双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统与方法与流程

本发明涉及一种汽车检测领域的测量设备与测量方法，更具体的说，它是一种双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统与方法。

背景技术：

近年来，形貌测量技术是光学检测和视觉领域中最重要的技术之一。目前，汽车形貌的信息获取对汽车生产制造、汽车维修、汽车检测等领域具有重要的研究意义和应用价值。然而，使用摄像机成像只能生成没有深度信息的2d图像，如何利用摄像机方便快捷的获取车辆3d空间的真实形貌就非常重要。为了实现高精度的汽车形貌的三维重建，综合考虑在角度尺度和长度尺度的重建精度，设计了一种双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统与方法，构造了角度尺度和长度尺度的归一化优化函数，实现了主动视觉激光平面在综合考虑在角度尺度和长度尺度情况下的精确重建。

技术实现要素：

本发明针对测量汽车三维形貌的精度问题以及采用主动测量方法所需要的装置问题，提出了一种双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统与方法。该方法主要由两部工业摄像机、一个与摄像机相对位置不变的面结构光、两个没有纹理的标定板和一个l型标定尺构成，以双目视觉和结构光为基础，采用矢量正交归一化的方法实现汽车形貌测量求解。

结合说明书附图，本发明采用如下技术方案予以实现:

双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统包括有底座、无纹理标定板、摄像机支架、摄像机、激光器支架、激光器套、激光器与l型标定尺；

螺栓穿过两块无纹理标定板底部的通孔与底座螺纹固定连接，螺栓穿过两个摄像机支架圆形底座的通孔与底座螺纹固定连接，两个摄像机底部的螺纹孔与两个摄像机支架顶部的螺纹杆螺纹固定连接，螺栓穿过激光器支架圆形底座的通孔与底座螺纹固定连接，激光器插入到激光器套的内孔中，两个螺栓以及激光器支架顶部的螺纹杆穿过激光器套侧面的螺纹孔与激光器侧面面接触紧配合。

技术方案中所述的底座为加工有螺纹孔的钢板制成的矩形零件。

技术方案中所述的无纹理标定板是由两块矩形钢板焊接而成的倒t形零件，无纹理标定板底部的钢板上加工有四个圆形通孔。

技术方案中所述的摄像机支架由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，圆形底座上加工有三个通孔。

技术方案中所述的摄像机为具有窄带滤光片的广角摄像机。

技术方案中所述的激光器支架由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，激光器支架的圆杆低于摄像机支架的圆杆，圆杆顶部加工一段螺纹杆，圆形底座上加工有三个通孔。

技术方案中所述的激光器套为中空钢管加工的圆型零件，激光器套的侧面有三个螺纹通孔。

技术方案中所述的激光器为可发射一个面激光的圆柱形零件，激光器发出的激光波长与摄像机的窄带滤光片的带通波长一致。

技术方案中所述的l型标定尺是由两个矩形钢板焊接而成的l形零件，l型标定尺的两个内侧表面的垂直度不大于0.01mm，l型标定尺的两块钢板焊接处的中部加工有一个凸起的圆点，两块钢板内侧表面距离上述凸起圆点等距的位置各加工一个凸起的圆点，上述三个圆点构成的平面与l型标定尺的中心对称面重合。

双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的具体步骤如下：

第一步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的图像采集：

底座放置在地面上，两个摄像机支架固定在底座上，两个摄像机固定在两个摄像机支架顶部，激光器支架固定在底座上，激光器固定在激光器支架顶部，两个无纹理标定板固定在底座上，打开激光器，激光器发出的激光平面与两个无纹理标定板交于两条激光直线，使用两个摄像机分别采集一幅图像，图像包含两个无纹理标定板以及激光器与无纹理标定板相交的两条投影激光直线；

第二步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的激光面的重建：

首先，选取摄像机坐标系作为固定的全局坐标系，采用dlt标定法对两个摄像机进行标定，得到左侧摄像机的投影矩阵p^α和右侧摄像机的投影矩阵p^β；然后，根据两个摄像机采集的无纹理标定板上的激光线的图片，采用hough变换提取每个图片中投影激光线的二维图像坐标，激光面投影在左侧无纹理标定板上的激光线为a,投影在右侧无纹理标定板上的激光线为b；左侧摄像机采集的图片中提取的左侧无纹理标定板上的激光线投影坐标为a^α、右无纹理标定板上的激光线投影坐标为b^α，右侧摄像机采集的图片中提取到的左无纹理标定板上的激光线投影坐标为a^β、右侧无纹理标定板上的激光线投影坐标为b^β；

