基于簡化特征匹配的雙目視覺測量系統(tǒng)及其參數(shù)計算

陳蓓 曹文倫

摘要：為了解決高溫風洞內(nèi)部高精度非接觸測量的難題，完成了觀察窗透視雙目視覺測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于主動投射移動線激光和超高速同步相機，以簡化左右圖像特征匹配的復雜度。介紹了提取線激光光條中心的改進的灰度重心法，還討論了相機和鏡頭的選型策略以及參數(shù)計算。實驗表明，該系統(tǒng)最快可以1s完成一個掃描幅面，在1300～1500mm處，待測幅面為300mm×300mm時的最大測量標準偏差為O.11mm。應用顯示，該系統(tǒng)可以保證高溫風洞內(nèi)待測物的實時連續(xù)測量和后續(xù)動態(tài)分析、演示。

關鍵詞：風洞測量;雙目視覺;三雛重建;非接觸測量

雙目視覺測量作為一種非接觸測量手段備受矚目，也取得了良好的應用效果。傳統(tǒng)的雙目視覺立體測量方法面臨的主要問題是需要對左右相機拍攝到的圖像進行特征匹配。而對于紋理特征不顯著的待測物體來說，進行特征匹配難度很大，導致最終精度也差。因此，常規(guī)的做法是使用在待測工件表面粘貼物理標記或投射結構光的方法，以提高拍攝對象的紋理特征。

課題研究的待測對象位于高溫風洞內(nèi)部。高溫風洞內(nèi)部的特點是高溫、高焓、空間小、氣流快、光線變化范圍大，且待測物會因高溫發(fā)生燒蝕和形變。因此，不能像普通風洞內(nèi)實驗一樣提前在待測物表面粘貼標記點。也不具備條件將測量系統(tǒng)安裝在風洞內(nèi)部。文獻[6]和文獻[7]使用了投射結構光的系統(tǒng)，文獻[7]還把測量系統(tǒng)放置在風洞外部，但其測量對象均為常溫對象。此外，由于風洞參數(shù)不同，具體的測量系統(tǒng)工程設施階段方面，還有觀察窗標定、設備安裝方式等一系列細節(jié)問題亟待解決。

因此，針對防熱材料燒蝕變形的風洞測量問題具有相當?shù)奶厥庑浴Ｑ芯坎牧蟿討B(tài)燒蝕非接觸測量方法有著重大的意義與實用價值。

1簡化特征匹配測量系統(tǒng)的設計思路

為了增加紋理和降低特征匹配的復雜度，設計了基于主動投射線激光的高速采集系統(tǒng)。

設搭載線激光的轉臺中心距離待測物距離為d，線激光掃描精度為Ah，完成一次待測幅面掃描為t，掃描幅面的邊長為l，相機幀率為f。

那么在t時間內(nèi)，應該獲取n=z/Ah條檢測線;

本系統(tǒng)的設計原理為：在1/fs內(nèi)利用線激光投射技術在待測物表面投射激光線;同樣在1/fs內(nèi)采集左右兩個相機圖像;在1s內(nèi)讓激光線在待測物表面移動廠個位置，且相機同步拍攝廠對圖像[圖1（a）]。對上一步驟中的每一對圖像逐一計算其視差，得到待測物體表面激光投射中心線所在位置的三維坐標[圖1（b）]。最后組合廠個不同位置的三維數(shù)據(jù)得到整個激光掃描面的三維數(shù)據(jù)[圖1（c）]。

轉臺硬件性能和控制系統(tǒng)的各項指標要求為：

線激光的速度要求滿足：

轉臺的速度要求滿足：

2硬件設計及選型計算

理論上，根據(jù)線激光在轉臺上發(fā)出的精確角度或時刻，觸發(fā)雙目相機同時拍照，并設定曝光時間和增益以使采集的圖像達到成像要求，進而可由雙目視差圖像恢復出對應位置的點云數(shù)據(jù)。

要保證系統(tǒng)工作良好需解決解決以下幾個主要問題：（1）線激光掃描精度和速度;（2）左右圖像采集的高速、以及同步問題;（3）激光中心線的精確定位。另外，待測物的尺寸和動態(tài)測量要求的實時性對相機視野、分辨率以及實驗數(shù)據(jù)采集、存儲和后處理提出了不小的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)硬件主要由三個子系統(tǒng)構成：①雙目圖像同步采集子系統(tǒng)，②結構光投影子系統(tǒng)，③控制子系統(tǒng)。如圖2所示。

雙目圖像同步采集子系統(tǒng)由標定板、測距儀、濾光片、鏡頭、工業(yè)相機、數(shù)據(jù)線纜、同步線纜，以及系統(tǒng)支架組成。

結構光投影子系統(tǒng)由激光器、轉臺、轉臺控制器、線纜，以及系統(tǒng)支架組成。

控制子系統(tǒng)安裝在機柜內(nèi)，由工控機、KVM、同步信號發(fā)生器組成。

2.1相機選型

圖3顯示了系統(tǒng)實際工作時的距離參數(shù)，其中包括：待測件尺寸，風洞內(nèi)壁厚度、內(nèi)壁到待測件距離，觀察窗厚度和直徑，以及轉臺直徑，掃描角度等具體信息。這些參數(shù)是系統(tǒng)設計和產(chǎn)品選型的重要依據(jù)。

