專利名稱：一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)和測量方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代加工制造和生產(chǎn)作業(yè)的發(fā)展需要，小尺寸在線測量已逐漸受到國 內(nèi)外高度重視。在小尺寸測量中，位于受限空間內(nèi)的小型物體表面的三維測量
具有代表性，如口腔牙齒取模、發(fā)動機(jī)內(nèi)微小零、部件表面、集成IC芯片的綜
合幾何參數(shù)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)微型飛輪表面測量以及工作狀態(tài)的小型機(jī)械零部件磨損 測量等。這些構(gòu)件一般尺寸較小，更為關(guān)鍵的是位于受限空間內(nèi)，且有些零部 件具有不可拆卸性。因此，研究能夠?qū)崿F(xiàn)受限空間內(nèi)小型物體三維在線非接觸 測量，甚至能夠嵌入集成到加工制造系統(tǒng)中的小型三維測量設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代 加工制造業(yè)和生產(chǎn)作業(yè)的迫切要求。
基于光學(xué)三角法的結(jié)構(gòu)光視覺檢測以其測量的非接觸性、速度快和精度適 中等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了現(xiàn)代工業(yè)對檢測的要求。將結(jié)構(gòu)光視覺用于生產(chǎn)過程 的監(jiān)控和測量已成為解決許多在線問題最有效的途徑。結(jié)構(gòu)光視覺檢測不僅很 好的解決了手工離線測量中勞動強(qiáng)度大、測量效率低、精度差等問題，而且避 免了在線接觸式測量系統(tǒng)中傳感器極易損壞的問題，目前被廣泛應(yīng)用于零件的 表面形貌檢測。
但是，傳統(tǒng)的光學(xué)三角法直接采用由攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)光投射器和被測物體構(gòu) 成三角關(guān)系，結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器中的結(jié)構(gòu)光投射器和攝像機(jī)之間的橫向尺 寸要求，使得傳感器本身體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)和測 量方法，本發(fā)明所說的鏡像式結(jié)抅光視覺測量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光視覺傳感器、計算 機(jī)、圖像采集卡和標(biāo)定靶標(biāo)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由一個攝像機(jī)、 一個線結(jié) 構(gòu)光投射器和三個反射鏡組成。結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的前端可進(jìn)入受限空間，獲 被測物表面圖像。根據(jù)鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過測量點(diǎn)的 圖像坐標(biāo)，計算出測量點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，從而得到物體表面三維信息。減 小結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的結(jié)構(gòu)光投射器與攝像機(jī)之間的橫向間距，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光 視覺傳感器的小型化，為受限空間內(nèi)物體表面的測量提供一種技術(shù)手段。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)，其特征在于，
1、 它由結(jié)構(gòu)光視覺傳感器7、計算機(jī)、圖像采集卡和標(biāo)定靶標(biāo)[8]組成，結(jié) 構(gòu)光視覺傳感器7由結(jié)構(gòu)光投射器1、反射鏡2、 3和4以及攝像機(jī)6組成；圖 像釆集卡安裝在計算機(jī)內(nèi)；被測物5在平面反射鏡4反射光路方向上距離底板 邊緣5 20mm處；
2、 結(jié)構(gòu)光投射器1投射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)平面反射鏡2、 3和4反射后投射到被 測物5的表面，其反射光線經(jīng)反射鏡4反射后被攝像機(jī)6接收；
3、 所說的標(biāo)定靶標(biāo)8為一個二維平面，靶標(biāo)上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，在靶 標(biāo)平面上布置成矩陣排列的黑色方塊，黑色方塊數(shù)量為4~16個，黑色方塊的邊 長為2mm，其邊長精度為0.01mm，黑色方塊之間的距離2mm，其精度為O.Olmm， 選取乾面上方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)，特征點(diǎn)數(shù)量為16 64個。
使用如上所述的鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行小型物體表面三維測量的 方法，其特征在于，測量過程分為標(biāo)定階段和測量階段，進(jìn)行一次標(biāo)定后可連 續(xù)測量，具體步驟如下
1、標(biāo)定階段
