0 引言
三坐标测量机(Coordinate Measuring Ma-chine,CMM)一般采用基于三维力—位移传感原理的接触式测量头,其主要优点是测量精度高,适应性强,但测量效率低,而且对一些软质表面无法进行测量,尤其在逆向工程中需要获取被测物体的大量表面测量数据,这种普通的单点接触式测量方法很难满足要求。本文旨在研究将非接触式的线结构光视觉传感器集成到CMM的测量框架下,建立视觉传感器新的集成测量模型,实现测量结果由空间相对坐标到CMM坐标系的转移,为CMM提供一种测量速度快、数据量大,精度适中的光学测头,从而扩大CMM的应用领域,提高测量效率,并为开发基于线结构光视觉传感器与CMM信息集成技术新型坐标测量系统打下技术基础。
1 逆向工程中光学坐标测量系统的结构框架
图1是基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量系统的硬件结构框图,主要设备有Carl Zeiss三坐标测量机;自行开发研制的线结构光机器视觉测量系统, SUN4/75工作站等。在视觉传感器中所用的线光源是由半导体激光器光束经圆柱面镜反射扩展而成,能量接受器件采用面阵CCD摄像机,并配有分辨率为768*576的图象采集卡。测量软件主要有传感器的建模程序,激光光刀图象的滤波、分割以及光刀中心坐标的亚象素坐标的提取等应用程序。
此外,在SUN工作站安装有SDRC(Structural Dy-namics Research Corporation)的IDEAS软件,其具有较强的几何建模功能,设计结果生成IGS文件(表示零件的几何信息)和一中性文件(表示零件的尺寸、公差、技术要求等信息)。测量时将视觉传感器固定在CMM的横梁滑块上,在CMM精密伺服机构的驱动下可以在CMM的X-Y坐标平面上运动,实现对被测物体的扫描。系统各部分之间指令与各种信息的传递是通过计算机网络完成的。
2 光学坐标测量系统的功能模块及关键技术
2.1 光学坐标测量系统的功能结构
测量系统主要由4个功能模块组成:集成测量系统建模、视觉传感器测量视角规划、测量数据的预处理、多视角测量数据的配准与拼接。测量系统功能结构框图如图2所示。以下介绍各功能模块。
2.2 线结构光视觉传感器与CMM集成测量模型的建立与标定技术
线结构光视觉传感器实质上是二维坐标传感系统,测量时需要由精密的伺服机构驱动对被测物体进行扫描。集成系统利用二维视觉传感器进行三维测量的原理如图3所示,其中视觉传感器提供Ys和Zs方向的坐标值,Xs坐标由CMM给出。集成系统建模有两方面内容:(1)视觉传感器映射模型的建立,即建立CCD摄像机图象坐标系与两维相对空间坐标的映射关系;(2)将视觉传感器集成到CMM测量坐标系下,实现测量数据由视觉传感器空间相对坐标系到CMM测量坐标系的转换。对于视觉传感器的建模,一般采用摄像机小孔模型与标定光平面方程的方法,但由于通常采用摄像机镜头的径向畸变模型并不能代表所有镜头的实际情况,因此影响了传感器模型的精度,为此本文提出了用二元三次B样条函数来逼近传感器由图象坐标系到空间相对坐标系之间的映射关系,提高了测量精度。另一方面提出了一种仿射坐标系下的集成测量模型,将视觉传感器集成到CMM测量坐标下,实现了测量坐标系的统一,并且给出了相应的标定算法。详细过程见文献[2]。
2.3 线结构光视觉传感器测量的视角规划技术
线结构光视觉传感器从一个角度只能测量被测物体的部分表面,因此必须调整传感器的角度,从不同角度对物体测量,以获得覆盖整个表面的数据。这里存在如何计算传感器的测量姿态,在满足测量精度的情况下以最少的测量视角对物体进行扫描,提高测量效率的问题。在有被测物体CAD模型的情况下,可将问题转化为旅游商问题TSP[3]。在逆向工程中,由于没有被测物体的CAD模型,从而无法事先计算出传感器测量的方位,本文根据已经测量得到数据建立一个局部参考模型[4],采用插值的方法来预测被测物体轮廓的变化趋势,并结合传感器的测量范围来计算出下一个测量视角的方位。