根据左侧摄像机获得的投影矩阵p^α、左侧无纹理标定板上的激光线在左侧摄像机像平面的投影坐标a^α，由下式求得左侧无纹理标定板上激光线a在左侧摄像机下的投影平面

根据左侧摄像机获得的转换矩阵p^α、右侧无纹理标定板上的激光线在左侧摄像机像平面的投影坐标b^α，由下式求得右侧无纹理标定板上激光线b在左摄像机下的投影平面

同理，由下式求得左侧无纹理标定板上的激光线a在右侧摄像机下的投影平面和右侧无纹理标定板上激光线b在右侧摄像机下的投影平面

由下式求得由两个相交平面表示的两条激光线a、b的plücker矩阵

其中，a^*、b^*分别是两条激光线a、b的plücker矩阵；

根据graβmann–plücker变换，两个相交平面表示的两条激光线的plücker矩阵a^*和b^*转换为它们的对偶矩阵a和b，则激光平面满足

其中，是激光器发出的激光平面的三维坐标；将[a^tb^t]^t奇异值分解，激光器发出的激光平面的三维坐标为奇异值分解的右侧酉矩阵中与最小奇异值对应的奇异矢量；

第三步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的l型标定尺特征点的重建：

首先，调整l型标定尺8的位置和角度，使得激光平面与l型标定尺的三个特征点qi,0、qi,1、qi,2相交，左、右侧两个摄像机各采集一张图片，然后将l型标定尺放置在第i位置上重复上述步骤，i＝1,2，…，n，

其中，和是l型标定尺上三个特征点qi,0、qi,1、qi,2在左、右侧摄像机下重建的三维坐标，j＝0，1，2，是左、右侧摄像机采集的图片上三个特征点的二维投影坐标，si,j是比例因子；

由l型标定尺的三个特征点在激光平面的投影上，得

根据以上四式可以得到参数化的特征点，即

其中，是左侧摄像机的参数，是右侧摄像机的参数；对应于l型标定尺的三个特征点qi,j分别在左、右侧摄像机下重建的三维坐标，

其中，是平衡左、右侧摄像机得到的参数化的l型标定尺特征点的三维坐标；

第四步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的正交归一化激光平面优化：

双目主动视觉矢量正交归一化的激光平面为

其中，是正交归一化优化后的激光平面，d1、d2是l型标定尺上的三个特征点构成的两个矢量的已知范数，θ是两个矢量之间的正交夹角；

第五步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的汽车形貌三维点重建：

汽车驶入两个摄像机的视场内，激光器发出的激光平面与汽车相交于一条曲线，相交曲线上的三维点为q，利用对极几何实现左侧摄像机的图像和右侧摄像机的图像的对应二维点的匹配，左侧摄像机图像上的激光点在右侧摄像机的对应点是候选激光点集合中与对应极线距离最近的点；三维点q同时位于优化的激光平面上，则

由三维点q在左、右侧摄像机的投影关系，得

(p^α)q＝sq^α

(p^β)q＝sq^β

其中，q^α＝(x^α,y^α)^t、q^β＝(x^β,y^β)t是汽车形貌上三维点q在左、右侧摄像机上的二维投影点；

由以上三个公式得

其中，r^α、s^α是左摄像机4的内参数，r^β、s^β是右摄像机的内参数，是正交归一化后的激光平面；将奇异值分解，汽车形貌上重建的三维点q为奇异值分解的右侧酉矩阵中与最小奇异值对应的奇异矢量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明求取的激光平面同时考虑了空间中的实际角度的重建精度和实际距离的重建精度，设计了提高双目主动视觉重建精度的l型标尺8，l型标定尺8的中部圆形特征点与另两个圆形特征点构成了两个矢量，两个矢量之间的角度和两个矢量各自的范数作为进一步优化的高精度角度基准和长度基准。

(2)本发明在l型标定尺8的特征点重建过程中考虑了点在激光平面上以及点在两个摄像机4像平面的投影关系，求得了平衡左、右侧摄像机4得到的参数化的l型标定尺8上三个特征点的三维坐标。

(3)本发明的方法同时考虑了角度和长度的两个优化目标进行优化。由于角度和长度的单位不同，因此设计了相应的调和角度和长度的归一化优化目标函数，解决了双目主动视觉矢量正交归一化优化的问题。由于l型标定尺8的三个特征点构成了两个正交矢量，并且矢量的范数是已知的，因此重建的参数化矢量的正交夹角和重建的参数化范数与实际夹角和范数的差构成了激光平面的优化目标函数，由于正交性是按比例缩放的，而矢量的范数是以毫米为单位，因此设计了平衡矢量的正交角度和范数两个不同尺度参考对象的正交归一化优化目标函数。