1.1、 將結(jié)構(gòu)光投射器1和攝像機(jī)6固緊；調(diào)整攝像機(jī)鏡頭焦距，保證在反 射鏡4反射光路方向上距離底板邊緣5~20mm范圍內(nèi)的物體所成圖像較為清晰； 調(diào)整反射鏡2、 3和4,保證結(jié)構(gòu)光投射到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)；調(diào)整完后，將反 射鏡2、 3和4固緊；
1.2、 標(biāo)定攝像機(jī)6的內(nèi)部參數(shù)，具體步驟如下
第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，自由移動靶標(biāo)8至少3個位置，每移動 一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像，靶標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含 在拍攝圖像內(nèi)；
第二步，提取所有攝像機(jī)標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并與特征點(diǎn)的世 界坐標(biāo)對應(yīng)；
第三步，利用第二步提取的所有特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對應(yīng)的世界坐標(biāo)來標(biāo) 定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù)；
1.3、 獲得結(jié)構(gòu)光光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程，具體步驟如下 第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，打開結(jié)構(gòu)光投射器1的電源，使結(jié)構(gòu)光
投射的光條經(jīng)過平面靶標(biāo)特征區(qū)域，拍攝一幅圖像，稱為光平面標(biāo)定圖像，靶 標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含在拍攝圖像內(nèi)；將投射在靶標(biāo)平面上的直線光條中心 線上的點(diǎn)稱為控制點(diǎn)；第二步，根據(jù)攝像機(jī)的畸變模型，校正光平面標(biāo)定圖像的畸變，得到無畸 變光平面標(biāo)定圖像；
第三步，提取無畸變光平面標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模 型，計算靶標(biāo)特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)，利用特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)及對應(yīng)的世界坐標(biāo)， 計算靶標(biāo)平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程；提取無畸變光平面標(biāo)定圖像中的控制 點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，計算控制點(diǎn)的投影坐標(biāo)；
第四步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和控制點(diǎn)的投影點(diǎn)確
定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；
第五步，將靶標(biāo)8自由放置到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)的不同位置，釆用第一步 到第四步敘述的方法，計算更多非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；靶標(biāo)放置位 置數(shù)量為2 5;
第六步，利用所有非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，擬合平面得到光平面 在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程；
1.4、將標(biāo)定好的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、結(jié)構(gòu)光光平面方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù) 文件中，以備測量階段調(diào)用；
2、測量階段
2.1、 將被測物放置在攝像機(jī)視場范圍內(nèi)，拍攝一幅圖像，稱為被測物圖像； 將投射在被測物體表面上的光條中心線上的點(diǎn)稱為測量點(diǎn)；
2.2、 計算被測物表面點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，具體步驟為
第一步，提取被測物圖像中的測量點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，校正測量點(diǎn)的畸變，根 據(jù)攝像機(jī)模型，計算測量點(diǎn)的投影坐標(biāo)；
第二步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和測量點(diǎn)的投影點(diǎn)確 定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到測量點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；保存測量點(diǎn)的攝 像機(jī)三維坐標(biāo)；
2.3、 重復(fù)步驟2.1 2.2,進(jìn)行新的被測物表面三維測量。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
