基于激光線(xiàn)輔助的大型鑄鍛件視覺(jué)三維建模方法

陳昌海 郭杰 向守兵 胡明華

摘 ?要：該文使用激光線(xiàn)輔助視覺(jué)三維建模方法對(duì)大型鑄鍛件表面信息進(jìn)行三維重建，研究了逆向三維建模的主要算法，對(duì)整個(gè)三維建模流程進(jìn)行了分析，并對(duì)大型鑄鍛件三維建模進(jìn)行了掃描實(shí)驗(yàn)和誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用激光線(xiàn)輔助視覺(jué)三維建模方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鑄鍛件的高精度三維建模，當(dāng)激光線(xiàn)掃描寬度限定為100mm內(nèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.1mm的建模精度。

關(guān)鍵詞：激光線(xiàn)輔助 ?鑄鍛件 ?三維建模 ?建模精度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.22 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（a）-0013-03

近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行逆向建模的需求越來(lái)越大，研究物體表面三維重建的視覺(jué)三維建模技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。基于雙目視覺(jué)的視覺(jué)三維建模技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是由于其建模精度和抗干擾能力無(wú)法滿(mǎn)足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，使得其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用嚴(yán)重受限?；诮Y(jié)構(gòu)光的視覺(jué)三維建模技術(shù)由于其建模精度高且抗干擾能力強(qiáng)，成為了當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維重建的主要方法，越來(lái)越受到人們的重視。

基于結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)三維建模技術(shù)[1]可以通過(guò)激光線(xiàn)掃描的方式獲得物體表面的三維信息。這一技術(shù)主要分為3個(gè)部分，首先是相機(jī)參數(shù)[2]和激光平面信息[3]的標(biāo)定，然后是激光線(xiàn)條的提取和處理，最后是物體表面的三維重建。該文以大型鑄鍛件表面三維建模為例，說(shuō)明基于結(jié)構(gòu)光的視覺(jué)三維建模技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 ?相機(jī)參數(shù)和激光平面信息的標(biāo)定

如圖1所示，圖中有4個(gè)坐標(biāo)系，分別是世界坐標(biāo)系Ow、相機(jī)坐標(biāo)系Oc、圖像坐標(biāo)系O和像素坐標(biāo)系u-v。三維建模系統(tǒng)是通過(guò)相機(jī)拍照的方式獲得物體表面的三維信息，因此首先就要研究如何把現(xiàn)實(shí)中的世界坐標(biāo)和相機(jī)拍照的像素坐標(biāo)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是把世界坐標(biāo)系中一點(diǎn)Pw（Xw，Yw，Zw）轉(zhuǎn)換至像素坐標(biāo)系[4]中Puv（u，v）。

2 ?大型鑄鍛件三維建模效果

對(duì)大型鑄鍛件三維建模需要先進(jìn)行相機(jī)參數(shù)和激光平面的標(biāo)定，在獲得這些基本信息后，使用機(jī)器人機(jī)械臂夾持相機(jī)和線(xiàn)激光發(fā)生器對(duì)目標(biāo)鑄鍛件進(jìn)行掃描。具體流程見(jiàn)表3。

在激光線(xiàn)對(duì)鑄鍛件掃描過(guò)程中，機(jī)器臂每移動(dòng)1mm就控制相機(jī)拍一張照片，照片上有著激光線(xiàn)在像素坐標(biāo)的投影，也就是可以通過(guò)拍照獲得激光線(xiàn)上各點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)（u，v）。然后通過(guò)上文的計(jì)算方式，對(duì)鑄鍛件表面激光線(xiàn)上各點(diǎn)的像素坐標(biāo)（u，v）逆求世界坐標(biāo)（Xw，Yw，Zw），可以得到鑄鍛件表面激光線(xiàn)上各點(diǎn)的三維信息，最后通過(guò)對(duì)各條激光線(xiàn)三維信息的組合得到鑄鍛件的完整三維模型[6]。大型鑄鍛件三維建模效果如圖4所示，圖中顯示了三維模型在不同方向的側(cè)視圖。

大型鑄鍛件的體積較大，為了保證三維建模精度，需要對(duì)大型鑄鍛件的表面區(qū)域進(jìn)行劃分，相機(jī)拍照區(qū)域的實(shí)際寬度為100mm，使用的相機(jī)為1500萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)，拍照寬度方向上像素為4100個(gè)像素，單個(gè)像素的像素精度為0.024mm。經(jīng)過(guò)對(duì)激光平面標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定精度為0.03mm，理論上三維建模的精度最大為0.054mm。建模使用的機(jī)器人是kuka機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)精度為0.04mm，所以最終三維建模的最終精度可以確保在0.1mm以?xún)?nèi)。事實(shí)上可以通過(guò)對(duì)三維模型進(jìn)行三維濾波[5]的方式進(jìn)一步提升建模精度，降低建模誤差，進(jìn)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以降低37%的建模誤差。為了對(duì)實(shí)際建模誤差進(jìn)行測(cè)量，對(duì)大型鑄鍛件三維模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后發(fā)送給機(jī)器人，對(duì)機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)軌跡與大型鑄鍛件的距離進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，最終確定實(shí)際誤差的大小。使用激光測(cè)距的方式對(duì)三維建模誤差進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)多次測(cè)量求平均的方式計(jì)算平均誤差。設(shè)定機(jī)器臂夾持激光測(cè)距傳感器測(cè)距起始位置距離鑄鍛件表面距離為10mm，表1所示為對(duì)20處不同位置進(jìn)行激光測(cè)距的測(cè)量結(jié)果，從測(cè)量結(jié)果可以看到，多數(shù)測(cè)量結(jié)果的誤差在0.1mm以?xún)?nèi)，少量幾次測(cè)量結(jié)果的誤差在0.1～0.2mm之間，通過(guò)求平均的方式可以得到平均誤差為0.074mm。

3 ?結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)基于激光線(xiàn)輔助視覺(jué)三維建模的方式對(duì)大型鑄鍛件進(jìn)行三維建模，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行寬度限制的前提下，可以實(shí)現(xiàn)高精度的三維建模，最終將三維建模精度控制在0.1mm以?xún)?nèi)。而實(shí)際上，大型鑄鍛件的三維建模往往不要求如此高的建模精度，因此可以根據(jù)實(shí)際需要放寬對(duì)掃描區(qū)域?qū)挾鹊南拗?，從而提高掃描速度?/p>

參考文獻(xiàn)

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