基于简化特征匹配的双目视觉测量系统及其参数计算

陈蓓 曹文伦

摘要：为了解决高温风洞内部高精度非接触测量的难题，完成了观察窗透视双目视觉测量系统。该系统基于主动投射移动线激光和超高速同步相机，以简化左右图像特征匹配的复杂度。介绍了提取线激光光条中心的改进的灰度重心法，还讨论了相机和镜头的选型策略以及参数计算。实验表明，该系统最快可以1s完成一个扫描幅面，在1300～1500mm处，待测幅面为300mm×300mm时的最大测量标准偏差为O.11mm。应用显示，该系统可以保证高温风洞内待测物的实时连续测量和后续动态分析、演示。

关键词：风洞测量;双目视觉;三雏重建;非接触测量

双目视觉测量作为一种非接触测量手段备受瞩目，也取得了良好的应用效果。传统的双目视觉立体测量方法面临的主要问题是需要对左右相机拍摄到的图像进行特征匹配。而对于纹理特征不显著的待测物体来说，进行特征匹配难度很大，导致最终精度也差。因此，常规的做法是使用在待测工件表面粘贴物理标记或投射结构光的方法，以提高拍摄对象的纹理特征。

课题研究的待测对象位于高温风洞内部。高温风洞内部的特点是高温、高焓、空间小、气流快、光线变化范围大，且待测物会因高温发生烧蚀和形变。因此，不能像普通风洞内实验一样提前在待测物表面粘贴标记点。也不具备条件将测量系统安装在风洞内部。文献[6]和文献[7]使用了投射结构光的系统，文献[7]还把测量系统放置在风洞外部，但其测量对象均为常温对象。此外，由于风洞参数不同，具体的测量系统工程设施阶段方面，还有观察窗标定、设备安装方式等一系列细节问题亟待解决。

因此，针对防热材料烧蚀变形的风洞测量问题具有相当的特殊性。研究材料动态烧蚀非接触测量方法有着重大的意义与实用价值。

1简化特征匹配测量系统的设计思路

为了增加纹理和降低特征匹配的复杂度，设计了基于主动投射线激光的高速采集系统。

设搭载线激光的转台中心距离待测物距离为d，线激光扫描精度为Ah，完成一次待测幅面扫描为t，扫描幅面的边长为l，相机帧率为f。

那么在t时间内，应该获取n=z/Ah条检测线;

本系统的设计原理为：在1/fs内利用线激光投射技术在待测物表面投射激光线;同样在1/fs内采集左右两个相机图像;在1s内让激光线在待测物表面移动厂个位置，且相机同步拍摄厂对图像[图1（a）]。对上一步骤中的每一对图像逐一計算其视差，得到待测物体表面激光投射中心线所在位置的三维坐标[图1（b）]。最后组合厂个不同位置的三维数据得到整个激光扫描面的三维数据[图1（c）]。

转台硬件性能和控制系统的各项指标要求为：

线激光的速度要求满足：

转台的速度要求满足：

2硬件设计及选型计算

理论上，根据线激光在转台上发出的精确角度或时刻，触发双目相机同时拍照，并设定曝光时间和增益以使采集的图像达到成像要求，进而可由双目视差图像恢复出对应位置的点云数据。

要保证系统工作良好需解决解决以下几个主要问题：（1）线激光扫描精度和速度;（2）左右图像采集的高速、以及同步问题;（3）激光中心线的精确定位。另外，待测物的尺寸和动态测量要求的实时性对相机视野、分辨率以及实验数据采集、存储和后处理提出了不小的挑战。

系统硬件主要由三个子系统构成：①双目图像同步采集子系统，②结构光投影子系统，③控制子系统。如图2所示。

双目图像同步采集子系统由标定板、测距仪、滤光片、镜头、工业相机、数据线缆、同步线缆，以及系统支架组成。

结构光投影子系统由激光器、转台、转台控制器、线缆，以及系统支架组成。

控制子系统安装在机柜内，由工控机、KVM、同步信号发生器组成。

2.1相机选型

图3显示了系统实际工作时的距离参数，其中包括：待测件尺寸，风洞内壁厚度、内壁到待测件距离，观察窗厚度和直径，以及转台直径，扫描角度等具体信息。这些参数是系统设计和产品选型的重要依据。