第一、釆用反射鏡構(gòu)成虛擬三角測量位置關(guān)系，減小了視覺傳感器中的結(jié)
構(gòu)光投射器與攝像機(jī)間的橫向間距，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光傳感器的小型化；
第二、利用反射鏡改變光路，使得傳感器與被測物之間的測量工作距離減 小，傳感器能夠測量平行于攝像機(jī)光軸的被測對象，為結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)入受限 空間奠定了基礎(chǔ)；
第三、通過改變反射鏡的擺放角度，可以改變虛擬攝像機(jī)和虛擬激光器之間的距離，在增大傳感器基線距的同時，不會導(dǎo)致傳感器的體積增大，增加了 傳感器的靈活性；
第四、標(biāo)定過程中，只需一個平面靶標(biāo)即可進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和結(jié)構(gòu)光
光平面的標(biāo)定，標(biāo)定過程簡單，減小了工作量，適用于現(xiàn)場標(biāo)定；
第五、投射到靶標(biāo)平面上的直線光條中心線上的點(diǎn)都可以作為控制點(diǎn)，大
大地增加了控制點(diǎn)的數(shù)量，可以提高結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標(biāo)定精度；
第六、測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量效率高，測量精度較高，自動化程度高。


圖l是鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)示意圖。圖1中，l是結(jié)構(gòu)光投射器，2、 3、 4是反射鏡，5是被測物，6是攝像機(jī)，7是鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。 圖2是二維平面靶標(biāo)示意圖。圖2中，8是靶標(biāo)體。
圖3是虛擬三角測量位置關(guān)系示意圖。圖3中，9是虛擬結(jié)構(gòu)光投射器，10 是虛擬攝像機(jī)，5是被測物，由5、 9、 IO構(gòu)成虛擬三角測量位置關(guān)系。
圖4是鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明基于計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)， 采用平面反射鏡調(diào)整光路，將結(jié)構(gòu)光投射器、攝像機(jī)與平面反射鏡集成在一個 較小的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器內(nèi)，使其能夠進(jìn)入受限空間進(jìn)行測量。
本發(fā)明鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)基本原理如圖1所示，它由結(jié)構(gòu)光視覺 傳感器7、計算機(jī)、圖像釆集卡和標(biāo)定靶標(biāo)8組成，結(jié)構(gòu)光視覺傳感器7由結(jié)構(gòu) 光投射器1、反射鏡2、 3和4以及攝像機(jī)6組成。圖像采集卡安裝在計算機(jī)內(nèi)。 被測物5在反射鏡4反射光路方向上距離底板邊緣5~20mm處。
結(jié)構(gòu)光投射器1投射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)反射鏡2、 3和4反射后投射到被測物5的 表面，其反射光線經(jīng)反射鏡4反射后被攝像機(jī)6接收。
所說的標(biāo)定靶標(biāo)8為一個二維平面，靶標(biāo)上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，在靶標(biāo) 平面上布置成矩陣排列的黑色方塊，黑色方塊數(shù)量為4~16個，黑色方塊的邊長 為2mm,其邊長精度為0.01mm，黑色方塊之間的距離2mm，其精度為O.Olmm， 選取乾面上方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)，特征點(diǎn)數(shù)量為16 64個。
鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量的工作原理為由攝像機(jī)拍攝帶有光條的被測物圖 像，由圖像處理提取光條中心線的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)與結(jié)構(gòu)光光 平面方程，由光條中心線的圖像坐標(biāo)計算光條中心線的空間三維坐標(biāo)。
如圖4所示，oc — ;^ycZc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，ow — Xw3^Zw為建立在靶標(biāo)上的世界坐標(biāo)系，Ou — ^:^為無畸變圖像坐標(biāo)系，0 —^^為投影坐標(biāo)系。T^為投 影平面，7Tu為理想圖像平面，7T,為投射光平面。點(diǎn)0p是直線0cZc與7Tu的交點(diǎn)，
稱為攝像機(jī)的主點(diǎn)。定義OcXc II ouxu II o xn， ocyc II ouyu || onyn， oczc丄丌 和
7Tnll7Tu。任意空間點(diǎn)&的世界坐標(biāo)為Xw,Owi,:^,^0T,攝像機(jī)坐標(biāo)為
XCi = Oci,yci,zd)T,對應(yīng)的投影點(diǎn)為pi。貝'jow — XwywZw到Oc — &;^々的變換為
<formula>formula see original document page 8</formula> [1]
