專利名稱：一種三維視覺現場測量量值傳遞方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于三維視覺檢測技術，涉及對三維視覺現場測量量值傳遞方法的改進。
背景技術：
在諸多檢測方法中，三維視覺檢測被廣泛應用于工件的完整性、表面平整度的測量，微電子器件(IC芯片、PC板、BGA等)的自動檢測，軟質、易碎零部件的檢測，各種模具三維形狀的檢測，以及機器人的視覺導引等。由于三維視覺檢測技術具有大量程、大視場、非接觸、測量速度快及測量精度高等特點，因此在工業(yè)環(huán)境中得到了愈來愈廣泛的應用。
在實際使用三維視覺檢測系統(tǒng)之前，需要根據系統(tǒng)的數學模型確定傳感器的量值傳遞方法，并加工相應的裝置，以確定實際觀測值與最后測量結果之間的傳遞關系，這方面已有的方法主要有(1)立體靶標法。
立體靶標法分為兩種，一種是直接加工一個立體靶(見圖2)，靶標上有一系列的特征點(如角點)在靶標坐標系下的三維空間坐標已知。對于攝像機或者雙目系統(tǒng)，可以直接利用這些特征點標定傳感器的結構參數；對于結構光傳感器，則先要將光平面投射到立體靶標表面，再根據交比不變求出靶標表面上某些光條中心點的三維空間坐標，最后根據這些光條中心點對結構光光平面的參數進行擬合。另一種立體靶標法是平面靶標加移動臺，該方法與前一種方法的唯一區(qū)別就是獲得標定點的方式不同，即通過移動臺移動平面靶標獲得一系列標定點的空間三維坐標。立體靶標法的主要缺點是①直接加工高精度的立體靶標難度大，成本高，且適用空間受限；②平面靶標加移動臺的方法需要移動臺，一方面會增加系統(tǒng)成本，另一方面很難保證靶標平面與移動方向嚴格垂直，會給標定結果帶來誤差。
(2)移動平面靶標法。
該方法根據張正友的移動平面靶標原理，在空間任意移動靶標平面，利用同射變換約束標定攝像機的內外參數。對于結構光傳感器，可根據張廣軍、周富強等人提出的自由移動平面靶標法，利用同射變換約束和交比不變原理，來標定結構光光平面的結構參數。移動平面靶標法的優(yōu)點是標定過程簡單，適用空間大，但缺點是標定精度不高。
(3)設置特征點法。
該方法利用靶標等裝置提供特征點，然后用雙經緯儀等空間三坐標測量系統(tǒng)測出特征點的空間三維坐標，再確定系統(tǒng)的傳遞關系。如對于結構光傳感器，可以利用拉絲法在空間拉起一組細絲，將結構光光平面投射到細絲上，再利用雙經緯儀系統(tǒng)測量細絲上光條中心點的空間三維坐標，然后擬合光平面方程。設置特征點法的缺點是標定過程繁瑣，受人為因素影響較大，標定精度不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有量值傳遞方法及裝置存在的不足，提出一種精度高、操作過程簡單，更適合現場測量的三維視覺檢測系統(tǒng)量值傳遞方法。
本發(fā)明的技術方案是一種三維視覺現場測量量值傳遞方法，其特征在于，使用由一個平面靶標和雙電子經緯儀構成的測量裝置，平面靶標提供標定用特征點，雙電子經緯儀用來測量平面靶標上特征點的三維空間坐標，以確定靶標平面坐標系與經緯儀坐標系之間的轉換關系，具體方法是1、對于攝像機或雙目系統(tǒng)，主要是利用一系列靶標標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標標定攝像機的針孔成像模型，即ρuv1=ARTxwywzw1]]>其中，A為攝像機內部參數矩陣，R為旋轉矩陣，T為平移向量；在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，靶標坐標系Xb與經緯儀坐標系Xj之間的轉換關系表示為Xj＝RbXb+Tb(1)利用經緯儀測量靶標上任意三個不共線的特征點的空間坐標，可以求得[RbTb]＝BHT(HHT)-1(2)
其中，H=X1bX2bX3b111---(3)]]>B＝X1jX2jX3j (4)Xib為點i(i＝1，2，3)在靶標坐標系下的三維坐標，Xij為點i(i＝1，2，3)在經緯儀坐標系下的三維坐標，則根據式1可以求出靶標上其它特征點在經緯儀坐標系下的三維坐標。根據這些標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標，利用Tsai的非共面算法就可以標定出攝像機或雙目系統(tǒng)的結構參數；具體算法見R.Y.Tsai的論文A Versatile CameraCalibration Technique for High-Accuracy 3D Machine VisionMetrology Using Off-the-Shelf TV Cameras and Lenses，IEEE Journalof Robotics and Automation，Vol.RA-3，No.4，1987，pp.323-344；2、對于結構光傳感器，除了標定攝像機的結構參數以外，還需要利用交比不變標定結構光光平面方程，即a·xw+b·yw+c·zw+d＝0 (5)交比不變的原理為平面π1上有三條非重合直線AiBiCi(i＝1，2，3)，直線D1D2D3與這三條直線分別交于點D1、D2、D3。