專利名稱：基于相位標(biāo)靶的光學(xué)三坐標(biāo)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)檢測技術(shù)，特別是利用相位標(biāo)靶進行三維測量，屬于先進光學(xué)制造 及檢測技術(shù)領(lǐng)域。
二
背景技術(shù)：
標(biāo)耙技術(shù)在機器視覺、工業(yè)檢測、實物仿型等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。標(biāo)靶制作中，由于 三維立體標(biāo)靶的制作成本較高，且加工精度受到一定的限制，所以在應(yīng)用中更多地采用制作 相對容易的二維平面標(biāo)靶。
在傳統(tǒng)的視覺測量技術(shù)中，采用一個校準(zhǔn)后的攝像機和一個輔助標(biāo)靶(輔助標(biāo)耙可視為 一種二維標(biāo)靶)可以進行光學(xué)測量。輔助標(biāo)靶上有3個以上的標(biāo)記點和一個與被測物體接觸 的測點。標(biāo)記點和測點在輔助測量棒坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可預(yù)先精密測定。視覺測量系統(tǒng)只要測 出標(biāo)記點的坐標(biāo)就可計算出測點坐標(biāo)，進而得到物體表面該點的三維空間坐標(biāo)。在采用輔助 標(biāo)靶進行三維測量的過程中，由于輔助標(biāo)靶標(biāo)記點個數(shù)較少，以及標(biāo)記點定位的精度有限， 會導(dǎo)致最終測量結(jié)果的精度有限。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對采用輔助標(biāo)靶時，標(biāo)記點個數(shù)較少，且標(biāo)記點定位精度不高的缺陷，提出一種 相位標(biāo)靶。由于這種標(biāo)靶采用了條紋分析方法，且由于其標(biāo)記點的大量增多以及標(biāo)記點的提 取更加準(zhǔn)確，所以其測量結(jié)果比采用輔助標(biāo)靶進行相關(guān)測量時精度更高。
本發(fā)明中的相位標(biāo)靶由特征圖像屏、測棒及測頭組成。該相位標(biāo)靶工作原理是首先生成 特征圖像形成特征圖像屏，然后用攝像機拍攝不同位置的圖像，使用條紋分析方法計算其相 位分布，以建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，進而確定標(biāo)靶測頭觸點的三 維空間坐標(biāo)位置。
其中，特征圖像為正(余)弦周期或者方波周期信號，在單一方向(x或y方向)上構(gòu)造的二維 圖像；或者是上述兩種周期信號，沿正交方向(即x和y方向)構(gòu)造的二維圖像。對于條紋 分析方法當(dāng)采用相移條紋分析方法時，需要分別獲取兩個方向上的多次(大于等于3次)相 移圖像，使用相移條紋分析方法計算出相位分布；若采用傅里葉條紋分析方法則需對圖像進 行傅里葉變換，濾波和逆傅里葉變換，然后計算出相位分布；另外也可以利用空間相位檢測 方法計算出相位分布。
在本發(fā)明中，攝像機對相位標(biāo)靶成像采樣后，每一個像素單元在相位標(biāo)耙上的對應(yīng)點均可作為標(biāo)記點，可代替輔助標(biāo)靶上的標(biāo)記點，其數(shù)量最大值理論上等于相位標(biāo)靶在攝像機成 像區(qū)域中的像素點數(shù)。通過相位值自動識別標(biāo)記點，同時由相位測量精度保證標(biāo)記點的定位 精度。本發(fā)明利用相位標(biāo)靶的相位信息建立攝像機圖像坐標(biāo)和標(biāo)靶平面上點的空間坐標(biāo)關(guān)系。 與傳統(tǒng)的輔助標(biāo)靶相比，新的方法具有更高的測量精度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
1、 本發(fā)明使用特征圖像屏作為標(biāo)靶平面，當(dāng)采用電子顯示屏作為特征圖像屏?xí)r，其表面 平整度更高，更接近于理想平面；
2、 本發(fā)明中，當(dāng)采用電子顯示屏?xí)r，特征圖像易于調(diào)整，靶面上的標(biāo)記點數(shù)量可以根據(jù) 需要進行適當(dāng)?shù)母淖儯?br> 3、 本發(fā)明易于根據(jù)電子顯示屏的技術(shù)參數(shù)設(shè)置合適的滿屏的條紋模式，易于得到更為精 確的測量系統(tǒng)參數(shù)；
