专利名称：螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法
技术领域：
本发明属于螺旋桨测量相关领域，特别涉及一种基于图像的螺旋桨桨叶厚度的非 接触式自动测量新方法。
背景技术：
螺旋桨为船舶航行提供推力，是船舶推进系统的关键零件。螺旋桨的质量直接影 响着船舶推进效率。为了确保螺旋桨的制造质量，国家技术监督局发布了有关金属螺旋桨 技术要求的国家标准，对包括螺旋桨桨叶厚度等许多技术指标进行了规范。螺旋桨桨叶是 实现螺旋桨的推进性能的重要保证，桨叶的厚度等属性是确保螺旋桨生产质量的重要因 素，在螺旋桨的生产过程中要对桨叶的厚度进行反复的测量，以便为桨叶的进一步加工提 供依据。因此，叶厚的准确测量，对于保障螺旋桨的制造精度，实现螺旋桨的设计性能具有 非常重要的意义。目前，螺旋桨桨叶厚度一般通过坐标测量机测量出叶片各点坐标来进行计算得到 的。螺旋桨桨叶是一组多向倾斜、变化曲率的螺旋扭曲体，表征桨叶几何形状的面和线多数 呈既弯曲，又倾斜，并扭旋的特点，各厚度线的长度是决定桨叶截面形状的基本参数，各截 面的形状是构成桨叶整体形状的基础。因此，在测量桨叶厚度时，往往很难同时找准某一参 数在各有关方向上的定位基准，或是不易直接测得某些参数的量值，常需采用专项检测工 具和特定的检测方法，甚至还要采用某些假设的近似参数去替代那些复杂的参数。现有坐 标测量机采用的接触式方式进行螺旋桨桨叶测量，还难以进行桨叶厚度测量时需要的叶面 和叶背对应测量点的准确定位。这些测量机体积巨大，在螺旋桨制造过程中需要对每个桨 叶不同的测量截面都进行逐点坐标测量，测量过程费时费力，严重影响了测量的效率，不能 实现自动测量。另外，现有坐标测量机利用旋转轴系、悬臂梁式横臂和滑动架来支撑和移 动测杆测头进行螺旋桨不同截面的测量，这种由于自重等因素引起的横臂等结构非线性变 形，也影响测量精度的进一步提高。现有坐标测量机接触式测量方式，还难以为螺旋桨加工 过程进行在线测量提供手段。本发明是有关螺旋桨桨叶厚度测量的新方法。本发明提出的桨叶厚度测量新方法 属是利用图像进行螺旋桨桨叶的非接触式和数字化测量。利用本发明提出的测量方法可以 方便、快捷地进行螺旋桨桨叶厚度的测量。由于本发明提出的是非接触数字化测量方法，与 现有螺旋桨坐标测量机的原理不同，因此可以解决现有螺旋桨坐标测量机的不足。以本发 明提出的螺旋桨桨叶厚度测量新方法为基础，可以进行螺旋桨桨叶厚度的自动测量，为确 保螺旋桨制造质量提供了新的有效的检测手段。

发明内容
本发明的目的是以图像为基础进行螺旋桨桨叶厚度的非接触式全自动化测量。利 用该方法进行螺旋桨桨叶厚度的测量时，不需要叶面和叶背对应测量点的准确定位，属于 非接触式全自动测量。
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为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是利用数字投影仪将计算机自动生 成的投影点阵投射在待测螺旋桨表面，利用CCD摄像机获得螺旋桨桨叶的图像，对桨叶图 像进行数字化处理，得到所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，利用经过标定的摄像机 模型进行桨叶所有投影点二维像素坐标向三维现实世界坐标系的映射，根据双目视觉理论 计算得到所有投影点在三维现实世界坐标系的三维坐标，构建桨叶的三维坐标模型，并利 用计算机计算螺旋桨桨叶的厚度。本发明包括投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集、所有投影点二维图像坐标 系像素坐标获取、所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算、螺旋桨桨叶三维坐标模型的 构建以及桨叶厚度的计算等几个步骤。