雙目視覺風洞測量系統實現的關鍵技術研究

曹文倫，陳 蓓，宋 程，賀昱曜

(1.西北工業大學 航海學院，陜西 西安 710072； 2.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710072; 3.合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，雙目視覺測量作為一種非接觸測量手段[1-4]受到了學者的青睞，也取得了不錯的應用效果。本課題組也在這方面進行了一些研究[5]。

視覺測量問題的關鍵在于提升圖像特征匹配，計算精確視差：文獻[6]采用算法來抑制待測物表面反光；文獻[7]中的視差圖是通過使用基于約束區域的立體匹配算法獲得的；文獻[8]采用環形激光作為輔助光源進行管道建模；文獻[9]使用立體視覺區分靜態/動態物體，用于在線自主車輛和移動機器人。

針對防熱材料燒蝕變形的高溫風洞測量問題，因其具有相當的特殊性，其真實數據獲取、數據分析及工程解決方案尚存在很多問題，比如高溫、高焓、高壓，待測物表面特征匹配難度大，隔著觀察窗遠距離測量和雙目欠同步影響精度，以及傳統雙目測量不能實時反映測量的動態過程，數據采集、存儲及后處理的難度大、自動化程度低等。因此，研究和開發新的防熱結構動態燒蝕外形測量方法與技術，有著重要的意義與應用前景。

1 系統設計

傳統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得到的圖像進行特征匹配。而對于該文涉及的紋理特征不顯著的待測工件來說，進行特征匹配難度很大，導致最終精度也不理想。

該系統設計了主動投射的線結構激光，以增加對象紋理(見圖1)。在1/200秒內利用線激光投射技術在待測物表面投射激光線；同樣在1/200秒內采集左右兩個相機圖像(圖1：Step1)；在一秒內讓激光線在待測物表面移動200個位置，且相機同步拍攝200對圖像(圖1：Step2)；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：Step3)；最后組合200個不同位置的三維數據得到整個激光掃描面的三維數據(圖1：Step4)。

圖1 點云生成示意圖

該方法的優點是簡化了特征匹配的復雜度，但對硬件性能和控制系統的各項指標要求則較高，它們之間的關系如下：

設掃描精度(平均點距指標)為d，完成一次幅面掃描為t，掃描幅面的邊長為l。

那么在t時間內，應該獲取n=l/d條檢測線；

線激光的速度要求滿足：v=l/t；

雙目相機的幀率要求至少為：v=l/t。

雙目視覺在風洞測量方面有其非接觸、受風洞環境干擾小等獨特的優勢，文獻[10-13]通過在待測工件表面提前標記特征點的方法實現了風洞內試驗模型的形變和姿態測量；文獻[14-15]改進了標記特征點的方法，使用了投射結構光結合雙目視覺的方式實現了冰形和模型位姿的測量。但是文獻[10-14]使用的測量設備均安裝在風洞內部，文獻[15]雖然將測量設備放在了觀察窗外實現了待測件姿態測量，但其測量對象仍為常溫。

根據上述關系，約束線激光在直線導軌上的精確位置或時刻，觸發雙目相機同時拍照，并設定曝光時間和增益以使采集的圖像達到成像要求。

該系統為保證左右視圖匹配良好需解決以下幾個主要問題：(1)系統標定圖像的同步采集；(2)左右圖像采集的同步問題；(3)激光中心線的精確定位。另外，待測物的尺寸和動態測量要求的實時性對線激光掃描精度和速度、相機視野及拍攝幀率，以及實驗數據采集、存儲和后處理提出了不小的挑戰。

2 系統組成

為了解決上節末提出的問題，設計了基于高速相機和線激光器的非接觸測量同步采集和控制系統硬件，如圖2所示。該測量系統由同步控制子系統、激光投射子系統和圖像采集子系統三部分組成。

圖2 同步觸發雙目測量系統組成

測量系統主體設備包括：PCIE高速IO卡及高性能上位機1臺、激光器和高精度滑臺各1個、相機支架1個、高速相機2個、定焦鏡頭和濾鏡各2個。滑臺上的線激光器在伺服電機控制下對待測工件幅面進行周期掃描；工控機協調同步控制IO卡向高速相機發送同步觸發信號，控制左右相機對工件圖像進行同步采集；隨后在工控機內完成圖像命名、存儲；事后對掃描幅面圖像組進行光條中心線提取、特征匹配、三維點云計算及整體三維點云合成等后處理。

3 系統實現

為了使系統在高速度下實現高精度的要求，除了要求硬件高配置，還需要解決諸如標定、同步、左右圖像對匹配等一系列軟問題。

3.1 系統標定

為了實現最好的測量精度，理論上要保證：標定板應平整，圖像清晰，不反光；同時，左右相機圖像應完全匹配，即盡最大可能同步采集。

根據待測工件尺寸以及相機和鏡頭選型，計算得出在規定測量距離上的實際視野長度和寬度分別為：294.912 mm和235.929 6 mm。而遵循標定板尺寸是視野尺寸的2/3左右的原則，選擇了GP150的標定板。該標定板采用玻璃基加氧化鋁面板，實現平整不變形、不反光、不透明，精度可以達到±0.01 mm。

