基于计算机视觉水火弯板的三维测量系统

基于计算机视觉水火弯板的三维测量系统

赵猛，王直

（江苏科技大学江苏镇江212003）

摘要：将激光测量技术和多目视觉照相测量技术相融合，分别发挥激光测量精度高、定位准，照相测量速度快、密度高的特点，研制曲面板三维形状的自动测量以及划线定位系统，实现曲面板上的关键点的位置精确、快速的测量，该系统可基本实现工业船舶行业对曲面板技术的要求，对造船业的发展具有重要的现实意义。关键词：水火弯板；计算机视觉；激光测量；三维测量中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2013）02-0063-04

Three -dimensional measurement system based on computer vision line heating plate

ZHAO Meng ，WANG Zhi

（Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang 212003，China ）

Abstract:This article will laser measurement technology and visual camera measuring technology integration ，are played by laser high measuring precision ，accurate positioning ，photographic measurement speed ，high density characteristics ，development of curved plate shape measurement and scribing positioning system ，realize the curved panel on the key points of the position accuracy ，rapid measurement ，the system can realize the basic industry of shipbuilding industry on the curved panel technology requirements ，the development of shipbuilding industry has the important practical significance.Key words:plate bending ；computer vision ；laser measurement ；three-dimensional measurement

收稿日期：2012-09-19

稿件编号：201209139

作者简介：赵猛（1987—），男，山东济南人，硕士研究生。研究方向：复杂系统分析与建模、导航技术应用等。

大型曲面板的高精度快速测量及定位自动化，不仅是目前船舶建造所急需的，也是未来船舶建造测量装备发展的必然趋势。传统的研究方法对板子加工后位移大小的计算测量精度都不高，关键原因是在板子上标记具有难度。长期以来，对于船体双曲度外板的加工，国内外造船厂都是依靠有经验的工人采用水火弯板的方法手工作业完成。船体外板曲面的成型加工是船舶制造的关键及重要环节之一。各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，把钢板加工成这样的曲面，目前在国内外大部分船厂主要还是采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热，当加热区达到一定温度后再降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形，这就是所说的水火弯板工艺[1]。

1

曲面板测量、定位系统的整体设计与原理

1.1

整体架构图

该系统主要是由服务器、工控机、工业照相机、激光扫描

机以及传输信号的数据线组成的如图1所示。

服务器主要是接受处理伺服控制器的控制信号，通过伺服控制器来控制激光扫描机跟工业摄像机，对曲面板立体拍照、测量，通过嵌入式计算机收集反馈来的控制信号通过比较相机跟激光扫描机的来准确的定位划线装置的位移。

1.2相机成像原理

该测量系统采用了4台高分辨率家用单反相机、以及一

个高精度激光测量装置，系统将激光与照相相结合进行测量。目前该系统能比较准确地测量曲面板的三维形状，测量精度可以达到±2mm 。根据物理学中光学的原理摄像机成像

模型如图2所示[2]。

电子设计工程

Electronic Design Engineering

第21卷

Vol.21

第2期No.22013年1月Jan.2013

图1

整体架构图

Fig.1Overall chart

图2

摄像机成像模型

Fig.2Camera imaging model

《电子设计工程》2013年第2期

三维空间坐标系的构成为O 1，X 1Y 1，Z 1；笔者把摄像机的坐标系定义成为O ，X ，Y ，Z ；把平面二维坐标系定义为O s ，X s ，

Y s ；X s =f x /ηx z ，Y s =f y /ηy z （1）

其中：f 是摄像机的焦距；x ，y 方向的成像比例因子是ηx ，

ηy 。假设H =z ，X =f x /ηx ，Y =f y /ηy z ，则式（1）可用下矩阵形式来

表示

X Y w w w w w w w w w

w w w w w w w w w

H

=3*4

M 1

x y z w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1

f /ηx 0000f /ηy 000001

w

w

x y z w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1（2）

所以可由计算机图形学中的坐标转换关系可以用下面的矩阵表示

X Y w w w w w w w w w

w w w w w w w w w

H

=4*4

M 2

x w y w z w w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1

r 1r 1r 3t 1r 4r 5r 6t 2r 7r 8r 9r 30001

w w w w w w w w w w w w w w w w w w x w y w z w w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1（3）

由（2）和（3）可推出

X Y w w w w w w w w w

w w w w w w w w w

H

=M 1M 2

x w y w z w w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1=fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx fr 1/ηx

r 7r 8r 9t 3

w

w

x w y w z w w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1c 11c 12c 13c 14c 21c 22c 23c 24c 31c 32c 33c 34

w

w

x w y w z w w w w w w w w w w w w w w

w w w w w w w w w w w w w

1

（4）

式中：x s =X /H ；y s =Y /H 。

式（4）为三维空间坐标系跟平面二维坐标系的坐标变换关系，把C ij 的值定为空间三维点和二维图像点之间的变换

关系。

1.3划线机的工作过程

激光划线机通过嵌入式计算机控制一个伺服驱动器然后

带动一个激光器在钢板上面沿设定的路线划线如图3所示。

2

构建测量机构

2.1

具体方法

测量范围为12m 长×8m 宽×2m 高的曲面板，需采用多

组照相测量设备以保证测量精度。每组测量设备由4台高分辨率相机和一台高分辨率工业投影仪组成。每组的测量范围为4m 长×3m 宽，共需要8组照相机（32台）来构建测量机

构（照相机测量装置如图4所示）。为了完成三维曲面板全方位的测量，需研制激光自动测量机构。为了保证激光的高精度定位、测量，文中拟采用2台高精度的全自动激光测量装置（如图5所示检测机构）。

文中的照相测量机构固定在一个长方形的背板上，需在

两两相机之间进行几何标定。相机拍摄的图像由USB 线传输到一台代理工控机上，工控机只负责图像与激光数据采集与传输工作，当工控机获得测量的数据之后，便将采集到的数据传输到能进行存储和分析的高性能服务器中，然后利用机器视觉算法测量曲面板动态三维形状[3]，具体做法是：

1）利用棋盘格标定方法，对相机进行标定，精确地测量

出每个相机的内参（CCD 的形变、焦距等）和相机之间的外参（2个相机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量），以及畸变系数。标定的精度对测量的精度有很大的影响，所以棋盘格的

大小要均匀，尺寸要精确。

2）在钢板表面涂上特殊的化学材料，利用自动激光标线

图3

激光划线机定位示意图

Fig.3Laser scribing machine location sketch map

图5激光测量装置示意图

Fig.5Schematic diagram of laser measuring device

图4照相机测量装置示意图

Fig.4Schematic diagram of measuring device for

camera

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