基于雙目立體視覺原理的柴油機(jī)氣缸蓋尺寸測(cè)量

謝夏琳謝正良周道林魯　禎（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧　50004；2.玉柴工程研究院，廣西南寧　50012；.天津大學(xué)，天津00072）

基于雙目立體視覺原理的柴油機(jī)氣缸蓋尺寸測(cè)量

謝夏琳1謝正良2周道林2魯?shù)?
（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.玉柴工程研究院，廣西南寧530012；3.天津大學(xué)，天津300072）

為了檢測(cè)柴油機(jī)氣缸蓋毛坯氣道是否合格，采用1種基于機(jī)器視覺及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的識(shí)別系統(tǒng)，在氣缸蓋毛坯進(jìn)行機(jī)加工前就可測(cè)取其氣道位置和幾何尺寸。通過重建三維坐標(biāo)和擬合圓孔，計(jì)算氣道圓孔的半徑及圓心的相對(duì)位置。試驗(yàn)結(jié)果表明圓孔半徑精度在0.25 mm，圓心三維坐標(biāo)精度為0.4 mm時(shí)，能夠滿足氣缸蓋檢測(cè)的精度要求。

雙目立體視覺氣缸蓋檢測(cè)三維重建

0　引言

目前在鑄造、機(jī)加工等生產(chǎn)過程中很難做到精確定位的加工，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋制造的砂型、鑄造及機(jī)械加工等環(huán)節(jié)，可能會(huì)因?yàn)槎ㄎ坏恼`差造成氣道尺寸或位置的偏差，而發(fā)動(dòng)機(jī)氣道的尺寸直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)氣體的流動(dòng)和燃燒狀況。當(dāng)前進(jìn)行氣道穩(wěn)流試驗(yàn)都是在機(jī)加工完成后進(jìn)行的，如果此時(shí)氣道參數(shù)不能滿足要求，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，造成材料及加工成本的損失。如果能在氣缸蓋鑄造成型且尚未進(jìn)入機(jī)加工生產(chǎn)線時(shí)就能測(cè)量出氣道的形狀、位置和尺寸，并確定氣道參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并剔出不合格的氣缸蓋，這對(duì)于加工生產(chǎn)將起到非常重要的作用，可以節(jié)約機(jī)加工成本，避免不合格產(chǎn)品流入下一道工序，同時(shí)將缺陷信息反饋給鑄造工藝，使其對(duì)模具及鑄造做出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。但是由于內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋尺寸大、移動(dòng)難，利用傳統(tǒng)測(cè)量手段及設(shè)備很難對(duì)其進(jìn)行高效率的全尺寸檢測(cè)［1］。綜合考慮適用于工業(yè)生產(chǎn)諸多機(jī)器的視覺測(cè)量方法［2-6］，提出了基于雙目立體視覺技術(shù)的氣缸蓋毛坯氣道圓孔幾何參數(shù)測(cè)量方案，通過計(jì)算氣道圓孔的半徑及圓心相對(duì)位置來鑒別氣缸蓋中氣道的偏差是否滿足要求。

1　測(cè)量原理

通過氣缸蓋端面的位置形狀信息能推測(cè)出氣道的尺寸及位置是否出現(xiàn)偏差，為了獲取進(jìn)氣缸蓋端面的位置形狀信息，用2個(gè)電荷耦合器（CCD）攝像機(jī)并排連接構(gòu)建雙目測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)CCD攝像機(jī)所拍攝的2幅二維圖像重建待測(cè)工件的三維幾何形狀，并實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵線面的精確測(cè)量，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對(duì)得出合格與否的結(jié)論。

