韓偉峰，王 華，何 航，張 爽，高金剛

(1.中車長春軌道客車股份有限公司工程技術部，長春 130062；2.長春工程學院，長春 130012； 3.長春工業(yè)大學機電工程學院，長春 130012)

0 引言

視覺測量技術作為當今高新技術之一，在測量領域中應用得越來越廣泛[1]，而針對列車轉向架的大尺寸測量參數(shù)的測量，單目視覺的視野受到限制，無法完成測量，因此，在實際測量中通常利用多目視覺進行測量，并且通過三維數(shù)據拼接就將各個子區(qū)域的測量數(shù)據統(tǒng)一到世界坐標系中，其精度在整個視覺測量中有著重要影響。

當前常用的三維數(shù)據拼接方法主要有：通過經緯儀[2]、三維掃描儀[3]、激光跟蹤儀[4]等設備實現(xiàn)三維點云數(shù)據的拼接，但本類設備較笨重、價格高昂、操作較復雜；通過標記點進行三維拼接的方法，需要有共同的視場，并且無法適用于表面易損害的工件；另一種類的方法是通過ICP算法及其改進算法[6]，但這些算法存在計算量大，運行時間長等問題。

本文提出了一種基于大尺寸標定板的數(shù)據拼接方法。首先，在標定板上建立中間坐標系，然后，將每個攝像機坐標系作為各自的局部坐標系，并至少求出3個非共線標記點在中間坐標系和局部坐標系下的空間坐標；最后，獲取坐標系之間的變換矩陣，經過兩次坐標變換后，即可求出局部坐標系之間的轉換關系。

1 三維數(shù)據拼接原理

1.1 多視覺傳感器結構關系模型

為實現(xiàn)測量目的，建立多目視覺測量系統(tǒng)(兩組雙目測量系統(tǒng))，如圖1所示。選取多目視覺測量系統(tǒng)中的一個雙目測量系統(tǒng)其中的一個攝像機坐標系作為局部坐標系Pc1和Pc2。將標定板放置在兩組雙目測量系統(tǒng)的公共區(qū)域內，以標定板的中心點作為原點，取標定板的垂直水平面作為Z軸，標定板的兩側外邊緣分別作為X、Y軸，構建一個中間坐標系Pb。

圖1 多視覺傳感器結構關系圖

1.2 各個坐標系之間的轉換

確定局部坐標系和中間坐標系之間轉換矩陣：

(1)

(2)

1.3 求出轉換矩陣

(3)

將不同坐標矢量代入轉換方程中即可得：

(4)

(5)

(6)

2 實驗結果

為驗證本實驗方案，采用四臺工業(yè)相機MER-040-60UM及16 mm鏡頭作為多目視覺傳感器，以300 mm×300 mm的高精度標定板作為被測目標，多目視覺傳感器與標定板的擺放位置如圖2所示。

圖2 多視覺傳感器結構實物圖

將攝像機進行編號，然后兩兩分組，分別組成雙目視覺測量系統(tǒng)。采用Halcon軟件中的標定工具箱標定出兩相機之間的內外參，將標定板在兩相機的公共視野中擺放18次。為了更好地得到相機的畸變結果，首先將標定板沿著視野邊緣擺放9次，然后使標定板傾斜一定角度再擺放9次。多目視覺測量系統(tǒng)的最終標定結果見表1～2。

表1 多目視覺測量系統(tǒng)中的攝像機內參

表2 攝像機之間的轉換矩陣

雙目測量系統(tǒng)采集標定板上的多個(3個及以上)非共線的實心圓，提出其圓心作為標記點，如圖3所示。通過計算所獲取的標記點在局部坐標系和中間坐標系的空間坐標，根據式(5)和式(6)，能夠求出兩坐標系之間的轉換矩陣，進而求出各局部坐標系之間的轉換矩陣，見表3。

圖3 各攝像機拍攝的標定板圖

表3 各坐標系間的轉換矩陣

3 數(shù)據拼接

本文利用共同視野下的大標定板圓心，實現(xiàn)數(shù)據的拼接。每個子攝像機分別獲取該攝像機所拍攝的標定板上的圓心坐標，選取其中一個攝像機坐標系作為基準坐標系，即世界坐標系。通過矩陣間的變換關系，可將其他子攝像機的測量數(shù)據轉換至同一坐標系下，即坐標系的統(tǒng)一，最終實現(xiàn)數(shù)據的拼接，如圖4～5所示。

圖4 每個子區(qū)域測量的圓心坐標

圖5 數(shù)據拼接結果

4 誤差分析

通過求解標定板上的圓心間距離，驗證本文所述拼接方法的精度。通過對標定板取不同距離，分別求解出局部坐標系及世界坐標系下對應的位置關系，見表4。實驗結果表明：誤差值隨圓心距增加而增大；在世界坐標系下的圓心距誤差大于局部坐標系下的圓心距誤差。

表4 誤差分析

5 結語

針對列車轉向架的大尺寸參數(shù)測量，提出了一種基于大尺寸標定板的數(shù)據拼接方法，即在公共視野下存在大面積平面靶標完成三維數(shù)據的拼接的方法。通過實驗表明：該方法簡單易行，精度較高，適用于企業(yè)生產的現(xiàn)場要求，且成本較低。本文所述方法仍有不足，對標定板精度要求較高；當視覺傳感器視場增大時，被測目標需增大，增加成本。