基于双目便携式三维扫描技术的小工件测量

【摘 要】在对小工件进行测量时，很多传统的测量方式都存在不同程度的测量速度慢、测量数据准确度不高等问题，线结构光法与双目视觉测量法都属于非接触式测量法，但其也存在一定的缺陷。本文将两种测量方式相结合，对小工件進行测量。其中双目视觉测量系统由一个激光发射器和两个CCD摄像头构成，同时还需要两个结构完全对称的光测量系统。通过对小工件进行测量后结果表明，两种测量方式相结合不仅弥补了单纯的双目视觉系统存在的空间定位不便、单次测量数据较少以及对曲面测量效果不佳等缺点，而且更加便捷、操作更加简单，测量的适用性范围也很广，且测量误差相对较小，在1mm以下。

【关键词】小工件；双目便携式；三维扫描

传统的接触式测量方式一般都具有测量速度慢、测量精度低、测量效率不高等缺点，而且测量时需要与工件相接触，因此对于软质物体或者具有弹性的物体测量效果往往较差，而且由于接触很容易导致精密物体的表面受到损坏，其中比较典型的例子就是三坐标测量机即CMM测量方法[1]。在现代工业的测量领域，传统的这些测量方式已经无法适应现代化制造业发展的整体需要，因此非接触式测量逐渐被开发出来，其中包括结构光法、立体视觉法、双目或多目视觉法、相位光栅法等等。

由于双目视觉测量需要对其进行双目立体匹配，因此对于工件表面一些过分复杂的部分或者特征不太明显的曲面上的纹理来说，很难获取其三维坐标点的信息。而对于线结构光法来说，虽然其具有测量精度高、测量速度快而且是非接触式等优点，但是每次测量只能获取部分坐标信息，不仅操作过于复杂，而且单次测量所获得的数据较少，要想完成空间定位还需要与电磁感应器之间进行配合。

一、双目便携式三维扫描测量小工件的工作原理

该扫描系统是由一个线激光器以及两个CCD相机组成，两个相机呈左右分布，再由线激光器与其构成两个线结构的光测量系统，在对小工件进行测量时，周围会存在一些人为设计的标记点[2]。当软件的处理对象是一个连续的图像帧时，双目视觉测量系统可以计算在每一图侦动态坐标下的标志点的三维坐标。由于标志点具备的空间不变性，可以获得在这一时刻的动态坐标系统逐渐移动到基准坐标系下所生成的变换矩阵。在该动态坐标系下，每一个图像帧下在激光线上的点的三维坐标由每一个光线结构测量系统进行测量及计算，然后将获得的变换矩阵由双目视觉测量系统将其转换到基准的坐标系。由于两个线结构光测量系统可以起到为彼此的数据进行校正的作用，因此可以有效减小测量误差。

（一）双目视觉系统的工作原理

通过成像系统使摄像机将三维空间直接投影在二维的平面上，以此实现摄像机模型的成像变换，一般摄像机模型有非线性模型和针孔模型即线性模型两种。在计算机内，CCD相机所采集的数字图像以M×N的数组形式所表示，每一个数组值就为一个像素。如果利用针孔成像模式，在投影矩阵已知的情况下，可以较容易的求出其对应的图像坐标，但是如果已知图像坐标，在将比例因子进行消除之后就只能得到两个线性方程，而两个线性方程还不足以求出整个空间坐标。这时候就可以通过在一个坐标系下设置双相机的双目视觉测量系统来得到四个线性方程，最终获得图像坐标点的空间坐标。

（二）线结构光系统的工作原理

线结构光系统测量出的数据精度相对较高，因此利用其测量机光线上的点进行计算。单个摄像机可获得两个线性方程，激光平面的点也有其特定的方程，而这些方程即为线结构光系统对所有空间点的约束条件，再通过相关计算过程即可求得所有世界坐标系的坐标，旋转平移矩阵可以通过双目视觉测量系统来求出，并将其转换到基准坐标系之下，通过处理每一帧激光线上的点坐标，最后即可获得被测工件表面的所有云数据。

二、测量过程及结果分析

（一）标定过程

所有工件在测量之前都需要根据系统的标定原理对其进行标定，这样才可以获得左右激光平面的方程以及左右两个摄像头的投影矩阵[3]。理论上来说，左右两个相机其光平面系数应该是完全一致的，但由于图像获取时可能产生噪声或者不同硬件之间存在差异、激光中心的提取精度、特征点选取为随机性且数量较少等因素，因此系数会存在一定的差异。

（二）三维扫描实验

在获得了左右两激光平面方程以及左右两相机的投影矩阵后，可采用三维扫描技术对小工件进行扫描来获取点云数据。由于双目视觉系统与左右两个线结构光系统是分别独立的系统，因此扫描后获得的点云数据也分为左右两个系统的点云数据。又因为其都建立在同一个统一的基准坐标系下，因此虽然扫描的数据分左右系统但依然可以综合到一起[4]。

因此，小工件的尺寸信息可以通过获取的点云数据来获得，另一种方式就是重建小工件的三维立体模型。以鼠标为例进行试验后可知，即使其有些曲面部位纹理特征不明显，其三维坐标信息依然可以顺利获得，从而弥补了双目视觉这一测量方式所存在的缺陷，达到了试验的目的。

（三）三维测量试验

为了验证最终所获数据的精准程度，以一元硬币为例使用本文系统对其尺寸进行测量，再以标准正值为准将所测结果与其进行比较，以此来判断最终测得的精度是否符合要求。根据最终的测量结果可知，所测得的大部分数据其测量误差都在正负1mm以内，并且测量结果的相对误差都在1%以内，由此可见，该系统对于数据的测量精度来说是满足要求的[5]。

结语：

综上所述，在对小工件进行测量时，采用双目便携式三维扫描方式进行测量的相对比较少见。该方式一传统的利用电磁传感器来对空间进行定位的方式不同，与CMM以及超声测量方式相比又具有成本低、方便快捷等优势。

虽然单独使用双目视觉测量系统，其单次采集的数据量较大，适用于通过三维扫描技术进行识别、理解以及分析等，使用方式也相对便捷，但由于其过分依赖被测物体的纹理特征，导致在曲面较为复杂或者曲面纹理特征不明显的表面会很难测出其三维坐标点。而单独使用线结构光测量系统虽然测量速度很快且测量精度较高，但由于该方式非常受光源的约束，因此单次测量获取的信息量非常小，而且需要解除电磁传感器来对空间进行定位。本文综合了以上两种测量方式的优点，通过双目视觉系统进行定位，再利用线结构光系统对工件进行精确测量，这样一来就可以将工件表面信息不断进行完善，最终不依赖任何固定测量平台就可以测量出工件的尺寸，因此前景一片大好。

参考文献：

[1]刘家豪，贺赛先.基于双目便携式三维扫描技术的小工件测量[J].科学技术与工程，2016，16（7）：31-41.

[2]邾继贵，王浩，任同群，等.便携式激光扫描三维形貌测量系统[J].机械工程学报，2005，41（2）：166-169.

[3]张俊勇，伍世虔，陈彬，等.基于双目视觉的零件多尺寸在线测量系统[J].仪表技术与传感器，2018，（10）：75-80.

[4]王浩，张凤生，刘延杰.接触线双目视觉测量系统标定及立体校正方法研究[J].制造业自动化，2019，41（3）：97-101.

[5]唐玉勃.用悬高测量法进行拱轴线检测[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2012，14（04）：18-20.

（作者单位：辽宁省交通高等专科学校）

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