选型时，首先根据待测工件的大小，确定相机拍摄视野参数：由待测物体为200mm×200mm，初步选定拍摄视野为300mm×300mm。

根据第一节提出的设计思路，希望相机“像素多，帧率高”。因为相机像素越多，在同样的拍摄视野下，单像素精度越高;而帧率越高，扫描上述视野一次所得到的点密度越大，恢复的3D点云细节越丰富。但是从相机硬件实现的角度，相机像素越高，拍摄帧率越低;反之亦然。

实际上，为了优先保证达到200帧每秒的拍摄帧率，市场上可选购的相机分辨率最高只能是1280×1024～130万像素。因此选用1280×1024全分辨率，210帧/秒，全局快门的高帧率USB3.0微型工业黑白相机。传感器尺寸为1/2in，像元尺寸4.8μm×4.8μm。该相机由6芯Hirose接口提供外部同步触发信号输入。

这时，相机H和V方向上的单像素精度理论值分别为：

300/1280=0.234375;

300/1024=0.29296875。

此外，相机选型还需根据项目的具体情况考虑相机曝光时间、曝光方式、光谱响应范围、图像格式、接口类型、外形、温度等方面的要求。

2.2镜头选型

基于图3和相机选型得知：

预设视野范围：300mm×300mm;

镜头前端距离被测物体距离d：1200mm;

相机参数：130万像素相机（分辨率1280×1024，像元尺寸4.8μm×4.8μm）

那么，计算可得传感器的长宽分别为：

SensorH：1280×4.8/1000=6.144mm

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

又因

相机长宽的光学放大倍率分别为：

SensorH/300=0.02048

SensorV/300=0.01638

实际光学放大倍率选取较大值：0.02048。

又根据焦距公式：

厂一物距d×实际光学放大倍率（2）

得到焦距f=1200×0.02048，即f=24.5mm。

因此选型时选取25mm焦距镜头，由公式（2）反推出选取25mm焦距镜头时的可选实际光学放大倍率为0.02083。继续由公式（1）反推回去，得到实际的视野长度和宽度分别为294.96mm和235.96mm。

这时，相机H和V方向上的单像素精度可选理论值分别为：

294.96/1280=0.23;

235.96/1024=0.23。

除了焦距，镜头靶面尺寸也要大于相机传感器尺寸，因此选取镜头靶面尺寸2/3in，具体型号和参数如下：

WP-2M2514-C镜头焦距为25mm，对应1/2in相机（镜头标注可选参数为1/1.8in）传感器的视场角H（长）×V（宽）×D（对角线）为16.8mm×12.8ram×21mm。则该镜头在测量距离是1200mm左右的实际视野长宽x、y分别为（16.8/2）/X=25/1200和（12.8/2）/y=25/1200，X=806.4mm;y=614.4mm。x，y值满足镜头视野应大于相机视野的原理要求。

镜头选型也需根据项目需求综合考虑光圈、光学畸变、接口类型、外观尺寸、安装方式、工作温度等。

3基于线激光投射的简化特征计算方法

线激光主动投射系统旨在增加待测件纹理，以降低弱纹理工件双目测量时左右相机图像匹配的难度。线激光纹理检出的核心是中心线提取算法，拟采用灰度重心法对光条中心线进行检出。

相机实际采集得到的线结构光图像（图4上半部分显示其反色图）实际上可以以近似高斯函数对图像行上的灰度点进行描述（图4下半部分所示）。

假设图像f（m，n）的大小为m×n，其任意一行的灰度值随列坐标变化的曲线如图4所示。

Grey_Max为本行灰度最大值，T为一给定常数，灰度值大于T的点均参与重心的计算。

G为第i行的重心坐标，当i遍历每一行，则对应得到一条线激光在每一行上的重心坐标，即线激光的中心线坐标。

从图1可以看出，本方法中激光投影线条随着拍摄的进行是移动的。对于任意一帧图像，激光投影线条在图像中的位置是可预估的，故只需要在激光投影线条附近搜索灰度值最大的点的坐标即可。