其中R了為3x3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣，T7為3xl的平移矢量。 設(shè)點(diǎn)a的投影坐標(biāo)為X^ = (^,l)t，無畸變圖像坐標(biāo)為X^ = (xui,yui)T， 攝像機(jī)在x、 y方向上的有效焦距為^和/y，攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)為(u。,x;。)，則有
<formula>formula see original document page 8</formula> [2]
<formula>formula see original document page 8</formula> [3]
若考慮攝像機(jī)鏡頭的一次和二次徑向畸變，設(shè)點(diǎn)a的畸變圖像坐標(biāo)為
Xdi = (xdi,ydi)T，則有
<formula>formula see original document page 8</formula> [4]
其中<formula>formula see original document page 8</formula>， Zq和/C2為徑向畸變系數(shù)。
設(shè)<formula>formula see original document page 8</formula>為光平面的單位法向矢量，Xd為光平面上控制點(diǎn)的三維
攝像機(jī)坐標(biāo)，則光平面7T,在C^-&》々下的方程為
<formula>formula see original document page 8</formula> [5]
其中c為常數(shù)項(xiàng)。
公式[1 ] ~ [ 4 ]表示了空間點(diǎn)到實(shí)際圖像坐標(biāo)的投影模型，空間任意點(diǎn)可以確定 惟一圖像投影點(diǎn)。反之，如果已知攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，根據(jù)公式[1] [4],由實(shí)際圖
像坐標(biāo)可以求得空間點(diǎn)的投影坐標(biāo)，從而獲得投影點(diǎn)在Oe—Xe》^下的坐標(biāo)。
根據(jù)鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的測量模型和本發(fā)明的測量原理，鏡像式結(jié) 構(gòu)光視覺測量分為測量系統(tǒng)模型參數(shù)標(biāo)定和根據(jù)模型進(jìn)行測量兩個階段。 本發(fā)明測量系統(tǒng)模型參數(shù)標(biāo)定的具體步驟如下
1、將結(jié)構(gòu)光投射器1和攝像機(jī)6固緊；調(diào)整攝像機(jī)鏡頭焦距，保證在反射 鏡4反射光路方向上距離底板邊緣5 20mm范圍內(nèi)的物體所成圖像較為清晰； 調(diào)整反射鏡2、 3和4，保證結(jié)構(gòu)光投射到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)；調(diào)整完后，將反 射鏡2、 3和4固緊。2、 標(biāo)定攝像機(jī)6的內(nèi)部參數(shù)，具體步驟如下
第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，自由移動靶標(biāo)8至少3個位置，每移動 一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像，靶標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含 在拍攝圖像內(nèi)。
第二步，提取所有攝像機(jī)標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并與特征點(diǎn)的世 界坐標(biāo)對應(yīng)。特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)自動提取算法參見周富強(qiáng)著《雙目立體視覺檢測 的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報告，2002。
第三步，利用步驟2中的第二步提取的所有特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對應(yīng)的世 界坐標(biāo)來標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù)。
根據(jù)公式[1] [4]表示的攝像機(jī)實(shí)際模型，利用特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)X^，得到 特征點(diǎn)的計算圖像坐標(biāo)X^ = [x^y^]T 。若攝像機(jī)參數(shù)不夠準(zhǔn)確，則X^與A^ 存在誤差，由此可以建立攝像機(jī)校準(zhǔn)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
/(A,/y,"0,"。,、'^^,T7) = i;f=1d2(X^Xdi) [6]
其中d (x^, x&)表示計算投影點(diǎn)到實(shí)際投影點(diǎn)的距離。攝像機(jī)參數(shù)的初始值
估計參見周富強(qiáng)著《雙目立體視覺檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博
士后研究工作報告，2002。
