本發明屬于雙目視覺三維數字散斑測量技術領域，特別是涉及一種航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法。

背景技術：

隨著我國民航運輸業的迅速發展，飛機航行安全問題受到越來越多的關注。統計資料表明，航空發動機作為飛機的最核心部件，其葉片在高溫高壓的惡劣環境下長時間工作很容易發生損傷，進而影響發動機的性能，由此埋下飛行安全隱患。

國內相關航空機械制造裝備行業起步較晚，作為發動機核心零件的葉片損傷后一般送到國外進行維修，因此費用高，耗時長，從而造成巨大的經濟損失。因此，研究航空發動機損傷葉片測量造型新方法，能夠減少國內損傷葉片修復費用，從而降低發動機維護成本。

目前對于航空發動機葉片的測量技術通常分為兩類。其一，基于單點測量及逐點測量的接觸式測量方法，如標準樣本法、自動繪圖法和三坐標法等。其中標準樣本法是用于葉片成品檢測的方法，只能定性地檢測零件是否合格，并且一個樣板只對應于某葉片相應截面的一條型線，測量精度低、成本高；自動繪圖測量法的儀器體積龐大且操作不方便，只適合于零件的抽檢；三坐標法的測量精度高，但測量效率低，成本高，且無法獲取葉片的整體三維形貌參數。其二，基于非接觸式測量的方法，如光學投影法、光切法和結構光法等。光學投影測量法受客觀因素影響較多，測量精度低，適合葉片半成品型面的檢測；結構光法所采用的激光易被拋光后的葉片鏡面反射，同時為了實現不同部位測量數據的拼接，該方法必須在被測葉片外部粘貼一定數量的編碼標志點，這些都限制了該方法的實用性。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法。

為了達到上述目的，本發明提供的航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法包括按順序進行的下列步驟：

步驟1)建立航空發動機損傷葉片三維數字散斑測量系統：所述的系統包括測量旋轉臺、兩個攝像機、同步頻閃控制裝置和計算機；其中：測量旋轉臺為放置待測散斑損傷葉片的可控旋轉平臺；攝像機為包含照明光源和攝像頭的圖像采集裝置，兩個攝像機分別置于測量旋轉臺兩側；同步頻閃控制裝置為圖像采集同步控制裝置，分別與兩個攝像機相連接，用于實現兩個攝像機的圖像同步采集；計算機分別與兩個攝像機、測量旋轉臺相連接，通過兩個攝像機采集待測散斑損傷葉片的圖像信息并進行處理；

步驟2)雙目攝像機標定：將上述系統中的左右兩個攝像機的主光軸的夾角設定為60°；根據雙目立體視覺原理，對兩個攝像機進行系統標定，獲取其內外參數，得到攝像機投影矩陣；

步驟3)散斑制作：在待測損傷葉片的表面噴涂黑白啞光漆，形成三維隨機空間散斑點，由此制成待測散斑損傷葉片；

步驟4)測量分區：由測試人員將待測散斑損傷葉片的表面劃分成多個分區并排序，并且相鄰分區間互有重疊；

步驟5)回旋待測散斑損傷葉片并采集圖像：將待測散斑損傷葉片放置在航空發動機損傷葉片三維數字散斑測量系統的測量旋轉臺上，并隨受計算機控制的測量旋轉臺間歇性旋轉；在計算機的控制下，利用同步頻閃控制裝置控制兩個攝像機依次同步采集待測散斑損傷葉片上各個分區的圖像，并傳送給計算機；

步驟6)同名散斑點匹配：計算機基于外極線約束三維散斑網格單元匹配方法，根據左右兩個攝像機同一時刻采集的圖像和外極線約束條件及散斑圖像網格單元灰度相關條件，匹配出同一位姿時待測散斑損傷葉片上空間散斑點的左像面上的目標散斑點在右像面上的同名散斑點；