通過透視投影中心O，它們在平面π2上的像分別為Ai′Bi′Ci′和D1′D2′D3′。共線四點的交比定義為r(A,B,C,D)=ACCB/ADDB---(6)]]>根據透視投影變換下交比不變原理，有下式成立r(Ai，Bi，Ci，Di)＝r′(Ai′，Bi′，Ci′，Di′) (7)則根據點Ai、Bi、Ci及點Ai′、Bi′、Ci′、Di′的坐標，利用式7即可求得Di的坐標；在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，先根據式2，利用靶標上任意三個不共線標定點的空間坐標求出靶標坐標系與經緯儀坐標系之間的空間轉換關系，然后利用交比不變，求出靶標平面上光條中心點在靶標坐標系下的坐標，并根據式1，求出這些點在經緯儀坐標系下的空間坐標，最后利用最小二乘法對結構光光平面進行擬合。
一種使用上述方法的三維視覺現場測量量值傳遞裝置，其特征在于，它由一個平面靶標和雙電子經緯儀構成。
本發(fā)明的優(yōu)點是
(1)相對于立體靶標，加工高精度的平面靶標難度小，成本低；(2)相對于移動平面靶標法，該方法的標定精度高；(3)相對于設置特征點法，該方法的操作過程簡單，對于每個位置的靶標平面，只需要利用經緯儀測量其中三個標定點的空間坐標，工作量小，更適于現場應用。


圖1是交比不變的原理圖。
圖2是現有的一種立體靶標結構示意圖。
圖3是本發(fā)明量值傳遞標定方法所使用的裝置示意圖。
圖4是現有的一種平面靶標結構示意圖。
圖5是為雙目系統(tǒng)標定而設計的平面靶標示意圖。
圖6是為結構光傳感器標定而設計的平面靶標示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明的量值傳遞方法基于平面靶標和雙經緯儀，相應的裝置如圖3所示，主要由一個平面靶標和雙電子經緯儀構成。其中，平面靶標主要是用來提供標定用特征點，如角點，參見圖4。雙電子經緯儀主要用來測量平面靶標上某些特征點的三維空間坐標，測量3個特征點即可，以確定靶標平面坐標系與經緯儀坐標系之間的轉換關系。
本發(fā)明的具體方法是1、對于攝像機或雙目系統(tǒng)，主要是利用一系列靶標標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標標定攝像機的針孔成像模型，即ρuv1=ARTxwywzw1]]>其中，A為攝像機內部參數矩陣，R為旋轉矩陣，T為平移向量。
在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，靶標坐標系Xb與經緯儀坐標系Xj之間的轉換關系表示為Xj＝RbXb+Tb(1)利用經緯儀測量靶標上任意三個不共線的特征點的空間坐標，可以求得[RbTb]＝BHT(HHT)-1(2)
其中，H=X1bX2bX3b111---(3)]]>B＝X1jX2jX3j(4)Xib為點i(i＝1，2，3)在靶標坐標系下的三維坐標，Xij為點i(i＝1，2，3)在經緯儀坐標系下的三維坐標，則根據式1可以求出靶標上其它特征點在經緯儀坐標系下的三維坐標。根據這些標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標，利用Tsai的非共面算法就可以標定出攝像機或雙目系統(tǒng)的結構參數。(具體算法見R.Y.Tsai的論文A Versatile CameraCalibration Technique for High-Accuracy 3D Machine VisionMetrology Using Off-the-Shelf TV Cameras and Lenses，IEEE Journalof Robotics and Automation，Vol.RA-3，No.4，1987，pp.323-344)2、對于結構光傳感器，除了標定攝像機的結構參數以外，還需要利用交比不變標定結構光光平面方程，即a·xw+b·yw+c·zw+d＝0 (5)交比不變的原理如圖1所示。平面πi上有三條非重合直線AiBiCi(i＝1，2，3)，直線D1D2D3與這三條直線分別交于點D1、D2、D3。通過透視投影中心O，它們在平面π2上的像分別為Ai′Bi′Ci′和D1′D2′D3′。共線四點的交比定義為r(A,B,C,D)=ACCB/ADDB---(6)]]>根據透視投影變換下交比不變原理，有下式成立r(Ai，Bi，Ci，Di)＝r′(Ai′，Bi′，Ci′，Di′) (7)則根據點Ai、Bi、Ci及點Ai′、Bi′、Ci′、Di′的坐標，利用式7即可求得Di的坐標。
