雙目立體視覺方法測(cè)量雷管藥量高度

王 樂， 岳曉峰， 宋 雷

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，礦山等企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以及工程爆破的多樣化，對(duì)雷管、炸藥等火工產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)。雷管的起爆過程是在外界沖能（電、磁、熱等）的激發(fā)下，迅速由爆燃轉(zhuǎn)為爆轟，以引爆雷管中的猛炸藥，并使之完全爆轟，從而引爆炸藥。藥柱爆轟成長(zhǎng)期的長(zhǎng)短與裝藥密度的大小和均勻性有關(guān)系，因此，裝藥高度對(duì)雷管品質(zhì)有很大的影響，雷管企業(yè)在生產(chǎn)中需要對(duì)雷管中所裝的起爆藥量及猛炸藥量進(jìn)行檢測(cè)才能保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)的雷管裝藥高度的測(cè)量方法是人工檢測(cè)和機(jī)械式傳感器檢測(cè)。人工目測(cè)的方法簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)員工的工作疲勞性、責(zé)任心等人為因素對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和后續(xù)使用有直接影響，使得檢測(cè)精度不高、誤差大、波動(dòng)性較大，并且達(dá)不到安全要求；機(jī)械傳感器是一種直接檢測(cè)的方法，需要直接或半間接使用電壓，電流信號(hào)應(yīng)用到檢測(cè)中，安全性較低，且其量程改變較為復(fù)雜，同時(shí)由于相應(yīng)傳感器檢測(cè)方式下體積較大，在多發(fā)群模生產(chǎn)條件下安裝困難，很難滿足工廠多品種實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。惡劣的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)高安全系數(shù)要求使得企業(yè)十分迫切需要一種智能化檢測(cè)儀器來解決生產(chǎn)的瓶頸問題。所以，文中采用一種基于雙目立體視覺［1］的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)雷管裝藥高度進(jìn)行測(cè)量。

1 雙目立體視覺系統(tǒng)相關(guān)原理

雙目視覺的測(cè)量原理是從兩個(gè)視點(diǎn)同時(shí)觀察同一物體，以獲取在不同視角下的被測(cè)物圖像，通過三角幾何原理計(jì)算得出圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息［2］。

構(gòu)成三維空間結(jié)構(gòu)的最基本單元是空間點(diǎn)，理論上可以由點(diǎn)形成線，由線形成面，再由各種面構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)［3］。原理圖如圖1所示。

圖1 雙目成像示意圖

在雙目視覺測(cè)量中，兩臺(tái)攝像機(jī)分別接入雙輸入通道圖像采集卡或分別接入單通道圖像采集卡，將攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過濾波、采樣、量化、A-D轉(zhuǎn)換，向計(jì)算機(jī)提供數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。在典型雙目視覺系統(tǒng)中，兩臺(tái)攝像機(jī)光心沿基線放置，其光軸平行或者互成一定角度，空間點(diǎn)分別在左右兩個(gè)攝像機(jī)像平面上的投影成像。成像點(diǎn)之間的坐標(biāo)差異稱為“視差”［4］。雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)通過極線約束和圖像匹配尋找空間點(diǎn)在雙目視圖中的公共特征點(diǎn)，采用標(biāo)定后的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)和計(jì)算機(jī)的視差，通過攝像機(jī)模型可獲取空間點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。雙目視覺測(cè)量的計(jì)算涉及圖像處理、特征提取、圖像匹配、攝像機(jī)標(biāo)定及攝像機(jī)模型分析等。

2 雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定

2.1 標(biāo)定原理

空間某點(diǎn)的三維幾何位置坐標(biāo)與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型參數(shù)決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)標(biāo)定。

在圖1中，通常規(guī)定點(diǎn)W所在的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，可以表示為O-XwYwZw，該坐標(biāo)系中的任一點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為（xw，yw，zw），點(diǎn)（x1，y1）（x2，y2）所在的坐標(biāo)系為計(jì)算機(jī)圖像平面坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系表示為u-v。

在攝像機(jī)線性成像模型中，可以得到計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)（u，v）和世界坐標(biāo)（xw，yw，zw）的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：S——比例因子；

F——內(nèi)參數(shù)矩陣；

R——旋轉(zhuǎn)矩陣；

T——平移矩陣；

［R T］——攝像機(jī)外參數(shù)矩陣。

式中：fx，fy——X，Y方向上的焦距，單位為像素；

Cx，Cy——分別為主光軸與像平面交點(diǎn)的計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)。

標(biāo)定的任務(wù)就是要求解出內(nèi)外參數(shù)矩陣。在攝像機(jī)畸變模型中，設(shè)理想成像點(diǎn)的物理坐標(biāo)為（xu，yu），畸變后的坐標(biāo)為（xd，yd），可以得出：

式中：k1，k2——畸變參數(shù)。

由圖1可以知道，點(diǎn)W在z軸上的坐標(biāo)可以通過計(jì)算求得，公式為：

通過攝像機(jī)標(biāo)定，可以求得攝像機(jī)的畸變系數(shù)，利用式（3）能夠知道畸變后的坐標(biāo)值，將求得的結(jié)果代入式（4）中即可求出空間點(diǎn)W 的坐標(biāo)值。

