大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在船舶制造過程中大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，該方法涉及的設備包括全局和局部兩個測量裝置，其中全局測量裝置由兩臺工業(yè)相機和一臺能夠進行存儲和分析的高性能服務器組成，局部測量裝置有兩臺工業(yè)相機和一臺投影儀組成，為了能夠準確的測量局部測量裝置的空間位置，需要在局部測量裝置上安裝特定標記物，本發(fā)明進行基于視覺測量的圓形標記物定位技術，包括測量裝置上安裝的圓形標記物的精確定位算法。本發(fā)明提供一種不接觸鋼板表面，能自動、及時、方便、精確地對測量裝置上圓形標記物定位方法。
【專利說明】大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維測量，特別涉及到船舶建造時大型曲面板的自動檢測，具體是對 核心技術圓形標記物進行精確定位的方法。

【背景技術】
[0002] 目前，三維測量技術主要包括接觸式測量及非接觸式測量兩類。針對海洋工程裝 備中的大尺度目標，只能采用非接觸式三維測量技術。非接觸式三維測量技術包括兩類：視 覺照相三維測量、激光三維測量。照相三維測量系統具有測量速度快、測量密度高的優(yōu)點。 激光測量系統具有測量精度高的優(yōu)點，但在測量大尺度目標時，激光掃描速度較慢，無法達 到工業(yè)生產中的實時性要求。在加工大尺度船舶機艙、艏、艉和過渡段的曲面以及制造海洋 工程裝備大尺度鋼結構時，需要精確、快速地測量曲面的三維數據，因此需要采用相機測量 技術。
[0003] 國內，基本上采用激光方法測量大尺度的物件，雖然該方法精度高，但是低速、低 密度的缺點使得激光測量技術無法滿足大尺度工件工業(yè)加工生產的要求。一些大型船舶骨 干企業(yè)及研究機構在全站儀激光三維測量、人工劃線定位、曲面鋼板水火三維成型技術等 方面開展了相應的研究工作，但并未有成熟可用的產品。而基于照相的大尺度三維測量技 術仍然停留在學術研究階段。
[0004] 在視覺測量中。立體匹配是其實現的關鍵技術之一。一般的立體匹配的方法都依 賴于利用像素點的灰度或顏色值，以及其鄰域內的紋理信息在另外一個視角中尋找對應的 像素點。如果所重建的場景中沒有豐富的顏色或者紋理信息，例如船舶制造中的大型曲面 彎板，立體匹配將產生很大的誤差。為了解決這個問題，可以往場景中添加一些特殊的標記 物來降低立體匹配的難度。所以標記物的檢測在視覺測量中有著重要的意義。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提供一種新的大型曲面板測量 中圓形標記物的精確定位方法。本發(fā)明的圓形標記物精確定位方法用于準確測定測量裝置 的控制位置，不受自然光照、照相角度和曝光時間等外界因素的影響，以適應復雜環(huán)境和工 業(yè)要求。
[0006] 為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明專利提供的技術方案如下： 大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在于，大型曲面板測量時用到 的設備包括有全局測量裝置和局部測量裝置，所述的全局測量裝置包括由兩臺第一工業(yè)相 機和一臺進行存儲和分析的高性能服務器，兩臺第一工業(yè)相機分別通過1394線和1394卡 連接服務器，局部測量裝置包括有兩臺第二工業(yè)相機和一臺投影儀，兩臺第二工業(yè)相機分 別通過1394線和1394卡連接服務器，所述的投影儀通過USB線連接至服務器，所述局部測 量裝置為布置在大尺寸曲面板后面的可移動裝置，在所述的局部測量裝置后面設有全局測 量裝置，在所述的具備測量裝置上安裝有特定標記物，該特定標記物為圓形發(fā)光二極管；該 圓形標記物的精確定位方法包括有： 第一步，在局部測量裝置上安裝圓形標記物； 第二步，通過全局測量裝置上的兩臺第一工業(yè)相機分別對含有圓形標記物的局部測量 裝置進行拍照，并將拍照結果通過1394線和1394卡傳輸至服務器中； 第三步，在服務器中，采用模板匹配法對照片中的圓形標記物進行檢測，檢測結果采用 矩形框在圖像中標識，以實現圓形標記物的粗定位； 第四步，采用混合HOUGH變換的最小二乘擬合圓方法對圓形標記物進行精確定位； 第五步，獲得圓形標記物的精確定位數據，實現對局部測量裝置的測量結果的拼接，以 精確測量大尺寸曲面板。