本发明包括的具体步骤如下1)投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集根据叶片形状通过计算机编程生成点阵，利用投影仪将点阵投射在待测螺旋桨桨 叶表面，利用2个CCD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当照明，分别采集 包含投影点的桨叶叶面和叶背图像各2幅。2)投影点二维图像坐标系像素坐标获取针对采集到的桨叶叶面和叶背的图像，进行图像的数字化处理，以此获取所有投 影点的二维图像坐标系像素坐标。3)投影点三维现实世界坐标系坐标计算根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现实世界坐标系之间的变换关系，建 立反映螺旋桨桨叶表面所有投影点像素坐标与三维现实世界坐标关系的投影矩阵，通过投 影矩阵的标定建立以像素坐标为基础的所有投影点三维现实世界坐标系坐标的计算模型。 利用双目视觉原理计算得到所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。4)螺旋桨桨叶三维坐标模型的构建以桨叶叶面和叶背表面投影点的三维现实世界坐标系坐标为基础，对叶背表面投 影点的三维坐标进行变换，使其与螺旋桨桨叶叶面表面投影点的三维坐标形成一一对应的 相对位置关系，构建螺旋桨桨叶的三维坐标模型。5)螺旋桨桨叶厚度的计算以构建的螺旋桨桨叶三维坐标模型为基础，首先计算同一垂直方向的叶面和叶背 投影点的距离，然后变换坐标系计算桨叶厚度，最终利用计算机实现螺旋桨桨叶厚度计算。本发明的优点本发明是以图像为基础进行螺旋桨桨叶厚度的非接触式自动化测 量，因此本发明具有非接触式和数字化测量的优点。本发明不需要直接接触桨叶的金属表 面，不存在测头磨损等缺陷。该方法可以方便地实现螺旋桨桨叶厚度的自动测量，因此，本 发明可以为缩短螺旋桨加工周期、降低生产成本提供有效的测量手段。


附图1是螺旋桨桨叶厚度自动测量新方法的步骤；附图2是螺旋桨桨叶厚度测量系统结构示意图；
附图3是摄像机成像模型示意图； 附图4是螺旋桨桨叶厚度计算示意图。
具体实施例方式以下结合附图，说明本发明提出的基于图像方法的螺旋桨桨叶厚度自动测量的新 方法，其技术原理及具体实施方法如下图1是螺旋桨桨叶厚度自动测量新方法的主要步骤，该方法以图像的方法进行测 量，首先通过计算机编程生成投影点阵投射在螺旋桨表面并采集图像，然后获取桨叶叶面 和叶背表面所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，并根据双目视觉理论计算所有投影点 三维现实世界坐标系坐标，以此为基础构建螺旋桨桨叶的三维坐标模型并计算桨叶厚度。 本发明按照该步骤就可以实现螺旋桨桨叶厚度的自动测量。图2是螺旋桨桨叶厚度自动测量的系统结构示意图。通过数字投影仪将计算机自 动生成的点阵投射在螺旋桨桨叶表面，利用两台摄像机L和R采集图像。在摄像机坐标系统 中，摄像机L和R的X轴重合，Y轴和Z轴分别相互平行，Z轴方向为摄像机光轴方向，L和 R坐标系中坐标轴方向一致，并且X0Y面平行于图像平面，同时将摄像机L和R的原点(光 心)偏移量固定。这就保证了两个摄像机坐标系统中螺旋桨叶片投影点Z轴方向坐标的一 致性以及测量系统的确定性。图3为摄像机成像模型示意图，该模型中包含三维现实世界坐标系0wXwYwZw、摄像 机坐标系0。X。Y。Z。、图像坐标系0JV (单位为像素)、图像物理坐标系0JY (单位为毫米)。桨 叶的成像过程就是以上四个坐标系之间的转换过程。本发明中，依据双目成像理论计算所 有投影点的深度信息，实现二维图像坐标系坐标到三维现实世界坐标系坐标的计算。记(U，V)为二维图像坐标系像素坐标；(X，Y)为图像物理坐标系坐标；(X。，Y。，Zc) 为二维图像坐标系像素坐标；(XW，YW，ZW)为现实世界坐标系三维坐标，各坐标系之间的计算 关系如下1)二维图像坐标系像素坐标与图像物理坐标系坐标计算关系'U'、丨 dx 0 U；"X"