2.2 標(biāo)定方法研究及結(jié)果

攝像機(jī)標(biāo)定一般可以分為傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定和攝像機(jī)自標(biāo)定兩類。從計(jì)算方法的角度上來看，傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法有透視變換法、兩步法、雙平面標(biāo)定法和張正友平面模板法［5］。本實(shí)驗(yàn)所采用的是維視圖像的CCAS單雙目視覺標(biāo)定算法軟件，該系統(tǒng)所用的標(biāo)定方法就是利用張正友的平面模板法。通過分別拍攝5幅不同角度和位置的標(biāo)定板圖像來解出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)。該系統(tǒng)利用的研究平臺(tái)具有精度高、速度快、操作方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 拍攝5個(gè)不同角度的標(biāo)定板圖像

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

左攝像機(jī)：

一階徑向畸變系數(shù)K1＝0.108 3

二階徑向畸變系數(shù)K2＝－0.401 8

內(nèi)參矩陣：

右攝像機(jī)：

一階徑向畸變系數(shù)K1＝0.039 3

二階徑向畸變系數(shù)K2＝－0.171 5

內(nèi)參矩陣：

旋轉(zhuǎn)矩陣：

平移矩陣：

對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行誤差分析，可知該標(biāo)定結(jié)果的殘差為0.5個(gè)像素，攝像機(jī)的分辨率為1 024× 768，可以進(jìn)一步計(jì)算出此標(biāo)定結(jié)果的誤差大概為0.6μm。

3 數(shù)據(jù)處理

通過攝像機(jī)標(biāo)定公式計(jì)算后，可以得到與物體高度相關(guān)的坐標(biāo)信息，對(duì)利用標(biāo)定后的攝像機(jī)所獲得的圖像進(jìn)行一系列圖像處理后，可得到物體的點(diǎn)云模型，如圖3所示。

圖3 原始點(diǎn)云圖

利用美國(guó)公司生產(chǎn)的Geomagic Studio軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［6］，得到高度信息。

經(jīng)過合并點(diǎn)對(duì)象，將點(diǎn)云著色后，再去除體外孤點(diǎn)，體外孤點(diǎn)是指模型中偏離主點(diǎn)云距離比較大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通常是由于采集過程中不可避免地采集到背景物體，如桌面、墻壁、支撐結(jié)構(gòu)等，必須刪除［7］。

圖4 去除體外孤點(diǎn)后

去除體外孤點(diǎn)后進(jìn)行減少噪聲處理，該命令用于減少在獲取點(diǎn)云過程中產(chǎn)生的一些噪聲點(diǎn)數(shù)據(jù)，減噪處理可以使數(shù)據(jù)平滑，降低模型的這些偏差值。如果處理的效果不理想，可以適當(dāng)增加迭代的次數(shù)。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一采樣后，在保持模型精確度的基礎(chǔ)上減少了點(diǎn)云數(shù)據(jù)量的大小。點(diǎn)處理階段的最后操作就是封裝數(shù)據(jù)，封裝后的模型是以多邊形的方式顯示的，如果拉近視圖就可以發(fā)現(xiàn)，模型的表面是由一個(gè)個(gè)極小的三角形組成。我們下一步的任務(wù)就是對(duì)這些三角形進(jìn)行操作。點(diǎn)云經(jīng)過點(diǎn)階段模型處理后，進(jìn)入多邊形處理階段。首先，執(zhí)行［創(chuàng)建流型］命令是為了刪除模型中的非流型的三角形數(shù)據(jù)。創(chuàng)建流型后可進(jìn)行［填充孔］操作，該命令用于填補(bǔ)進(jìn)入多邊形階段由于數(shù)據(jù)基本點(diǎn)稀疏所造成的空缺。填充后的模型如圖5所示。

圖5 填充孔后模型

對(duì)于模型上原有的特征孔要予以保留，不可盲目地進(jìn)行全部填充。經(jīng)過一系列的多邊形階段的處理，模型邊界變得平滑，可以方便得出有關(guān)的高度信息。Geomagic Studio中初始界面上有測(cè)量命令，可直接進(jìn)行選擇，系統(tǒng)自動(dòng)生成坐標(biāo)系，給出與高度相關(guān)的有關(guān)信息即為所求，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果

在實(shí)際模型測(cè)量時(shí)，可量得實(shí)際高度為52.30 mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果有少許誤差存在，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，此方法獲得的數(shù)據(jù)也可適用于初步的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完整可靠。

4 結(jié) 語

詳細(xì)介紹了雙目視覺的原理及攝像機(jī)標(biāo)定的相關(guān)知識(shí)，以及應(yīng)用Geomagic Studio軟件對(duì)得到的點(diǎn)云圖進(jìn)行處理，得到理想的數(shù)據(jù)，也為后面的研究提供了詳細(xì)的理論依據(jù)。文中方法操作簡(jiǎn)單，結(jié)果精確，應(yīng)用范圍廣。

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