附图说明

图1是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统的轴测图；

图2是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中底座1的轴测图；

图3是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中无纹理标定板2的轴测图；

图4是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中摄像机支架3的轴测图；

图5是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中摄像机4的轴测图；

图6是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中激光器支架5的轴测图；

图7是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中激光器套6的轴测图；

图8是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中激光器7的轴测图；

图9是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统中l型标定尺8的轴测图；

图10是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法中左、右摄像机像平面采集到的激光器7激光面投影到无纹理标定板2上的示意图；

图11是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法中左、右摄像机像平面采集到的激光器7激光面投影到l型标定尺8上的三个特征点的示意图；

图12是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法中求取激光器7激光面的流程图；

图13是双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法中求取正交归一化激光器7激光面的流程图；

图中：1.底座，2.无纹理标定板，3.摄像机支架，4.摄像机，5.激光器支架，6.激光器套，7.激光器，8.l型标定尺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述:

参阅图1至图9，双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量系统与方法包括有底座1、无纹理标定板2、摄像机支架3、摄像机4、激光器支架5、激光器套6、激光器7与l型标定尺8。

底座1为加工有螺纹孔的钢板制成的矩形零件,无纹理标定板2是由两块矩形钢板焊接而成的倒t形零件，无纹理标定板2底部的钢板上加工有四个圆形通孔，螺栓穿过两块无纹理标定板2底部的通孔与底座1螺纹固定连接。摄像机支架3由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，圆杆顶部加工一段螺纹杆，圆形底座上加工有三个通孔,螺栓穿过两个摄像机支架3圆形底座的通孔与底座1螺纹固定连接，两个摄像机4底部的螺纹孔与两个摄像机支架3顶部的螺纹杆螺纹固定连接，摄像机4为具有窄带滤光片的广角摄像机。激光器支架5由一个圆形底座和一个圆杆焊接而成，激光器支架5的圆杆低于摄像机支架3的圆杆，圆杆顶部加工一段螺纹杆，圆形底座上加工有三个通孔,螺栓穿过激光器支架5圆形底座的通孔与底座1螺纹固定连接。激光器7为可发射一个面激光的圆柱形零件，激光器7发出的激光波长与摄像机4的窄带滤光片的带通波长一致。激光器套6为中空钢管加工的圆型零件，激光器套6的侧面有三个螺纹通孔,激光器7插入到激光器套6的内孔中，两个螺栓以及激光器支架5顶部的螺纹杆穿过激光器套6侧面的螺纹孔与激光器7侧面面接触紧配合。l型标定尺8是由两个矩形钢板焊接而成的l形零件，l型标定尺8的两个内侧表面的垂直度不大于0.01mm，l型标定尺8的两块钢板焊接处的中部加工有一个凸起的圆点，两块钢板内侧表面距离上述凸起圆点等距的位置各加工一个凸起的圆点，上述三个圆点构成的平面与l型标定尺8的中心对称面重合。

参阅图10至图13，本发明所提供的双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法可分为以下五步：

第一步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的图像采集：

底座1放置在地面上，两个摄像机支架3固定在底座1上，两个摄像机4固定在两个摄像机支架3顶部，激光器支架5固定在底座1上，激光器7固定在激光器支架5顶部，两个无纹理标定板2固定在底座1上，打开激光器7，激光器7发出的激光平面与两个无纹理标定板2交于两条激光直线，使用两个摄像机4分别采集一幅图像，图像包含两个无纹理标定板2以及激光器7与无纹理标定板2相交的两条投影激光直线；

第二步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的激光面的重建：

首先，选取摄像机坐标系作为固定的全局坐标系，采用dlt标定法对两个摄像机4进行标定，得到左侧摄像机4的投影矩阵p^α和右侧摄像机4的投影矩阵p^β。然后，根据两个摄像机4采集的无纹理标定板2上的激光线的图片，采用hough变换提取每个图片中投影激光线的二维图像坐标，激光面投影在左侧无纹理标定板2上的激光线为a,投影在右侧无纹理标定板2上的激光线为b。左侧摄像机4采集的图片中提取的左侧无纹理标定板2上的激光线投影坐标为a^α、右无纹理标定板2上的激光线投影坐标为b^α，右侧摄像机4采集的图片中提取到的左无纹理标定板2上的激光线投影坐标为a^β、右侧无纹理标定板2上的激光线投影坐标为b^β。

根据左侧摄像机4获得的投影矩阵p^α、左侧无纹理标定板2上的激光线在左侧摄像机像平面的投影坐标a^α，由下式求得左侧无纹理标定板2上激光线a在左侧摄像机4下的投影平面