V=0 Mdy V0Y(1)10 0 11其中，(U0, V0)为图像物理坐标系X0J的坐标圆点，dx、dy分别为像面上每个像素 沿X轴和Y轴方向的物理尺寸。2)记投影点在左右图像中的物理坐标系坐标分别为(&，\)和(XK，YK)，根据双目 摄像机成像理论，摄像机坐标系坐标与图像物理坐标系坐标的关系如下f/Zc = XL/XCf/Zc = XE/ (Xc-b)f/Zc = Yl/Yc = Ye/Yc由此，可以计算得到该投影点的深度信息Z c = fb/|XL_XK (2)其中，f为本发明测量系统中所用摄像机的焦距，b为左右摄像机光心的距离。3)三维现实世界坐标系坐标与摄像机坐标系坐标计算关系
5因此，图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系如 其中，R是3*3的旋转矩阵，T是3* 1的平移矩阵，0 = (0，0，0)T。 因此，图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系如 下 本发明中，首先设定摄像机标定模板，以摄像机的成像模型为基础，根据标定点的 像素坐标和三维现实世界坐标系坐标的对应关系，求解摄像机的内外参数(即旋转矩阵R 和平移矩阵T)并计算镜头的畸变系数。然后应用图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐 标系三维坐标之间的计算关系，计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。图4是螺旋桨桨叶厚度计算原理图，以实例进行说明，如图4本发明的测量方法 中，螺旋桨桨叶厚度计算的方法描述如下对于叶面投影APiOq，1” Zl)，首先找到和其在 同一垂直方向的叶背投影点T(x，y，z)，并计算|PJ|的值；然后将坐标系X0Y旋转得到新 的坐标系，在该坐标系中根据投影点Pi处的切线角计算螺旋桨桨叶的厚度值|| P^l, 如图4所示。
权利要求
螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法，其特征是以图像为基础进行螺旋桨桨叶厚度的非接触式测量，包括以下步骤投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集；所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取；所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算；螺旋桨桨叶数字化模型的构建；螺旋桨桨叶厚度的计算。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶所有投影点二维图像坐标系像素坐标的计算，通过计算机生成投影点阵投射在螺 旋桨桨叶表面，利用CCD摄像机采集待测螺旋桨桨叶的图像，应用计算机数字图像处理算 法提取螺旋桨桨叶所有投影点的二维图像坐标系像素坐标。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标计算的过程中，包括采集螺旋桨桨叶图像 的CXD摄像机的标定、摄像机畸变模型的矫正、三维现实世界坐标系坐标的计算。
4.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶厚度的计算是以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点的三维坐标为基础，通过计算 机实现螺旋桨桨叶厚度的计算。
全文摘要
一种螺旋桨桨叶厚度的自动测量新方法，该方法以图像为基础进行螺旋桨桨叶厚度的非接触式自动测量。它首先利用计算机、投影仪、摄像机等设备采集螺旋桨桨叶的图像，然后以数字图像处理技术为基础获取桨叶所有投影点的二维图像坐标系坐标，之后应用摄像机标定模型计算桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标，最后通过计算机计算螺旋桨桨叶的厚度。
文档编号G01B11/06GK101865660SQ20101010600
公开日2010年10月20日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者张建德, 朱跃钊, 陆金桂, 韩海冰 申请人:陆金桂