步驟7)各分區坐標系下空間散斑點三維坐標求解：根據步驟6)得到的左右像面上的同名散斑點，將像素坐標系轉換成分區坐標系，求解出該分區內空間散斑點在該分區坐標系的三維空間坐標數據；重復步驟6)、7)，求解出各分區坐標系下各自分區內空間散斑點的三維空間坐標數據；

步驟8)全局坐標系下空間散斑點三維坐標求解：以第一分區的坐標系為全局坐標系，將其他分區坐標系轉換為全局坐標系，通過相鄰分區重疊標志點確定各分區坐標系與全局坐標系的映射關系，根據映射關系得到各分區在全局坐標系下的三維空間坐標數據，進而得到整個待測散斑損傷葉片5上所有空間散斑點在全局坐標系下的三維空間坐標數據；

步驟9)三維空間坐標曲面擬合：結合葉盆面、葉背面、葉片型面邊緣及損傷邊界這些關鍵曲面精度要求及測量運算效率，在全局坐標系下利用待測散斑損傷葉片上葉盆面、葉背面處空間散斑點的三維空間坐標數據進行九點二次曲面擬合，利用葉片型面邊緣及損傷邊界處空間散斑點的三維坐標數據進行五次多項式曲面擬合，由此獲得這些關鍵曲面的三維空間坐標數據；

步驟10)三維數字建模：根據步驟8)獲得的空間散斑點的三維空間坐標數據以及步驟9)獲得的關鍵曲面的三維空間坐標數據，由計算機利用其內的三維數字建模程序建立起待測散斑損傷葉片的三維數字模型。

在步驟1)中，所述的攝像機采用同型號的工業數字攝像機。

在步驟2)中，所述的對兩個攝像機進行系統標定的方法為非參數模型校準方法，結合攝像機成像原理及垂線法，直接建立空間不同方位與相面位置的對應關系，通過將成像平面細化分割，利用插值解算得到任意被測未知點的偏移量，從而得到高精度標定結果。

在步驟6)中，所述的外極線約束三維散斑網格單元匹配的具體方法如下：首先利用外極線約束法對左右攝像機同一時刻采集的圖像進行兩成像基站目標散斑像點的外極線約束，確定右像面上的某一直線為左像面上目標散斑點的外極線，左像面上目標散斑點的匹配點約束在右像面的該直線上；然后按照適當尺寸對左像面、右像面進行網格劃分和網格匹配搜索，左像面上目標散斑點的網格的匹配區域一定約束在右像面上該直線的網格上，根據灰度區域相關算法將左像面上目標散斑點的網格與右像面上該直線附近的網格進行搜索匹配計算，剔除干涉網格，找出相似性最高的散斑點的網格，從而確定出該散斑點即為目標散斑點的同名散斑點。

在步驟7)中，所述的將像素坐標系轉換為分區坐標系的具體方法如下：假設步驟6)所述某一空間散斑點在該分區坐標系下的坐標為(Xw,Yw,Zw)，其投影在左像面和右像面像素坐標分別為(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，由像素坐標系轉換成分區坐標系的公式為：其中為一中間變量，P為上述左右兩個攝像機標定獲取的攝像機投影矩陣；上述兩方程組成方程組，采用最小二乘法消去中間變量求解出該空間散斑點在該分區坐標系下的坐標數據。

在步驟8)中，所述的將其他分區坐標系轉換為全局坐標系的方法如下：V_o＝R_iV_i+T_i,其中V_o為全局坐標系,V_i為第i個分區坐標系,R_i、T_i分別為第i分區坐標系轉換的旋轉矩陣和平移矩陣；旋轉矩陣R_i采用角一軸法求解，通過單一的旋轉角和所圍繞的單位向量方向來表示旋轉矩陣，即：