[0007] 在本發(fā)明的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法中，所述第三步中用于 圓形標記物粗定位的模板匹配法是將包含目標圖像的模板在搜索區(qū)中滑動，計算模板圖像 與其覆蓋區(qū)圖像的相關值，相關值采用歸一化平方差值為計算值指標，如公式（1)所示，匹 配最好的區(qū)域的中心即認為是圓形標記物的中心。
[0008] 在本發(fā)明的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法中，在更 進一步設計中，在第三步中按一定的準側計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的相 關值，具體是采用歸一化平方差匹配法作為模板匹配的匹配模式，設定模板 r大小為#X#，待搜索圖像為I,計算圖像/中各個像素的歸一化平方差值如公式（1) 所示：

【權利要求】
1. 大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在于，大型曲面板測量時用 到的設備包括有全局測量裝置和局部測量裝置，所述的全局測量裝置包括由兩臺第一工業(yè) 相機和一臺進行存儲和分析的服務器，兩臺第一工業(yè)相機分別通過1394線和1394卡連接 服務器，局部測量裝置包括有兩臺第二工業(yè)相機和一臺投影儀，兩臺第二工業(yè)相機分別通 過1394線和1394卡連接服務器，所述的投影儀通過USB線連接至服務器，所述局部測量裝 置為布置在大尺寸曲面板后面的可移動裝置，在所述的局部測量裝置后面設有全局測量裝 置，在所述的局部測量裝置上安裝有特定的圓形標記物，該圓形標記物為圓形發(fā)光二極管； 該圓形標記物的精確定位方法包括有： 第一步，在局部測量裝置上安裝圓形標記物； 第二步，通過全局測量裝置上的兩臺第一工業(yè)相機分別對含有圓形標記物的局部測量 裝置進行拍照，并將拍照結果通過1394線和1394卡傳輸至服務器中； 第三步，在服務器中，采用模板匹配法對照片中的圓形標記物進行檢測，檢測結果采用 矩形框在圖像中標識，以實現圓形標記物的粗定位； 第四步，采用混合HOUGH變換的最小二乘擬合圓方法對圓形標記物進行精確定位； 第五步，獲得圓形標記物的精確定位數據，實現對局部測量裝置的測量結果的拼接，以 精確測量大尺寸曲面板。
2. 根據權利要求1所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第三步中用于圓形標記物粗定位的模板匹配法是將包含目標圖像的模板在搜索區(qū) 中滑動，計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的相關值，相關值采用歸一化平方差值為計算值指 標，匹配最好的區(qū)域的中心即認為是圓形標記物的中心。
3. 根據權利要求2所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方 法，其特征在于，在第三步中按一定的準側計算模板圖像與其覆蓋區(qū)圖像的 相關值，具體是采用歸一化平方差匹配法作為模板匹配的匹配模式，設定模板 Γ大小為#x#，待搜索圖像為/,計算圖像/中各個像素的歸一化平方差值如公式（1) 所示：
其中7(x\y )和J(x + JT%_F + _F5 )分別表示模板和搜索圖像的灰度值，在搜索圖像 J中，ifU_F)值最小處即為匹配點。