標定時，大量文獻中通常的做法是由人工手持標定板在相機前變換角度，拍攝一定數量的標定圖像，進而計算內外參。但是在精度要求比較高的情形下，由于手持標定板的輕微抖動，以及左右相機拍攝的時間差，共同造成左右標定圖像的不同步，進而影響精度。建議的做法是將標定板物理固定或靜置進行標定圖像對的采集，然后調整角度進行下一圖像對的采集。以次類推，完成所有標定圖像的采集。

3.2 相機同步

上一節講到了相機拍攝的時間差會對雙目測量的精度產生影響。因此相機的同步觸發對于高精度測量顯得尤為重要。

在相機選型時需考慮采用有外同步觸發功能的工業相機。通過信號發生器或高速IO卡產生的PWM信號(文中采用)可以盡可能保證左右相機圖像對采集的同步性。

其次，為了防止數據擁塞和丟幀，在采集軟件設計實現方面也需要重點考慮，比如：利用大內存工控機進行緩存并在采集間隙后處理數據；開啟工控機電源管理模式的高性能模式等。

3.3 基于線激光投射紋理的匹配算法

為了降低弱紋理工件雙目測量時左右相機圖像匹配的難度，該文采用了主動投射線激光以增加工件紋理。

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。

外部光照條件會對采集的光條圖像產生很多噪聲，為光條中心線的高精度提取造成麻煩。受到這些因素的影響，得到的線結構光圖像實際上是一寬度不均、截面光強不對稱而又呈單峰值變化的變形光條。對于垂直投射的激光線而言，以高斯函數對圖像行上的灰度點進行描述，如圖3所示。

圖3 灰度重心法參數取值示意

假設m×n圖像f(m,n)任意一行的灰度值分布如圖3，Grey_Max為本行灰度最大值，T為根據所需寬度給定的值，大于T的灰度值均參與重心的計算。

圖像f(m,n)任意第i行的重心公式如下：

(1)

其中，cj為列坐標值。

Ci為第i行的重心坐標，當i遍歷每一行，則得到一條完整的激光投影的中心線。

使用上述公式需要在每一圖像行中遍歷每一列尋找灰度值最亮的點的坐標，搜索范圍太大。而從圖1得知，該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亮的點的坐標即可。

因此，作改進如下：設圖像拍攝幀率為f，則對于任意一幀圖像k的第i行，對應的重心計算公式為：

i=1，2，…,m；k=1，2，…,f

(2)

其中，cj為列坐標值。

可以看出，上述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。

該文基于上述算法，首先分別單獨計算左右相機圖像的灰度重心,進而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，極大地簡化了雙目測量圖像特征匹配的復雜度。

4 實驗及結果

假設系統工況為：待測物距為1 200 mm，掃描精度為1 mm，完成一次掃描用時為1 s，掃描幅面為300 mm。

那么該系統在一秒內，應該獲取200條檢測線；線激光的速度為0.3 m/s；相機幀率至少為200 fps，可選產品其對應的像素為130萬；再由物距1 200 mm乘以實際光學放大倍率得到鏡頭焦距的理論值為24.5 mm。

則采集系統選型如下：

激光器選用可調線寬的450 nm線激光器。滑臺選用FSL40直線模組。兩臺WP-UT130M灰度相機，配備兩個型號為WP-2M2514-C的25mm焦距鏡頭。在同源外觸發模式下，兩臺相機理論上可以實現最高210幀的同步拍攝。

在完成圖像的采集后，隨后由上位機算法完成圖像的存儲、光條中心線提取、圖像匹配、三維點云計算等后處理。

遵循3.1節系統標定的方法，得到系統標定以后的重投影誤差，如圖4所示。

圖4 雙目測量系統標定重投影誤差

實驗室中使用如圖5所示的紙盒和背景墻組合作為待測對象。其中，圖像最上方紙杯底與背景面的距離為62.5 mm，圖像中間盒子與背景面距離為53 mm，圖像最下面紙盒與背景面距離40 mm。應用文中方法，最終得到的3D點云數據如圖6所示。

圖5 待測對象

圖6 點云數據誤差分析

從圖6可以看出，圍繞中間盒子平面的誤差分布情況，這里給出的是中間盒子擬合平面與盒子上所有的經計算得到且未經任何剔除處理的實際點云數據之差。可以看出，測量得到的距離數據一致性非常好，所有的點云均勻地分布在中間盒子擬合平面兩側±1 mm以內。

實驗表明，經過去除噪點處理的點云與擬合平面的誤差可以控制在0.22 mm以內，如圖7所示。其中，中間盒子點云數據與擬合平面的殘差直方圖分布見圖8。

圖7 點云數據誤差分析(去噪點后)

圖8 點云數據與擬合平面的誤差得到的殘差直方圖

進一步由正態分布檢驗方法可驗證點云到擬合平面的距離誤差符合正態分布，進而可證明該誤差呈現收斂狀態：對應于1個、2個和3個標準差1σ、2σ和3σ，對應的置信水平分別為68.26%、95.45%和99.73%，對應的最大誤差分別為<0.06,<0.12和<0.17。

5 結束語

提出了一種改進的灰度重心法，并應用在雙目測量當中，在1 200 mm～1 500 mm距離處實現了基于線激光投射的雙目立體視覺非接觸測量系統，測量原始數據的距離誤差為±1 mm，數據處理后的精度誤差可以控制在±0.2 mm以內。日后擬使用該系統實現高溫風洞內的防熱材料燒蝕變形測量研究，以解決高溫試驗無法做標記點、高溫高焓對象測量困難、測量設備放置不易等問題。