其中θ為單一旋轉角，(x,y,z)為旋轉角所圍繞的單位向量的方向。

在步驟9)中，所述的九點二次曲面擬合所采用的公式如下：

f(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+b₁x+b₂y+b₃z+c

上述多項式中的系數采用線性最小二乘法確定；

所述的五次多項式曲面擬合所采用的公式如下：

f(x)＝p₀x⁵+p₁x⁴+p₂x³+p₃x²+p₄x+p₅

同理多項式中的系數采用線性最小二乘法確定。

本發明提供的航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法能夠高精度、高效率、全場非接觸地測量損傷葉片的三維形貌特征，構造三維空間模型。其意義在于造型后的損傷葉片比對標準葉片尺寸參數，利用數字再制造技術對其進行修復，從而可縮短送修周期、減少修復費用，降低發動機維護成本。

附圖說明

圖1為本發明中航空發動機損傷葉片三維散斑測量系統結構圖。

圖2為本發明提供的航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法流程圖。

圖3為本發明中外極線約束三維散斑網格單元匹配原理圖。

圖4(a)和圖4(b)分別為本發明圖3中左右像面的網格匹配示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法進行詳細說明。

如圖1、圖2所示，本發明提供的航空發動機損傷葉片三維數字散斑造型方法包括按順序進行的下列步驟：

步驟1)建立航空發動機損傷葉片三維數字散斑測量系統：所述的系統包括測量旋轉臺1、兩個攝像機2、同步頻閃控制裝置3和計算機4；其中：測量旋轉臺1為放置待測散斑損傷葉片5的可控旋轉平臺；攝像機2為包含照明光源和攝像頭的圖像采集裝置，兩個攝像機2分別置于測量旋轉臺1兩側；同步頻閃控制裝置3為圖像采集同步控制裝置，分別與兩個攝像機2相連接，用于實現兩個攝像機2的圖像同步采集；計算機4分別與兩個攝像機2、測量旋轉臺1相連接，通過兩個攝像機2采集待測散斑損傷葉片5的圖像信息并進行處理；攝像機2采用同型號的工業數字攝像機；

步驟2)雙目攝像機標定：將上述圖1所示系統中的左右兩個攝像機2的主光軸的夾角設定為60°；根據雙目立體視覺原理，對兩個攝像機2進行系統標定，獲取其內外參數，得到攝像機投影矩陣；

所述的對兩個攝像機2進行系統標定的方法為非參數模型校準方法，結合攝像機成像原理及垂線法，直接建立空間不同方位與相面位置的對應關系，通過將成像平面細化分割，利用插值解算得到任意被測未知點的偏移量，從而得到高精度標定結果。

步驟3)散斑制作：在待測損傷葉片的表面噴涂黑白啞光漆，形成三維隨機空間散斑點，由此制成待測散斑損傷葉片5；

步驟4)測量分區：由測試人員將待測散斑損傷葉片5的表面劃分成多個分區并排序，并且相鄰分區間互有重疊；

步驟5)回旋待測散斑損傷葉片并采集圖像：將待測散斑損傷葉片5放置在航空發動機損傷葉片三維數字散斑測量系統的測量旋轉臺1上，并隨受計算機4控制的測量旋轉臺1間歇性旋轉；在計算機4的控制下，利用同步頻閃控制裝置3控制兩個攝像機2依次同步采集待測散斑損傷葉片5上各個分區的圖像，并傳送給計算機4；

步驟6)同名散斑點匹配：計算機4基于外極線約束三維散斑網格單元匹配方法，根據左右兩個攝像機2同一時刻采集的圖像和外極線約束條件及散斑圖像網格單元灰度相關條件，匹配出同一位姿時待測散斑損傷葉片5上空間散斑點的左像面上的目標散斑點在右像面上的同名散斑點；