在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，先根據式2，利用靶標上任意三個不共線標定點的空間坐標求出靶標坐標系與經緯儀坐標系之間的空間轉換關系，然后利用交比不變，求出靶標平面上光條中心點在靶標坐標系下的坐標，并根據式1，求出這些點在經緯儀坐標系下的空間坐標，最后利用最小二乘法對結構光光平面進行擬合。
實施例1、雙目系統(tǒng)標定實施例對于雙目系統(tǒng)，主要標定的是攝像機的內外參數。圖5是為雙目系統(tǒng)標定設計的平面靶標圖像，該靶標表面共有35×19個X型標定點，縱橫方向上每相鄰兩點的間距為1.5mm。具體的標定步驟如下(1)在標定空間內任意放置靶標平面，打開每一目攝像機電源進行拍攝，并將圖象存儲在計算機中；(2)利用雙經緯儀系統(tǒng)，測量靶標表面上任意三個不共線標定點的空間坐標，結合其在靶標坐標系下的坐標，求出靶標坐標系到經緯儀坐標系的空間轉換關系；(3)對每一目攝像機，提取所拍圖像中標定點的圖像坐標，并根據空間轉換關系，求出這些標定點在經緯儀坐標系下的空間坐標；(4)移動靶標平面，重復步驟1-3；(5)根據標定點的二維圖像坐標及其在經緯儀坐標系下的三維空間坐標，利用Tsai的非共面算法分別求出每一目攝像機的內外參數；(具體算法見R.Y.Tsai的論文A Versatile Camera Calibration Techniquefor High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-ShelfTV Cameras and Lenses，IEEE Journal of Robotics and Automation，Vol.RA-3，No.4，1987，pp.323-344)標定結果攝像機1內部參數矩陣A=5045.1880256.02105054.801127.387001]]>外部參數R=0.823-0.1190.556-0.1520.8960.418-0.548-0.4290.719,]]>T=-25.4341.660544.004]]>結果精度mean＝0.242 pixel，max＝1.092 pixel攝像機2內部參數矩陣
A=4468.2380254.19704447.008145.249001]]>外部參數R=0.8070.0640.5870.1760.923-0.343-0.5640.3800.733,]]>T=-25.046-10.404496.429]]>結果精度mean＝0.223 pixel，max＝0.606 pixel2、雙結構光傳感器標定實施例對于結構光傳感器，主要標定的是攝像機的內外參數和結構光光平面方程。圖6是為雙結構光傳感器系統(tǒng)標定設計的平面靶標圖像，該靶標表面共有23×11個柵格型標定點，縱橫方向上每相鄰兩點的間距為2.5mm。具體的標定步驟如下(1)在標定空間內任意放置靶標平面，打開攝像機電源進行拍攝，并將圖象存儲在計算機中；(2)利用雙經緯儀系統(tǒng)，測量靶標表面上任意三個不共線標定點的空間坐標，結合其在靶標坐標系下的坐標，求出靶標坐標系到經緯儀坐標系的空間轉換關系；(3)打開激光器電源，光條投射到靶標表面，拍攝圖像，存在計算機中；(4)提取所拍圖像中的標定點的圖像坐標，并根據空間轉換關系，求出這些標定點在經緯儀坐標系下的空間坐標；(5)提取圖像中光條與柵格線的交點，并根據交比不變，求出這些點在靶標平面上的坐標，再根據空間轉換關系，求出這些點在經緯儀坐標系下的空間坐標；(6)移動靶標平面，重復步驟1-5；(7)根據標定點的二維圖像坐標及其在經緯儀坐標系下的三維空間坐標，利用Tsai的非共面算法求出攝像機的內外參數；(具體算法見R.Y.Tsai的論文A Versatile Camera Calibration Technique forHigh-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-Shelf TVCameras and Lenses，IEEE Journal of Robotics and Automation.Vol.RA-3，No.4，1987，pp.323-344)(8)根據光條中心點的空間坐標，利用最小二乘法對結構光平面進行擬合。