根据左侧摄像机4获得的转换矩阵p^α、右侧无纹理标定板2上的激光线在左侧摄像机4像平面的投影坐标b^α，由下式求得右侧无纹理标定板2上激光线b在左摄像机4下的投影平面

同理，由下式求得左侧无纹理标定板2上的激光线a在右侧摄像机4下的投影平面和右侧无纹理标定板2上激光线b在右侧摄像机4下的投影平面

由下式求得由两个相交平面表示的两条激光线a、b的plücker矩阵

其中，a^*、b^*分别是两条激光线a、b的plücker矩阵。

根据graβmann–plücker变换，两个相交平面表示的两条激光线的plücker矩阵a^*和b^*转换为它们的对偶矩阵a和b，则激光平面满足

其中，是激光器7发出的激光平面的三维坐标。将[a^tb^t]^t奇异值分解，激光器7发出的激光平面的三维坐标为奇异值分解的右侧酉矩阵中与最小奇异值对应的奇异矢量。

第三步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的l型标定尺特征点的重建：

上一步求得的激光器7发出的激光平面只考虑的投影关系，但并未考虑空间中的实际距离的重建精度和实际角度的重建精度，因此只能作为激光平面的初值。l型标定尺8的中部圆形特征点与另两个圆形特征点构成了两个矢量，两个矢量之间的角度和两个矢量各自的范数作为进一步优化的高精度角度基准和长度基准。在l型标定尺8的特征点重建过程中考虑了点在激光平面上以及点在两个摄像机4像平面的投影关系，求得了平衡左、右侧摄像机4得到的参数化的l型标定尺8上三个特征点的三维坐标。

首先，调整l型标定尺8的位置和角度，使得激光平面与l型标定尺8的三个特征点qi,0、qi,1、qi,2相交，左、右侧两个摄像机4各采集一张图片，然后将l型标定尺8放置在第i位置上重复上述步骤，i＝1,2，…，n，

其中，和是l型标定尺8上三个特征点qi,0、qi,1、qi,2在左、右侧摄像机4下重建的三维坐标，j＝0，1，2，是左、右侧摄像机4采集的图片上三个特征点的二维投影坐标，si,j是比例因子。

由l型标定尺8的三个特征点在激光平面的投影上，得

根据以上四式可以得到参数化的特征点，即

其中，是左侧摄像机4的参数，是右侧摄像机4的参数。对应于l型标定尺8的三个特征点qi,j分别在左、右侧摄像机4下重建的三维坐标，

其中，是平衡左、右侧摄像机4得到的参数化的l型标定尺8特征点的三维坐标。

第四步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的正交归一化激光平面优化：

该方法同时考虑了角度和长度的两个优化目标进行优化。由于角度和长度的单位不同，因此设计了相应的调和角度和长度的归一化优化目标函数，解决了双目主动视觉矢量正交归一化优化的问题。由于l型标定尺8的三个特征点构成了两个正交矢量，并且矢量的范数是已知的，因此重建的参数化矢量的正交夹角和重建的参数化范数与实际夹角和范数的差构成了激光平面的优化目标函数，则优化后的激光平面为

其中，是优化的激光平面坐标，d1、d2是l型标定尺8上的三个特征点构成的两个矢量的已知范数，θ是两个矢量之间的正交夹角。

由于正交性是按比例缩放的，而矢量的范数是以毫米为单位，所以需要平衡矢量的正交角度和范数两个不同的参考对象。因此，对上述优化目标函数进行归一化，得

其中，是正交归一化优化后的激光平面。

第五步：双目主动视觉矢量正交归一化汽车形貌测量方法的汽车形貌三维点重建：

在汽车形貌三维点重建时，汽车驶入两个摄像机4的视场内，激光器7发出的激光平面与汽车相交于一条曲线，相交曲线上的三维点为q，利用对极几何实现左侧摄像机4的图像和右侧摄像机4的图像的对应二维点的匹配，左侧摄像机4图像上的激光点在右侧摄像机4的对应点是候选激光点集合中与对应极线距离最近的点。三维点q同时位于优化的激光平面上，则

由三维点q在左、右侧摄像机4的投影关系，得

(p^α)q＝sq^α

(p^β)q＝sq^β

其中，q^α＝(x^α,y^α)^t、q^β＝(x^β,y^β)^t是汽车形貌上三维点q在左、右侧摄像机4上的二维投影点。

由以上三个公式得

其中，r^α、s^α是左摄像机4的内参数，r^β、s^β是右摄像机4的内参数，是正交归一化后的激光平面。将奇异值分解，汽车形貌上重建的三维点q为奇异值分解的右侧酉矩阵中与最小奇异值对应的奇异矢量。