基于立体视觉焊接变形测量系统标定

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1、第33卷第3期焊接学报Vol．33No．32012年3月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMarch2012基于立体视觉焊接变形测量系统标定张海鹏，韩端锋，苗玉刚，陈淼(哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001)摘要:应用立体视觉三维测量系统对钢结构上若干待测标志点进行测量，测量前分两步对测量系统参数进行标定．首先应用基于平面模板的方法标定摄像机的固有参数，包括单个摄像机的内部参数和两个摄像机间的位置关系参数．其次使用单位四元数法对摄像机坐标系与设计坐标系之间的位置参数进行标定．为了验证标定结果的准确性，对摄像机内

2、参数标定结果进行了重投影误差估算，重投影误差很小，满足系统测量误差要求．对标定结果进行重建试验，重建结果平均误差小于1mm，最大误差小于2．5mm．关键词:焊接变形;立体视觉;摄像机标定;单位四元数法中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号:0253－360X(2012)03－0021－04张海鹏0序言定．广义上摄像机标定可分为两类，传统标定方法［5，6］和自标定方法．传统的标定方法需要使用精密大型钢结构件在焊接过程中，由于受到不均匀加工的标定块，通过标定块上已知三维坐标的点与加热和冷却，不可避免地会产生焊接变形．焊接变其图像上的对应点来计算摄像机的内外参数．该方

3、形会严重影响钢结构件的焊接质量，一方面降低了法可获得较高精度，但标定过程成本较高，费时费结构的强度和力学性能，另一方面影响结构件的尺力，不适合在线标定和无法使用标定块的场合．自寸精度和表面的平整度．如何准确的获得钢结构在标定方法利用摄像机内参数自身存在的约束来求焊接过程中产生的变形一直是国内外焊接工艺领域解，算法复杂、鲁棒性差、精度不高．研究的热点问题之一．针对上述各标定方法的不足，文中提出一种立传统的焊接变形测量方法包括动态测量和静态体视觉焊接变形测量系统两步标定法．第一步，标测量．静态测量方法测量精度高，但测量的变形量定视觉测量系统的固有参数，包括单个摄像机内参

4、较小，难以满足实际应用中大变形量的测量［1］．动数和两摄像机间的位置参数．第二步，标定摄像机态的焊接变形测量虽然能够实时地测出焊件的动态的外参数，即解算摄像机坐标系与设计坐标系之间变形，对于焊接数值计算有较好的验证效果，但需借的相对位置参数．助于数值计算的方法才能得到最终的焊接变形值，误差较大，精度较低，不适应于焊接变形的质量评1测量系统设计与标定内容定义［2］估．针对传统焊接变形测量方法的不足，国内外研究人员应用机器视觉中的双目立体视觉测量原立体视觉焊接变形测量系统由两台CCD摄像理，拍摄钢结构件的焊接过程图像，重建标志点三维机、图像采集卡和一台主控计算机组成．图

5、1为测坐标，依据同名点将前后变形状态关联，可精确地获量系统工作原理．［3，4］得焊接变形量．通常情况下，应用立体视觉重建立体视觉焊接变形测量系统标定是利用试验和标志点三维坐标第一步工作是立体视觉测量系统标计算的方法来获取摄像机的数学成像模型．在立体视觉焊接变形测量系统中需要标定单个摄像机的内参数、两摄像机间的位置关系参数以及摄像机坐标收稿日期:2011－09－28基金项目:国家自然科学基金资助项目(51005049);中央高校基本系和设计坐标系之间的关系，因此需定义下述4个科研业务经费专项资金资助项目(HEUCF110107);黑龙坐标系．江省科技计划资助项目(GZ

6、10A402);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目(2010RFQXG012)(1)左摄像机坐标系OLxLyLzL．22焊接学报第33卷坐标系下的坐标，M槇=［x，y，z，1］T表示空间点P对应的齐次坐标，依据针孔摄像机模型，有éαγu0ùsm槇=A［RT］M槇=ê0βv0ú［RT］M槇(3)êúë001û式中:s为任意的尺度因子;R和T为摄像机外参数，表示从世界坐标系到摄像机坐标系的变换关系;α和β分别为摄像机焦距在u轴和v轴方向上的坐标值;γ为描述图像中u轴和v轴倾斜程度的参数;图1测量系统工作原理(u0，v0)为像面中心坐标;A为内参数矩阵．上述参Fig

7、.1Principleofmeasuringsystem数被称为摄像机的内参数．2．2基于平面模板的摄像机标定(2)右摄像机坐标系ORxRyRzR．［7］Zhang提出了一种基于平面模板分步标定法，左右摄像机坐标系间的关系为该方法将镜头畸变系数与其它摄像机参数分开求xR=RRLxL+TRL(1)解，利用线性方法解出部分参数并作为非线性方法式中:RRL和TRL分别为从左摄像机坐标系变换到右的初始值，然后通过非线性优化，可以达到较高的精摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量．(3)设计坐标系Odxdydzd．度．标定过程中只需从不同方向拍摄平面模板的多幅图像，摄像机与平面