4、 本發(fā)明中標(biāo)記點數(shù)量的大量增多，以及采用條紋分析方法能得到更準(zhǔn)確的標(biāo)記點定位， 可以使測量結(jié)果的精度得到進一步的提高；
5、 本發(fā)明設(shè)備輕便，便于移動及攜帶；
6、 本發(fā)明中提到的電子顯示屏目前技術(shù)已趨成熟，將其用于制作相位標(biāo)靶時工藝簡單。
四


圖1為傳統(tǒng)的輔助標(biāo)靶示意圖2為本發(fā)明中提到的相位標(biāo)靶示意圖3為電子顯示屏上顯示的二維正弦條紋；
圖4為相位標(biāo)耙局部世界坐標(biāo)系、圖像象素坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系關(guān)系示意圖； 圖5為測量系統(tǒng)示意圖； 圖6為實施例中的測量結(jié)果。 五
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖、工作原理，對本發(fā)明作進一步的詳細說明-
針對傳統(tǒng)的輔助標(biāo)靶(如圖1)，本發(fā)明設(shè)計了如圖2所示的相位標(biāo)靶，其靶面為平板液晶 顯示屏，外接圖像輸入設(shè)備。通過圖像輸入設(shè)備，可在顯示屏上顯示標(biāo)準(zhǔn)的二維正弦條紋， 如圖3所示。
其強度函數(shù)為:c及y方向的正弦光柵強度疊加/(x，力=a + ^ cos(2;r;c / /*x + <px00c, y)) + &2 cos(2丌y / py + ^v(x,力) (1)
其中a， 6,， 62分別為正常數(shù)；a， ^分別為條紋周期；a。(;c，力，^。(;c，力為對應(yīng)初 始相位。
由攝像機獲取的標(biāo)定靶圖像的強度函數(shù)為
/(w,v) —■ "(i^ + Wm^cos^e^m'v))+ 62(^)003(^(1^)) (2)
根據(jù)條紋圖像的傅里葉變換分析方法，通過傅里葉變換、濾波和逆傅里葉變換，提取出
截斷相位并進行相位展開，由(1)、 a)可得
其中c,，&均為常數(shù)，與相位展開初始點有關(guān)。
根據(jù)(3)式，由連續(xù)相位分布可得到攝像機各個像素點對應(yīng)的顯示屏平面上各點的w 坐標(biāo)。即通過對相位標(biāo)靶的測量，可以建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系。 在這里，條紋的相位信息對建立和識別攝像機圖像坐標(biāo)和相位標(biāo)靶平面上點的空間坐標(biāo)關(guān)系 起了重要作用。
當(dāng)采用本發(fā)明中的相位標(biāo)靶進行光學(xué)三坐標(biāo)測量時
首先完成各坐標(biāo)系坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。在攝像機針孔模型下，建立如圖3所示坐標(biāo)系。其 中O砂z三維直角坐標(biāo)系為攝像機坐標(biāo)系，Qw 二維直角坐標(biāo)系為圖像象素坐標(biāo)系。在二
維直角坐標(biāo)系中，q為圖像內(nèi)某一點，w、 v軸分別平行于圖像面的象素陣列的水平與豎直
方向；在Cb:w三維直角坐標(biāo)系中，O點為攝像機光心，x軸與y軸分別平行于圖像面所在的
圖像象素坐標(biāo)系的"軸與v軸，z軸為攝像機光軸，它與圖像平面垂直。C^,y,z,三維直角坐
標(biāo)系為相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)系，02為標(biāo)靶面上的一點，a、 y,軸分別沿標(biāo)靶面的水平與豎
直方向，z,軸垂直標(biāo)靶所在的平面且指向攝像機。靶面上一點p在圖像面上成像于y。以上
三個坐標(biāo)系間的關(guān)系如下
在攝像機針孔模型下，理想的象素坐標(biāo)與建立在標(biāo)靶面上的相位標(biāo)耙局部世界坐標(biāo)間的 關(guān)系為<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，s為非零尺度因子，^ =
<formula>formula see original document page 6</formula>
是系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)，其中a、"，分別是w、 v軸
