú)計(jì)算左右相機(jī)圖像的灰度重心,進(jìn)而以計(jì)算所得的重心坐標(biāo)作為特征對左右相機(jī)圖像進(jìn)行匹配，極大地簡化了雙目測量圖像特征匹配的復(fù)雜度。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

假設(shè)系統(tǒng)工況為：待測物距為1 200 mm，掃描精度為1 mm，完成一次掃描用時(shí)為1 s，掃描幅面為300 mm。

那么該系統(tǒng)在一秒內(nèi)，應(yīng)該獲取200條檢測線；線激光的速度為0.3 m/s；相機(jī)幀率至少為200 fps，可選產(chǎn)品其對應(yīng)的像素為130萬；再由物距1 200 mm乘以實(shí)際光學(xué)放大倍率得到鏡頭焦距的理論值為24.5 mm。

則采集系統(tǒng)選型如下：

激光器選用可調(diào)線寬的450 nm線激光器?；_選用FSL40直線模組。兩臺WP-UT130M灰度相機(jī)，配備兩個型號為WP-2M2514-C的25mm焦距鏡頭。在同源外觸發(fā)模式下，兩臺相機(jī)理論上可以實(shí)現(xiàn)最高210幀的同步拍攝。

在完成圖像的采集后，隨后由上位機(jī)算法完成圖像的存儲、光條中心線提取、圖像匹配、三維點(diǎn)云計(jì)算等后處理。

遵循3.1節(jié)系統(tǒng)標(biāo)定的方法，得到系統(tǒng)標(biāo)定以后的重投影誤差，如圖4所示。

圖4 雙目測量系統(tǒng)標(biāo)定重投影誤差

實(shí)驗(yàn)室中使用如圖5所示的紙盒和背景墻組合作為待測對象。其中，圖像最上方紙杯底與背景面的距離為62.5 mm，圖像中間盒子與背景面距離為53 mm，圖像最下面紙盒與背景面距離40 mm。應(yīng)用文中方法，最終得到的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 待測對象

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差分析

從圖6可以看出，圍繞中間盒子平面的誤差分布情況，這里給出的是中間盒子擬合平面與盒子上所有的經(jīng)計(jì)算得到且未經(jīng)任何剔除處理的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)之差。可以看出，測量得到的距離數(shù)據(jù)一致性非常好，所有的點(diǎn)云均勻地分布在中間盒子擬合平面兩側(cè)±1 mm以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過去除噪點(diǎn)處理的點(diǎn)云與擬合平面的誤差可以控制在0.22 mm以內(nèi)，如圖7所示。其中，中間盒子點(diǎn)云數(shù)據(jù)與擬合平面的殘差直方圖分布見圖8。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差分析(去噪點(diǎn)后)

圖8 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與擬合平面的誤差得到的殘差直方圖

進(jìn)一步由正態(tài)分布檢驗(yàn)方法可驗(yàn)證點(diǎn)云到擬合平面的距離誤差符合正態(tài)分布，進(jìn)而可證明該誤差呈現(xiàn)收斂狀態(tài)：對應(yīng)于1個、2個和3個標(biāo)準(zhǔn)差1σ、2σ和3σ，對應(yīng)的置信水平分別為68.26%、95.45%和99.73%，對應(yīng)的最大誤差分別為<0.06,<0.12和<0.17。

5 結(jié)束語

提出了一種改進(jìn)的灰度重心法，并應(yīng)用在雙目測量當(dāng)中，在1 200 mm～1 500 mm距離處實(shí)現(xiàn)了基于線激光投射的雙目立體視覺非接觸測量系統(tǒng)，測量原始數(shù)據(jù)的距離誤差為±1 mm，數(shù)據(jù)處理后的精度誤差可以控制在±0.2 mm以內(nèi)。日后擬使用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫風(fēng)洞內(nèi)的防熱材料燒蝕變形測量研究，以解決高溫試驗(yàn)無法做標(biāo)記點(diǎn)、高溫高焓對象測量困難、測量設(shè)備放置不易等問題。