所述的外極線約束三維散斑網格單元匹配的具體方法如下：首先利用外極線約束法對左右攝像機2同一時刻采集的圖像進行兩成像基站目標散斑像點的外極線約束，如圖3所示，其中O_L、O_R為左右兩個攝像機2的光心點，Ⅰ、Ⅱ分別為左右像面，M為一空間散斑點，P為干涉點，右像面Ⅱ上的直線m’m”為左像面Ⅰ上目標散斑點m的外極線，左像面Ⅰ上目標散斑點m的匹配點約束在右像面Ⅱ的直線m’m”上；然后按照適當尺寸對左像面Ⅰ、右像面Ⅱ進行網格劃分和網格匹配搜索，如圖4所示，左像面Ⅰ上目標散斑點m的網格的匹配區域一定約束在右像面Ⅱ上直線m’m”的網格上，根據灰度區域相關算法將左像面Ⅰ上目標散斑點m的網格與右像面上直線m’m”附近的網格進行搜索匹配計算，剔除干涉網格p’，找出相似性最高的散斑點m’的網格，從而確定出散斑點m’即為目標散斑點m的同名散斑點。

步驟7)各分區坐標系下空間散斑點三維坐標求解：根據步驟6)得到的左右像面上的同名散斑點，將像素坐標系轉換成分區坐標系，求解出該分區內空間散斑點在該分區坐標系的三維空間坐標數據；重復步驟6)、7)，求解出各分區坐標系下各自分區內空間散斑點的三維空間坐標數據；

所述的將像素坐標系轉換為分區坐標系的具體方法如下：假設步驟6)所述某一空間散斑點在該分區坐標系下的坐標為(Xw,Yw,Zw)，其投影在左像面Ⅰ和右像面Ⅱ的像素坐標分別為(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，由像素坐標系轉換成分區坐標系的公式為：其中為一中間變量，P為上述左右兩個攝像機2標定獲取的攝像機投影矩陣；上述兩方程組成方程組，采用最小二乘法消去中間變量求解出該空間散斑點在該分區坐標系下的坐標數據。

步驟8)全局坐標系下空間散斑點三維坐標求解：以第一分區的坐標系為全局坐標系，將其他分區坐標系轉換為全局坐標系，通過相鄰分區重疊標志點確定各分區坐標系與全局坐標系的映射關系，根據映射關系得到各分區在全局坐標系下的三維空間坐標數據，進而得到整個待測散斑損傷葉片5上所有空間散斑點在全局坐標系下的三維空間坐標數據；

所述的將其他分區坐標系轉換為全局坐標系的方法如下：V_o＝R_iV_i+T_i,其中V_o為全局坐標系,V_i為第i個分區坐標系,R_i、T_i分別為第i分區坐標系轉換的旋轉矩陣和平移矩陣；旋轉矩陣R_i采用角一軸法求解，通過單一的旋轉角和所圍繞的單位向量方向來表示旋轉矩陣，即：

其中θ為單一旋轉角，(x,y,z)為旋轉角所圍繞的單位向量的方向。

步驟9)三維空間坐標曲面擬合：由于待測散斑損傷葉片5上的空間散斑點是隨機且離散的，而建模時還需要葉盆面、葉背面、葉片型面邊緣及損傷邊界這些關鍵曲面的三維空間坐標數據，所以本步驟結合上述不同曲面精度要求及測量運算效率，在全局坐標系下利用待測散斑損傷葉片5上葉盆面、葉背面處空間散斑點的三維空間坐標數據進行九點二次曲面擬合，利用葉片型面邊緣及損傷邊界處空間散斑點的三維坐標數據進行五次多項式曲面擬合，由此獲得這些關鍵曲面的三維空間坐標數據；

所述的九點二次曲面擬合所采用的公式如下：

f(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+b₁x+b₂y+b₃z+c

上述多項式中的系數采用線性最小二乘法確定；

所述的五次多項式曲面擬合所采用的公式如下：

f(x)＝p₀x⁵+p₁x⁴+p₂x³+p₃x²+p₄x+p₅

同理多項式中的系數采用線性最小二乘法確定。

步驟10)三維數字建模：根據步驟8)獲得的空間散斑點的三維空間坐標數據以及步驟9)獲得的關鍵曲面的三維空間坐標數據，由計算機4利用其內的三維數字建模程序建立起待測散斑損傷葉片5的三維數字模型。

以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。