標定結果傳感器1攝像機內部參數矩陣A=4641.9600255.74904621.262128.712001]]>外部參數R=0.829-0.3680.4220.2970.9280.225-0.474-0.0610.878,]]>T=8.634-10.779474.519]]>結構光光平面方程系數[a b c d]＝[-0.187 0.121 -0.128 0.967]結果精度mean＝0.068mm，max＝0.132mm傳感器2攝像機內部參數矩陣A=4329.1590256.08604320.650121.710001]]>外部參數R=0.8700.221-0.441-0.1320.9660.2230.475-0.1360.869,]]>T=-25.670-6.417441.111]]>結構光光平面方程系數[a b c d]＝[-0.066 -0.054 0.041 0.996]結果精度mean＝0.043mm，max＝0.057mm。
權利要求
1.一種三維視覺現場測量量值傳遞方法，其特征在于，使用由一個平面靶標和雙電子經緯儀構成的測量裝置，平面靶標提供標定用特征點，雙電子經緯儀用來測量平面靶標上特征點的三維空間坐標，以確定靶標平面坐標系與經緯儀坐標系之間的轉換關系，具體方法是1.1、對于攝像機或雙目系統(tǒng)，主要是利用一系列靶標標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標標定攝像機的針孔成像模型，即ρuv1=ARTxwywzw1]]>其中，A為攝像機內部參數矩陣，R為旋轉矩陣，T為平移向量；在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，靶標坐標系Xb與經緯儀坐標系Xj之間的轉換關系表示為Xj＝RbXb+Tb(1)利用經緯儀測量靶標上任意三個不共線的特征點的空間坐標，可以求得[RbTb]＝BHT(HHT)-1(2)其中，H=X1bX2bX3b111---(3)]]>B＝X1jX2jX3j (4)Xib為點i(i＝1，2，3)在靶標坐標系下的三維坐標，Xij為點i(i＝1，2，3)在經緯儀坐標系下的三維坐標，則根據式1可以求出靶標上其它特征點在經緯儀坐標系下的三維坐標；根據這些標定點的三維空間坐標及其二維圖像坐標，利用Tsai的非共面算法就可以標定出攝像機或雙目系統(tǒng)的結構參數；1.2、對于結構光傳感器，除了標定攝像機的結構參數以外，還需要利用交比不變標定結構光光平面方程，即a·xw+b·yw+c·zw+d＝0 (5)交比不變的原理為平面π1上有三條非重合直線AiBiCi(i＝1，2，3)，直線D1D2D3與這三條直線分別交于點D1、D2、D3，通過透視投影中心O，它們在平面π2上的像分別為Ai′Bi′Ci′和D1′D2′D3′，共線四點的交比定義為r(A,B,C,D)=ACCB/ADDB---(6)]]>根據透視投影變換下交比不變原理，有下式成立r(Ai，Bi，Ci，Di)＝r′(Ai′，Bi′，Ci′，Di′)(7)則根據點Ai、Bi、Ci及點Ai′、Bi′、Ci′、Di′的坐標，利用式7即可求得Di的坐標；在標定空間內隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，先根據式2，利用靶標上任意三個不共線標定點的空間坐標求出靶標坐標系與經緯儀坐標系之間的空間轉換關系，然后利用交比不變，求出靶標平面上光條中心點在靶標坐標系下的坐標，并根據式1，求出這些點在經緯儀坐標系下的空間坐標，最后利用最小二乘法對結構光光平面進行擬合。
2.使用如權利要求1所述方法的三維視覺現場測量量值傳遞裝置，其特征在于，它由一個平面靶標和雙電子經緯儀構成。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維視覺檢測技術，涉及對三維視覺現場測量量值傳遞方法的改進。對于攝像機或雙目系統(tǒng)，隨機移動靶標平面，對于每一個位置的靶標平面，先測量其中任意三個不共線的特征點的空間坐標，求出靶標平面坐標系與經緯儀坐標系之間的轉換關系，從而得到一系列標定點的空間三維坐標。本發(fā)明相對于立體靶標，所用的平面靶標難度小，成本低；相對于移動平面靶標法，本發(fā)明的標定精度高；相對于設置特征點法，本發(fā)明的操作過程簡單，工作量小，更適于現場應用。
文檔編號G01B11/00GK1896679SQ20051008276
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月12日 優(yōu)先權日2005年7月12日
發(fā)明者張廣軍, 陳大志, 王穎, 魏振忠 申請人:北京航空航天大學