根據(jù)公式[6]可以估算出全部攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括A,/y,u。,i^"， /c2， 和T^。若攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)已知，則根據(jù)公式[6],采用Levenberg - Marquardt 非線性優(yōu)化方法可以直接估計攝像機(jī)的外部參數(shù)(R^和Tcw)。 Levenberg -Marquardt算法參見《最優(yōu)化理論與方法》，(袁亞湘、孫文瑜著，科學(xué)出版社， 1999年)。
3、 獲得結(jié)構(gòu)光光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程，具體步驟如下 第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，打開結(jié)構(gòu)光投射器1的電源，使結(jié)構(gòu)光
投射的光條經(jīng)過平面靶標(biāo)特征區(qū)域，拍攝一幅圖像，稱為光平面標(biāo)定圖像，靶 標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含在拍攝圖像內(nèi)。將投射在靶標(biāo)平面上的直線光條中心 線上的點(diǎn)稱為控制點(diǎn)。
第二步，根據(jù)公式[4]表示的攝像機(jī)畸變模型，校正光平面校準(zhǔn)圖像的畸變，
得到無畸變光平面校準(zhǔn)圖像。畸變校正算法參見周富強(qiáng)著《雙目立體視覺檢測 的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報告，2002。
第三步，提取無畸變光平面標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，特征點(diǎn)提取方 法同步驟3中的第二步。根據(jù)公式[2]和公式[3]，計算特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)。提取 控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，計算控制點(diǎn)的投影坐標(biāo)。根據(jù)公式[1]和[6]，已知攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，利用特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)及對應(yīng) 的靶標(biāo)平面上的世界坐標(biāo)，計算靶標(biāo)平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程。
提取無畸變光平面標(biāo)定圖像中的直線光條中心線的圖像坐標(biāo)，選取直線光 條上的點(diǎn)為控制點(diǎn)。直線光條的提取方法參見周富強(qiáng)等的發(fā)明專利"一種三步
法結(jié)構(gòu)光直線光條的圖像特征提取方法"，申請?zhí)?00710179025.2，公開曰 2008年5月M日。根據(jù)公式[2]和[3]，計算控制點(diǎn)的投影坐標(biāo)。
第四步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和控制點(diǎn)的投影點(diǎn)確 定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)。
第五步，將靶標(biāo)8自由放置到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)的不同位置，釆用第一步 到第四步敘述的方法，計算更多非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)。乾標(biāo)放置位 置數(shù)量為2 5。
第六步，利用所有非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，擬合平面得到光平面 在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程。
4、 將標(biāo)定好的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、結(jié)構(gòu)光光平面方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文 件中，以備測量階段調(diào)用。
測量系統(tǒng)的參數(shù)只需要標(biāo)定一次，標(biāo)定好測量系統(tǒng)后，就可以進(jìn)行物體表 面三維檢測。被測物表面點(diǎn)三維坐標(biāo)的具體測量步驟如下
5、 將被測物放置在攝像機(jī)視場范圍內(nèi)，拍攝一幅圖像，稱為被測物圖像； 將投射在被測物體表面上的光條中心線上的點(diǎn)稱為測量點(diǎn)；
6、 計算被測物表面點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，具體步驟為
第一步，提取被測物圖像中的測量點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，校正測量點(diǎn)的畸變，根 據(jù)攝像機(jī)模型，計算測量點(diǎn)的投影坐標(biāo)。
測量點(diǎn)的圖像坐標(biāo)提取方法同步驟3中的第二步的特征點(diǎn)的提取。根據(jù)公 式[4],采用三次迭代，校正測量點(diǎn)的畸變。根據(jù)公式[2]和[3]，計算測量點(diǎn)的投 影坐標(biāo)。
第二步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和測量點(diǎn)的投影點(diǎn)確 定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到測量點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)。保存測量點(diǎn)的攝 像機(jī)三維坐標(biāo)。