選型時，首先根據(jù)待測工件的大小，確定相機拍攝視野參數(shù)：由待測物體為200mm×200mm，初步選定拍攝視野為300mm×300mm。

根據(jù)第一節(jié)提出的設計思路，希望相機“像素多，幀率高”。因為相機像素越多，在同樣的拍攝視野下，單像素精度越高;而幀率越高，掃描上述視野一次所得到的點密度越大，恢復的3D點云細節(jié)越豐富。但是從相機硬件實現(xiàn)的角度，相機像素越高，拍攝幀率越低;反之亦然。

實際上，為了優(yōu)先保證達到200幀每秒的拍攝幀率，市場上可選購的相機分辨率最高只能是1280×1024～130萬像素。因此選用1280×1024全分辨率，210幀/秒，全局快門的高幀率USB3.0微型工業(yè)黑白相機。傳感器尺寸為1/2in，像元尺寸4.8μm×4.8μm。該相機由6芯Hirose接口提供外部同步觸發(fā)信號輸入。

這時，相機H和V方向上的單像素精度理論值分別為：

300/1280=0.234375;

300/1024=0.29296875。

此外，相機選型還需根據(jù)項目的具體情況考慮相機曝光時間、曝光方式、光譜響應范圍、圖像格式、接口類型、外形、溫度等方面的要求。

2.2鏡頭選型

基于圖3和相機選型得知：

預設視野范圍：300mm×300mm;

鏡頭前端距離被測物體距離d：1200mm;

相機參數(shù)：130萬像素相機（分辨率1280×1024，像元尺寸4.8μm×4.8μm）

那么，計算可得傳感器的長寬分別為：

SensorH：1280×4.8/1000=6.144mm

SensorV：1024×4.8/1000=4.915mm2671AABD-6F7A-4034-92FA-777A6CBD5DA9

又因

相機長寬的光學放大倍率分別為：

SensorH/300=0.02048

SensorV/300=0.01638

實際光學放大倍率選取較大值：0.02048。

又根據(jù)焦距公式：

廠一物距d×實際光學放大倍率（2）

得到焦距f=1200×0.02048，即f=24.5mm。

因此選型時選取25mm焦距鏡頭，由公式（2）反推出選取25mm焦距鏡頭時的可選實際光學放大倍率為0.02083。繼續(xù)由公式（1）反推回去，得到實際的視野長度和寬度分別為294.96mm和235.96mm。

這時，相機H和V方向上的單像素精度可選理論值分別為：

294.96/1280=0.23;

235.96/1024=0.23。

除了焦距，鏡頭靶面尺寸也要大于相機傳感器尺寸，因此選取鏡頭靶面尺寸2/3in，具體型號和參數(shù)如下：

WP-2M2514-C鏡頭焦距為25mm，對應1/2in相機（鏡頭標注可選參數(shù)為1/1.8in）傳感器的視場角H（長）×V（寬）×D（對角線）為16.8mm×12.8ram×21mm。則該鏡頭在測量距離是1200mm左右的實際視野長寬x、y分別為（16.8/2）/X=25/1200和（12.8/2）/y=25/1200，X=806.4mm;y=614.4mm。x，y值滿足鏡頭視野應大于相機視野的原理要求。

鏡頭選型也需根據(jù)項目需求綜合考慮光圈、光學畸變、接口類型、外觀尺寸、安裝方式、工作溫度等。

3基于線激光投射的簡化特征計算方法

線激光主動投射系統(tǒng)旨在增加待測件紋理，以降低弱紋理工件雙目測量時左右相機圖像匹配的難度。線激光紋理檢出的核心是中心線提取算法，擬采用灰度重心法對光條中心線進行檢出。

相機實際采集得到的線結構光圖像（圖4上半部分顯示其反色圖）實際上可以以近似高斯函數(shù)對圖像行上的灰度點進行描述（圖4下半部分所示）。

假設圖像f（m，n）的大小為m×n，其任意一行的灰度值隨列坐標變化的曲線如圖4所示。

Grey_Max為本行灰度最大值，T為一給定常數(shù)，灰度值大于T的點均參與重心的計算。

G為第i行的重心坐標，當i遍歷每一行，則對應得到一條線激光在每一行上的重心坐標，即線激光的中心線坐標。

從圖1可以看出，本方法中激光投影線條隨著拍攝的進行是移動的。對于任意一幀圖像，激光投影線條在圖像中的位置是可預估的，故只需要在激光投影線條附近搜索灰度值最大的點的坐標即可。