如果將CCD攝像機(jī)所拍攝到的圖像還原為空間中實(shí)際的物體，那么CCD攝像機(jī)拍攝的圖像與空間中的物體之間，存在1種線性關(guān)系：

［像］=M［物］（1）式中，矩陣M可看成是CCD攝像機(jī)成像的幾何模型。M中的參數(shù)就是CCD攝像機(jī)參數(shù)，也稱內(nèi)參數(shù)。通常這些參數(shù)是要通過試驗(yàn)與計(jì)算得到的。這個(gè)求解參數(shù)的過程被稱為CCD攝像機(jī)標(biāo)定。標(biāo)定的目的是為了獲取由三維空間點(diǎn)（世界坐標(biāo)系）到二維平面點(diǎn)（圖像坐標(biāo)系）的投影變換關(guān)系，為此將涉及CCD攝像機(jī)模型的內(nèi)、外參數(shù)。完成標(biāo)定后以矩陣形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)中用作由兩維數(shù)據(jù)來恢復(fù)三維立體圖像過程中的轉(zhuǎn)換標(biāo)度。采取的技術(shù)方案是，先分別獲得到2個(gè)CCD攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)及畸變參數(shù)，再通過同一世界坐標(biāo)中的1組定標(biāo)點(diǎn)來建立2 個(gè)CCD攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。具體方法是將標(biāo)靶（具有標(biāo)準(zhǔn)平面圓孔圖案陣列，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)平面黑白方塊整列）置于世界坐標(biāo)系中的已知位置，然后根據(jù)靶標(biāo)角點(diǎn)（標(biāo)靶方塊圖案交接點(diǎn)）與其在圖像投影之間的映射關(guān)系計(jì)算出描述CCD攝像機(jī)光學(xué)特性和空間位置的各種參數(shù)。

特征信息提取是對(duì)2個(gè)CCD攝像機(jī)所拍攝二維圖像的數(shù)字處理，主要基于邊緣檢測(cè)和形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)。由于立體視覺系統(tǒng)是基于視差原理實(shí)現(xiàn)的三維重建，所以為了計(jì)算視差需要將三維空間中測(cè)量關(guān)注特征點(diǎn)，在不同圖像中的映像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來進(jìn)行匹配。為了提高在線狀態(tài)的匹配速度，需要在離線狀態(tài)下對(duì)2個(gè)CCD攝像機(jī)的空間幾何結(jié)構(gòu)通過圖像校正變換成標(biāo)準(zhǔn)的外極線幾何結(jié)構(gòu)。獲取空間任意點(diǎn)（與2個(gè)圖像中對(duì)應(yīng)）的坐標(biāo)和滿足2個(gè)攝像機(jī)的參數(shù)矩陣，即可進(jìn)行該點(diǎn)的三維重建。

根據(jù)雙目立體視覺原理，用2個(gè)CCD攝像機(jī)模仿雙眼，與被測(cè)物構(gòu)成三角形，被測(cè)物在2個(gè)像面上呈立體像對(duì)，然后根據(jù)匹配的同名像點(diǎn)，依據(jù)立體視差原理獲取被測(cè)物的三維輪廓數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明依據(jù)2 個(gè)CCD攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，通過2個(gè)成像平面上的極線約束關(guān)系，建立對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的聯(lián)系，并由此聯(lián)立方程，計(jì)算出圖像點(diǎn)在實(shí)際物理空間的世界坐標(biāo)值。

在此基礎(chǔ)上，測(cè)算出描述待測(cè)工件關(guān)鍵點(diǎn)線的離散數(shù)據(jù)，例如進(jìn)氣道入口端面內(nèi)圓孔及出口底面的圓孔，然后采用3次樣條插值的曲線擬合方法計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程，用來與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對(duì)判定是否合格。

雙目立體視覺測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括2臺(tái)位置相對(duì)固定的攝像機(jī)，由計(jì)算機(jī)同時(shí)控制并對(duì)被測(cè)物進(jìn)行拍攝。主要步驟包括攝像機(jī)標(biāo)定、特征信息提取、立體匹配和三維重建等。