2.4 结构光视觉传感器测量数据的预处理技术
由于线结构光视觉传感器测量数据是以线扫描形式排列,在每条扫描线内测量点排列密集、杂乱,而且整个测量数据点之间没有明显的拓扑关系,无法直接在现有的商品化CAD系统中建模,必须进行数据的预处理,生成规范的网格数据,满足现有CAD建模系统的要求。特别地,在测量具有复杂形面的物体时,由于数据中包含有多种几何特征,因此应根据几何特征对测量数据进行分割处理,生成几何特征简单的区域再送入CAD系统中建模。测量数据预处理流程图如图4所示。
2.5 多视角测量数据的配准拼接技术
测量系统在不同视角测量的数据具有不同的坐标系,各数据点集之间具有部分重叠区域,所谓配准就是通过坐标变换的方式将这些数据点集转换到统一的坐标系下。在此基础上,采用插值的方法将配准后各个视角的网格数据拼接成覆盖物体的完整数据网格。其中配准计算可作如下描述:设在两个视角下获得的具有部分重叠区域的三维测量数据点集分别为P和Q,若在数据点集P中提取一个子集{pi pi∈P,i=1,2,…,n},在数据点集Q中有一子集{qi qi∈Q,i=1,2,…,n}与之各点对应,则在两视角下测得三维数据点之间的坐标旋转矩阵R和平移矩阵T,可通过使下列目标函数最小化得到:
由此可见,找到两个数据点集之间的对应点是问题关键,然而对曲面而言很难在其上找到显著的特征点,因此要准确地确定{pi}在Q中的对应点集是很困难的。这里采用一种迭代投影算法,首先由点集Q建立该区域曲面模型S,给定初始R和T,将点pi作坐标变换,将点R·pi+T在曲面模型S上的投影点作为pi在Q中的对应点qi,并更新R和T,详见文献[5]。
当各视角数据转换到统一坐标系下后,重新划分数据网格,用配准后相重叠的网格点数据作插值计算,求得重新划分后网格点的坐标数据。
3 应用实例
本文在研究集成测量系统各项关键技术的基础上,开发了光学坐标测量原型系统,建立了集成测量模型,其中视觉传感器Xs向、Zs向的映射误差如图5所示。
集成测量系统综合误差在0.1mm左右。现对一鼠标进行多视角测量,并经测量数据预处理、配准及拼接等步骤,获得完整的鼠标模型,结果如图6所示。
4 结束语
本文研究了一种将线结构光视觉传感器集成到CMM上的一种光学坐标测量系统,并且介绍了在逆向工程中应用的有关技术问题,开发了原型系统,实验证明该测量系统在逆向工程中的应用是有效、可行的。
参考文献
[1] Varady T,Martin R R,etc.Reverse Engineering of GeometricModels——an Introduction.Computer Aided Designed,1997,(2).
[2] 刘志刚,方勇等.线结构光三维视觉传感器与CMM集成的一种标定算法.机器人,1999,(4).
[3] Trucco E T,Umasuthan M,etc.Model-based PlanNIng of Op-timal Sensor Placements for Inspection. IEEE Trans. onRobotics and Automation,1997,13(2).
[4] Milroy M J,Bradley C,etc.Automated Laser Scanning Basedon Orthogonal Sections. Machine Vision and Application,1996,(6).
[5] Thompson W B,Owen J C,etc.Feature-based Reverse Engi-neering of Mechanical Parts.IEEE Trans.on Robotics and Au-tomation,1999,15(1).
[6] 刘志刚,陈康宁等.多视角曲面测量数据的一种配准拼接方法.机器人.
作者：刘志刚 陈康宁 刘布昆 林志航(西安交通大学CIMS中心)