因此設圖像拍攝幀率為廠，則對于任意一幀圖像k的第i行，對應的灰度重心計算公式為：

如上改進至少有兩點好處：1，上述公式可以將原來搜索灰度值的范圍從n個點降低為n/f個點，速度提升了f倍;2，濾除了圖像中距離光條較遠的亮點對光條中心線提取的干擾。

圖5中（L）和（R）分別表示左右相機采集的線激光光條圖像反色圖及其對應的局部放大圖像。其中黑色的光條為線激光，其上的白色細線表示了應用上述方法得到的光條中心線。

4實驗及結果

基于上述算法，實驗中首先分別單獨計算左右相機圖像的灰度重心，然后以計算所得的重心坐標作為特征對左右相機圖像進行匹配，極大地降低了雙目測量圖像特征匹配復雜度。

如果待測物距為1350mm，掃描精度<1mm，1s完成一個300mm的掃描幅面。那么該系統(tǒng)在1s內(nèi)，應該獲取≥200條檢測線;轉臺的速度為0.22rad/s;相機幀率至少為200fps，可選像素為130萬，鏡頭焦距選25mm。

圖6為基于前述思路實現(xiàn)的雙目測量系統(tǒng)實物。在同步采集和控制系統(tǒng)完成圖像的采集后，由上位機完成圖像的存儲、光條中心線提取、圖像匹配、三維點云計算等后處理。

實驗中使用如圖7所示的紙盒和背景墻組合作為待測對象：圖像上方盒子與背景平面距離為53mm，圖像下面紙盒與背景平面距離40mm。

應用上述改進的灰度重心方法得到的3D點云以及三個擬合平面如圖8所示，圖中給出的是三個擬合平面（至上而下分別為平面1，平面2和平面3）與所有的經(jīng)計算得到且未經(jīng)任何剔除處理的的實際點云數(shù)據(jù)之差?？梢钥闯觯c云數(shù)據(jù)在平面過渡的地方和平面邊際有很多噪點。剔除明顯的過渡區(qū)域的噪點后，平面1測量的距離誤差為±1mm（圖9）。平面2和平面3類似。而剔除各個平面邊際的噪點后精度可進一步提升，圖10可見對應圖8中平面1，平面2，平面3的測量標準偏差分別為0.0289，0.0356和0.1112。

當轉臺以勻速轉動時，其投射出的線激光在其以R為半徑的圓弧面上是等速的，而在以此圓弧兩端點連線的待測平面上的移動速度則是不相同的。在待測平面上相同的時間內(nèi)光條移動的距離呈現(xiàn)出中問近、兩側遠的現(xiàn)象。而相機拍攝時極小的不同步也會在待測面兩側被放大，而呈現(xiàn)出待測平面兩側的誤差大于中間誤差的情況。而且待測面越大，這種情況帶來的誤差越大。圖11中平面3的誤差較平面1和平面2明顯增大的原因是其面積較大。從圖11還可見，去除噪點后的剩余點云數(shù)據(jù)殘差呈近似高斯形態(tài)很好地分布在擬合平面1，平面2和平面3的兩側。如殘差呈高斯公布，則誤差可以很好地被控制在一定水平之下。

進一步的研究中，將其中平面1的距離數(shù)據(jù)使用Lilliefors方法進行正態(tài)分布驗證，得到h=0，p=0.5000的結論。說明在方差概率聲遠大于通常的顯著性水平取值0.05時，點云數(shù)據(jù)殘差呈高斯形態(tài)分布的假設成立（h=0）。根據(jù)正態(tài)分布置信區(qū)間的概念，已知均值和標準差即可知相應置信水平下的最大誤差范圍：對應1個，2個和3個標準差1，2和3，對應的置信水平分別為67.78%，95.39%和99.80%，對應的最大誤差分別為0.056，0.112和0.168。見表1。

另外兩個平面有類似的結果，如圖11所示，這對于了解誤差分布和抑制誤差很有意義。

5結論

論文介紹了一種基于簡化特征匹配思路的雙目視覺測量系統(tǒng)，其中對硬件選型進行了詳細分析和計算，同時完成了改進的基于灰度重心法的簡化特征匹配算法。

該系統(tǒng)在1200～1500mm距離處實現(xiàn)了基于線激光投射的雙目立體視覺非接觸測量系統(tǒng)，測量得到的距離數(shù)據(jù)在待測面的擬合平面兩側均勻分布，誤差成高斯分布，值在±1mm以內(nèi)。進一步實驗表明，在測量幅面為300mm×300mm時，經(jīng)過去除平面邊界噪點后的點云數(shù)據(jù)與擬合平面的誤差可以控制在±0.168mm以內(nèi);而在測量幅面為200mm×200mm時，上述誤差可以控制在±0.056mm以內(nèi)。該精度可以滿足高溫風洞內(nèi)部進行高精度非接觸測量的需求。2671AABD-6F7A-4034-92FA-777A6CBD5DA9