1.1CCD攝像機(jī)標(biāo)定

利用張正友的標(biāo)定方法［7］進(jìn)行單攝像機(jī)標(biāo)定，得到攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)焦距f、鏡頭主點(diǎn)坐標(biāo)Cx和Cy之后進(jìn)行立體標(biāo)定，求得左右攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T（圖2）。利用Bouguet算法對(duì)2幅圖像進(jìn)行立體校正，通過求得的R和T來對(duì)2圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，使其基本行對(duì)準(zhǔn)以簡化視差的計(jì)算，提高立體匹配的精度。將左攝像機(jī)坐標(biāo)系設(shè)定為全局世界坐標(biāo)系，以左攝像機(jī)投影中心為原點(diǎn)，坐標(biāo)系的x軸和y軸正方向分別與圖像的橫向和縱向平行，z軸正方向沿光軸方向。

1.2特征信息提取

采用canny算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，獲取氣缸蓋毛坯圖形的輪廓信息，然后采用均值濾波計(jì)算排除掉噪聲點(diǎn)，識(shí)別出關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線，對(duì)經(jīng)過邊緣檢測(cè)后的氣缸蓋毛坯圖像再應(yīng)用均值濾波計(jì)算，濾掉其中的雜點(diǎn)，得到有效的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線。

1.3立體匹配

立體匹配的目的是為了現(xiàn)實(shí)中任意物點(diǎn)P，搜索其在2個(gè)不同攝像機(jī)中的像點(diǎn)，經(jīng)由立體校正后，在2圖行對(duì)準(zhǔn)的情況下，只需得到列坐標(biāo)xl和xr，P點(diǎn)的視差d=xl-xr。根據(jù)視差進(jìn)行三維重建。

利用三角測(cè)量原理，P點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)可由式（1）計(jì)算而得：

式中，x、y為P點(diǎn)在立體校正后所在的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

1.4三維重建

由2個(gè)CCD攝像機(jī)拍攝分別獲取2張圖像，由視差計(jì)算出氣缸蓋毛坯進(jìn)氣端面輪廓特征圖像點(diǎn)的世界坐標(biāo)值，根據(jù)特征信息提取所得到的有效的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵線，用最小二乘法做曲線擬合，獲取氣缸蓋毛坯進(jìn)氣端面特征輪廓的函數(shù)方程，將設(shè)計(jì)的氣缸蓋進(jìn)氣端面加工位置點(diǎn)帶入該函數(shù)方程，與輪廓特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，確定被測(cè)氣缸蓋毛坯加工位置及相應(yīng)尺寸。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本文采用2臺(tái)北京維視MV-1394接口高分辨率工業(yè)數(shù)字互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）攝像機(jī)，130萬像素，焦距12 mm，采用日本computar公司鏡頭。

測(cè)試時(shí)以氣缸蓋的4個(gè)氣道孔為1組，對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的1個(gè)氣缸，氣缸與氣缸之間互不影響。因此以4個(gè)孔為例，拍攝并計(jì)算4個(gè)圓孔的半徑及圓心的相對(duì)距離。拍攝圖片如圖3所示。

通過擬合平面圓孔方程，得出圓孔半徑，如表1、表2所示，其中測(cè)量半徑為游標(biāo)卡尺多次測(cè)量求平均值而得。

表1　圓孔半徑數(shù)據(jù)

表2　圓孔半徑相對(duì)誤差

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，利用本文所述方法，測(cè)得圓孔半徑精度為0.25 mm，圓心三維坐標(biāo)精度為0.40 mm。在立體標(biāo)定之后，每次拍攝并計(jì)算的時(shí)間不超過3 s。

3　結(jié)論

本文利用雙目立體視覺技術(shù)，在氣缸蓋氣道加工之前，對(duì)其表面圓孔點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建及圓孔擬合。試驗(yàn)結(jié)果表明，圓孔半徑及圓心三維坐標(biāo)精度較高，滿足氣缸蓋檢測(cè)中的精度要求，同時(shí)具有大尺寸、速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)對(duì)于其他物體的三維測(cè)量，空間輪廓的擬合等都有著借鑒意義。

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