7、 重復(fù)步驟5 6,進(jìn)行新的被測物表面的三維測量。 實(shí)施例
釆用臺灣敏通公司的MTC-54C0PI型CCD攝像機(jī)、西安華科光電公司的 LI650-2.5-3(5)型紅光一字線狀光斑激光器和加拿大Matrox公司生產(chǎn)的Meter-II圖像采集卡等組成鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)。圖像分辨率為768 x 576像素。 采用如圖2所示的二維平面實(shí)體靶標(biāo)8,對鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)參數(shù) 進(jìn)行標(biāo)定。靶標(biāo)的方塊數(shù)量為3x3，方塊的邊長為2mm，間距為2mm,邊長和 間距的精度為0.01mm。
標(biāo)定后的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)如下
<formula>formula see original document page 11</formula>
光平面方程為
<formula>formula see original document page 11</formula>
為了評估標(biāo)定后的鏡像式結(jié)構(gòu)鋼視覺測量系統(tǒng)的測量精度，利用標(biāo)定好的 測量系統(tǒng)，將視覺傳感器的光平面投射在如圖2所示的靶標(biāo)平面上，投射光條 經(jīng)過每個黑色方塊形成2個測量點(diǎn)，測量點(diǎn)的圖像坐標(biāo)可以由共線的特征點(diǎn)擬 合直線與光條直線相交獲得，測量點(diǎn)的世界坐標(biāo)可以通過交比不變的方法，由 至少3個與測量點(diǎn)共線的特征點(diǎn)計算得到，利用交比不變獲得的測量點(diǎn)世界坐 標(biāo)計算兩點(diǎn)之間的距離，作為標(biāo)準(zhǔn)值。通過標(biāo)定后的視覺傳感器測量得到2個 測量點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，用攝像機(jī)坐標(biāo)計算2點(diǎn)之間的距離，并與交比不變 方式計算的距離進(jìn)行比較，采用距離差值來評價視覺傳感器的測量精度。根據(jù) 上述描述的方法，在傳感器的測量范圍內(nèi)的不同位置，進(jìn)行10次試驗(yàn)，然后計 算所有的距離誤差的均方根誤差，即RMS誤差為0.06mm。
權(quán)利要求
1、一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)，其特征在于，1. 1、它由結(jié)構(gòu)光視覺傳感器[7]、計算機(jī)、圖像采集卡和標(biāo)定靶標(biāo)[8]組成；結(jié)構(gòu)光視覺傳感器[7]由結(jié)構(gòu)光投射器[1]、反射鏡[2]、[3]和[4]以及攝像機(jī)[6]組成；圖像采集卡安裝在計算機(jī)內(nèi)；被測物[5]在反射鏡[4]反射光路方向上距離底板邊緣5～20mm處；1. 2、結(jié)構(gòu)光投射器[1]投射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)反射鏡[2]、[3]和[4]反射后投射到被測物[5]表面，其反射光線經(jīng)反射鏡[4]反射后被攝像機(jī)[6]接收；1. 3、所說的標(biāo)定靶標(biāo)[8]為一個二維平面，靶標(biāo)上有預(yù)先設(shè)置的特征點(diǎn)，在靶標(biāo)平面上布置成矩陣排列的黑色方塊，黑色方塊數(shù)量為4～16個，黑色方塊的邊長為2mm，其邊長精度為0.01mm，黑色方塊之間的距離2mm，其精度為0.01mm，選取靶面上方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)，特征點(diǎn)數(shù)量為16～64個。
2、 使用如權(quán)利要求1所述的鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行小型物體表面 三維測量的方法，其特征在于，測量過程分為標(biāo)定階段和測量階段，進(jìn)行一次 標(biāo)定后可連續(xù)測量，具體步驟如下2.1、標(biāo)定階段2丄1、將結(jié)構(gòu)光投射器[1]和攝像機(jī)[6]固緊；調(diào)整攝像機(jī)鏡頭焦距，保證在 反射鏡[4]反射光路方向上距離底板邊緣5 20mm范圍內(nèi)的物體所成圖像較為清 晰；調(diào)整反射鏡[2]、 [3]和[4],保證結(jié)構(gòu)光投射到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)；調(diào)整完后， 將反射鏡[2]、 [3]和[4]固緊;2丄2、標(biāo)定攝像機(jī)[6]的內(nèi)部參數(shù)，具體步驟如下第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，自由移動靶標(biāo)[8]至少3個位置，每移動 一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像，靶標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含 在拍攝圖像內(nèi)；第二步，提取所有攝像機(jī)標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并與特征點(diǎn)的世 界坐標(biāo)對應(yīng)；第三步，利用第二步提取的所有特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對應(yīng)的世界坐標(biāo)來標(biāo) 