的尺度因子，y是w、 v軸間的傾斜因子，(w,v。)是主點坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)矩陣i 與平移向量f則是
攝像機外部參數(shù)矩陣。
當(dāng)考慮到攝像機鏡頭畸變因素時。則有
(5)
其中，Xu、 K分別是針孔成像時的歸一化平面象素坐標(biāo)，％/、 K'是考慮畸變因素后的歸一化平面實際象素坐標(biāo)，《、《則分別是沿w、 v方向的畸變量，該畸變量又分為沿攝像
機徑向的畸變&、《,與沿攝像機切向的畸變《,、&，且
I《,=《,，+《.,
(6)
關(guān)于&、《，由于它們都是沿徑向或切向的非線性方程， 一般難以直接通過計算方程組
解出，通常的計算是采用如迭代法、多項式近似等方法求解。
當(dāng)?shù)玫健?、《后，通過(5)式可算出X/、 K'，則考慮畸變校正后的計算機圖像坐標(biāo)
可表示為
(7)
(4) 一 (7)式表征了相位標(biāo)靶上的局部世界坐標(biāo)與含畸變的圖像象素坐標(biāo)間的對應(yīng)關(guān)系。
在相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)系中，設(shè)p為相位標(biāo)靶上的任意標(biāo)定點，它在相位標(biāo)耙上的相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)與它在攝像機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)關(guān)系可以用下式表出<formula>formula see original document page 7</formula>
(8)式即為相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系的關(guān)系。其中
<formula>formula see original document page 7</formula>
為； 在攝像機坐標(biāo)
系下的坐標(biāo)，
.z,.
為/7在相位標(biāo)靶上的相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，且標(biāo)靶靶面上的
點在標(biāo)靶上的局部世界坐標(biāo)系下的2,=0。凡r分別為對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量，在己標(biāo)定
的攝像機系統(tǒng)中，通過對平面標(biāo)靶進行測量，提取標(biāo)記點信息，可以計算出基于該平面標(biāo)靶的局部世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣i 和平移向量？。
通過以上計算，可建立相位標(biāo)靶局部世界坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系、圖像象素坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
有了坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，可以進行光學(xué)三維坐標(biāo)測量，下面列出一個測量實例測量系統(tǒng)如圖5所示。攝像機保持不動，由圖像輸入設(shè)備將制作好的靶面圖輸入到標(biāo)靶的特征圖像屏上。相位標(biāo)靶可由機械手固定；也可以附著在帶接觸測頭的三維移動裝置上。在本實施例中，將特征圖像屏直接附著在三坐標(biāo)測量機上，特征圖像屏下端的O點為相位標(biāo)靶與三坐標(biāo)測量機的共同測頭。當(dāng)該測頭與被測表面接觸時，測頭上的微動開關(guān)可以通過三坐標(biāo)測量機讀出測頭點的三維坐標(biāo)；同時，該微動開關(guān)還同步控制攝像機獲取屏上的特征圖像信息。當(dāng)相位標(biāo)靶被固定在三坐標(biāo)測量機上時，由于標(biāo)靶的運動始終是剛體平動，所以對于特征圖像屏上的所有標(biāo)記點，它們的運動情況理論上是一致的，可選用下列算法以減小測
通過(8)式可分別算出移動標(biāo)靶前后標(biāo)靶面上各標(biāo)記點在攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。對特征圖像屏上的任意一個標(biāo)記點，分別記其移動前后的坐標(biāo)值為(;Cp^,A),(;^,:^，&)。則這個點在標(biāo)靶移動前后產(chǎn)生的距離為