4. 根據權利要求3所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第四步的精確定位方法包括： 4a.模板匹配實現圓形標記物的粗定位，以依公式（1)找到的像素點為中心，采用合適 大小的矩形窗口標注圓形標記物的粗定位結果； 4b.對矩形窗口圖像采用HOUGH變換的方法實現圓形標記的檢測，其檢測后的圓心位 置標記為pointl，利用圖像自身的梯度信息，將HOUGH變換中的參數空間求解由三維降至 二維； 4c.對矩形窗口圖像通過Canny邊緣檢測獲取圓形標記物的邊緣點，然后采用基于 RANSAC的最小二乘法圓形標記物的檢測，其檢測后的圓心位置記為point2 ; 4d.計算出pointl和point2的歐式距離d，若d小于閾值ξ，則轉至4e，若d大于閾 值ξ，則轉至4f ; 4e.最后圓心point位置按照公式（2)計算： JKiinI = J1 - powt ?-i A2 powt 2 (2 ) 其中，Λ+^=ι,算法結束； 4f.對于矩形窗口圖像采用Otsu法進行自適應二值化處理，并對二值化圖像采用質心 法計算出圓心位置p〇int3,分別計算pointl和point2的歐式距離dl和d2 :若dl < d2, 則最終的圓心point位置即為pointl ;若dl > d2,則最終的圓心point位置為point2,算 法結束。
5. 根據權利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，HOUGH變換中的參數空間求解由三維降至二維，其具體的方法是對于任意的圓形，其幾 何表示如公式（3)所示， (x of I 〇r....... δ)2 = r7 (3) 如果將二維像素坐標轉換到三維參數空間Γ),則一個二維像素點對應于 三維參數空間中的一個圓錐曲線，如果點集位于同一 個圓上，那么它們在三維參數空間中應相交于同一點; 通過引入圖像的梯度信息以降低參數空間的計算復雜程度，對公式（3)求導，可以得到 式（4)
(4) 將（4)代入（3)可得
對于含有圓形標記物的待搜索圖像J，首先設計一個和J 一樣大小累加器圖像S，并 對S中的每個像素值都清零，對于指定的圓形半徑r，可以求出J中的像素(Ij)對應于參 數空間二維坐標將S中坐標為(--的像素值加1，遍歷所有可能圓形半徑r (r不 會超過J的長寬的一半)，最終5中最大值對應于的坐標即為J中圓形標記物的圓心。
6. 根據權利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，通過Canny邊緣檢測獲取圓形標記物的邊緣點的詳細步驟是：首先，通過高斯函數平滑 以消除噪聲；然后，利用一階差分模板卷積以達到邊緣增強的效果；最后，進行非極大值抑 制以保留梯度方向上的最大值，從而檢測出邊緣。
7. 根據權利要求4所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，采用基于RANSAC的最小二乘法圓形標記物的檢測，其詳細過程是：首先對于Canny算子 檢測出的邊緣點任意選取非共線的三個點，確定一個圓的方程，如公式（3)所示，假設該方 程即為所要檢測的圓的模型；再對其他的邊緣點(?.?)代入到公式（3)中計算出對應的半 徑4，如果巧和^之間的誤差小于特定的閾值，該閾值設定為^的5%，則認為乜是 該圓上的一點，處理完所有的邊緣點后，統計符合該模型的點數量，如果數量足夠多，足夠 多是指設定其為總數量的80%以上，則認為該模型合理，并計算出總誤差；重復執(zhí)行以上過 程多次，多次設定為1000次，以總誤差最小的模型中含有的點集為最大一致集，再用最小 二乘法對這些點進行圓形輪廓的曲線擬合。
8. 根據權利要求1所述的大型曲面板測量中圓形標記物的精確定位方法，其特征在 于，所述第一工業(yè)相機和第二工業(yè)相機的分辨率1440X1080以上、幀率IOfps以上，經由 1394線和1394卡連接到服務器。
【文檔編號】G01B11/00GK104390591SQ201410693760
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權日:2014年11月27日
【發(fā)明者】謝妤, 耿德品, 隋毅, 薛士枚 申請人:上海江南長興造船有限責任公司