定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù)；2丄3、獲得結(jié)構(gòu)光光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程，具體步驟如下 第一步，在攝像機(jī)的視場范圍內(nèi)，打開結(jié)構(gòu)光投射器[l]的電源，使結(jié)構(gòu)光 投射的光條經(jīng)過平面靶標(biāo)特征區(qū)域，拍攝一幅圖像，稱為光平面標(biāo)定圖像，靶 標(biāo)上所有的特征點(diǎn)應(yīng)包含在拍攝圖像內(nèi)；將投射在靶標(biāo)平面上的直線光條中心 線上的點(diǎn)稱為控制點(diǎn)；第二步，根據(jù)攝像機(jī)的畸變模型，校正光平面標(biāo)定圖像的畸變，得到無畸 變光平面標(biāo)定圖像；第三步，提取無畸變光平面標(biāo)定圖像的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模 型，計算靶標(biāo)特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)，利用特征點(diǎn)的投影坐標(biāo)及對應(yīng)的世界坐標(biāo)， 計算靶標(biāo)平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程；提取無畸變光平面標(biāo)定圖像中的控制 點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，計算控制點(diǎn)的投影坐標(biāo)；第四步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和控制點(diǎn)的投影點(diǎn)確定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；第五步，將靶標(biāo)[8]自由放置到攝像機(jī)視場范圍內(nèi)的不同位置，釆用第一步 到第四步敘述的方法，計算更多非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；靶標(biāo)放置位 置數(shù)量為2 5;第六步，利用所有非共線控制點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，擬合平面得到光平面 在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程；、2丄4、將標(biāo)定好的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、結(jié)構(gòu)光光平面方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參 數(shù)文件中，以備測量階段調(diào)用；、2.2、測量階段、2.2.1、 將被測物放置在攝像機(jī)視場范圍內(nèi)，拍攝一幅圖像，稱為被測物圖像；將投射在被測物體表面上的光條中心線上的點(diǎn)稱為測量點(diǎn)；、2.2.2、 計算被測物表面點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)，具體步驟為第一步，提取被測物圖像中的測量點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，校正測量點(diǎn)的畸變，根據(jù)攝像機(jī)模型，計算測量點(diǎn)的投影坐標(biāo)；第二步，在攝像機(jī)坐標(biāo)系中，計算攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)和測量點(diǎn)的投影點(diǎn)確定的直線與靶標(biāo)平面的交點(diǎn)，得到測量點(diǎn)的攝像機(jī)三維坐標(biāo)；保存測量點(diǎn)的攝 像機(jī)三維坐標(biāo)；、2.2.3、 重復(fù)步驟2.2.1 2.2.2，進(jìn)行新的被測物表面三維測量。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，將提供一種鏡像式結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)和測量方法。本發(fā)明測量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光投射器1、反射鏡2、3和4、攝像機(jī)6、底板7、計算機(jī)、圖像采集卡、標(biāo)定平面靶標(biāo)8組成。本發(fā)明測量方法由結(jié)構(gòu)光投射器投射結(jié)構(gòu)光，經(jīng)反射鏡2、3、4反射后投射到被測物5表面，其反射光線經(jīng)反射鏡4反射后被攝像機(jī)6接收，所成圖像由高速圖像采集卡采集到計算機(jī)中，對采集圖像進(jìn)行處理，提取出結(jié)構(gòu)光條中心線的圖像坐標(biāo)，根據(jù)測量模型，計算出物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本發(fā)明采用反射鏡成像構(gòu)成三角測量原理，減小了結(jié)構(gòu)光投射器與攝像機(jī)間的橫向間距，壓縮了系統(tǒng)體積，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的小型化。
文檔編號G01B11/24GK101419061SQ20081023908
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者周富強(qiáng), 張廣軍, 穎 李, 程駿超 申請人:北京航空航天大學(xué)