因此设图像拍摄帧率为厂，则对于任意一帧图像k的第i行，对应的灰度重心计算公式为：

如上改进至少有两点好处：1，上述公式可以将原来搜索灰度值的范围从n个点降低为n/f个点，速度提升了f倍;2，滤除了图像中距离光条较远的亮点对光条中心线提取的干扰。

图5中（L）和（R）分别表示左右相机采集的线激光光条图像反色图及其对应的局部放大图像。其中黑色的光条为线激光，其上的白色细线表示了应用上述方法得到的光条中心线。

4实验及结果

基于上述算法，实验中首先分别单独计算左右相机图像的灰度重心，然后以计算所得的重心坐标作为特征对左右相机图像进行匹配，极大地降低了双目测量图像特征匹配复杂度。

如果待测物距为1350mm，扫描精度<1mm，1s完成一个300mm的扫描幅面。那么该系统在1s内，应该获取≥200条检测线;转台的速度为0.22rad/s;相机帧率至少为200fps，可选像素为130万，镜头焦距选25mm。

图6为基于前述思路实现的双目测量系统实物。在同步采集和控制系统完成图像的采集后，由上位机完成图像的存储、光条中心线提取、图像匹配、三维点云计算等后处理。

实验中使用如图7所示的纸盒和背景墙组合作为待测对象：图像上方盒子与背景平面距离为53mm，图像下面纸盒与背景平面距离40mm。

应用上述改进的灰度重心方法得到的3D点云以及三个拟合平面如图8所示，图中给出的是三个拟合平面（至上而下分别为平面1，平面2和平面3）与所有的经计算得到且未经任何剔除处理的的实际点云数据之差。可以看出，点云数据在平面过渡的地方和平面边际有很多噪点。剔除明显的过渡区域的噪点后，平面1测量的距离误差为±1mm（图9）。平面2和平面3类似。而剔除各个平面边际的噪点后精度可进一步提升，图10可见对应图8中平面1，平面2，平面3的测量标准偏差分别为0.0289，0.0356和0.1112。

当转台以匀速转动时，其投射出的线激光在其以R为半径的圆弧面上是等速的，而在以此圆弧两端点连线的待测平面上的移动速度则是不相同的。在待测平面上相同的时间内光条移动的距离呈现出中问近、两侧远的现象。而相机拍摄时极小的不同步也会在待测面两侧被放大，而呈现出待测平面两侧的误差大于中间误差的情况。而且待测面越大，这种情况带来的误差越大。图11中平面3的误差较平面1和平面2明显增大的原因是其面积较大。从图11还可见，去除噪點后的剩余点云数据残差呈近似高斯形态很好地分布在拟合平面1，平面2和平面3的两侧。如残差呈高斯公布，则误差可以很好地被控制在一定水平之下。

进一步的研究中，将其中平面1的距离数据使用Lilliefors方法进行正态分布验证，得到h=0，p=0.5000的结论。说明在方差概率声远大于通常的显著性水平取值0.05时，点云数据残差呈高斯形态分布的假设成立（h=0）。根据正态分布置信区间的概念，已知均值和标准差即可知相应置信水平下的最大误差范围：对应1个，2个和3个标准差1，2和3，对应的置信水平分别为67.78%，95.39%和99.80%，对应的最大误差分别为0.056，0.112和0.168。见表1。

另外两个平面有类似的结果，如图11所示，这对于了解误差分布和抑制误差很有意义。

5结论

论文介绍了一种基于简化特征匹配思路的双目视觉测量系统，其中对硬件选型进行了详细分析和计算，同时完成了改进的基于灰度重心法的简化特征匹配算法。

该系统在1200～1500mm距离处实现了基于线激光投射的双目立体视觉非接触测量系统，测量得到的距离数据在待测面的拟合平面两侧均匀分布，误差成高斯分布，值在±1mm以内。进一步实验表明，在测量幅面为300mm×300mm时，经过去除平面边界噪点后的点云数据与拟合平面的误差可以控制在±0.168mm以内;而在测量幅面为200mm×200mm时，上述误差可以控制在±0.056mm以内。该精度可以满足高温风洞内部进行高精度非接触测量的需求。2671AABD-6F7A-4034-92FA-777A6CBD5DA9

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