<formula>formula see original document page 7</formula>
同理，對于其它所有標(biāo)記點，均可采用上式計算對應(yīng)的移動距離。設(shè)在特征圖像屏上共選取了"個標(biāo)記點，采用上式計算出所有標(biāo)記點移動的距離后，可再用下式計算整個標(biāo)耙移動的距離<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，《為第A個標(biāo)記點在標(biāo)靶移動前后所產(chǎn)生的距離，可由(9)式算出；^，為整個標(biāo)靶移
動的距離。
由于三坐標(biāo)測量機可以精確控制移動距離，即三坐標(biāo)測量機移動的距離可以視為已知量。
用相位標(biāo)靶對這個己知量進行測量時，可以采用(10)式計算對應(yīng)的移動距離。計算出來的距離與三坐標(biāo)測量機控制標(biāo)靶移動的距離之差反映了本發(fā)明所提測量方式的準(zhǔn)確程度。
下面給出了本發(fā)明用相位標(biāo)靶進行三維測量的一個實施例，本發(fā)明包含但不限于此實施例中的內(nèi)容。
實施例中的標(biāo)定結(jié)果為
(1) 、焦距為(3082.83pixels， 3082.92pixels);
(2) 、主點為(617.42pixels, 523.82pixels);
測量示意圖如圖5，通過計算機產(chǎn)生(1)式所示的二維正弦條紋圖像，并顯示在液晶顯示屏作的特征圖像屏上，條紋周期為25pixels，該液晶顯示屏的分辨率為480*270pixels。將特征圖像屏直接附著在TESA micro-hite三坐標(biāo)測量機上而構(gòu)成相位標(biāo)靶，特征圖像屏下端的O點為相位標(biāo)靶與三坐標(biāo)測量機的共同測頭。由三坐標(biāo)測量機控制相位標(biāo)靶在三維空間內(nèi)移動，記錄下三坐標(biāo)測量機測頭在每一個位置時的三維坐標(biāo)，同時由攝像機同步拍攝對應(yīng)位置的特征圖像屏圖像，再根據(jù)本發(fā)明中所提的算法對所拍圖像進行分析，最終計算出標(biāo)耙每次的移動距離。
本實驗根據(jù)該方法在不同的位置共進行了 10次拍攝，得到9組移動距離。測量對應(yīng)的準(zhǔn)確值、計算值及相應(yīng)誤差如圖6所示(單位附m)，其中&,Yh&是三坐
標(biāo)測量機測頭在每一個位置的讀數(shù)；D,、 D2分別表示測頭在相鄰兩次移動中，由三坐標(biāo)測
量機算出的移動距離與由本發(fā)明所提的方法算出的移動距離。
權(quán)利要求
1.一種基于相位標(biāo)靶的光學(xué)三坐標(biāo)測量方法，其特征在于測量系統(tǒng)由攝像機、計算機和相位標(biāo)靶組成，相位標(biāo)靶由特征圖像屏、測棒及測頭組成；測量時，相位標(biāo)靶的測頭與物體表面接觸，由攝像機記錄下屏上的特征圖像，使用條紋分析方法計算其相位分布，以建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，進而確定標(biāo)靶測頭觸點的三維空間坐標(biāo)位置；通過移動相位標(biāo)靶對被測表面進行多點測量，可計算出物體三維面形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位標(biāo)靶，其特征在于可以機械制作測棒和測頭，和特征圖像屏 組合成相位標(biāo)靶；也可以將特征圖像屏直接附著在帶接觸測頭的三維移動裝置上，構(gòu)成相位標(biāo)靶。當(dāng)測頭與被測表面接觸時，測頭上的開關(guān)同步控制攝像機獲取屏上的特征圖像信 息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的相位標(biāo)靶的特征圖像屏，其特征在于使用打印、印刷、光電制作 或者機械制作方式獲得特征圖像，將該圖像附著在屏上構(gòu)成特征圖像屏；或者使用計算機 生成數(shù)字特征圖像，直接由電子顯示屏顯示構(gòu)成特征圖像屏。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和2、 3所述的特征圖像，其特征在于采用正(余)弦周期或者方波周期信號，在單一方向(x或y方向)上構(gòu)造具有相位信息的二維特征圖像；或者采用上述兩種 周期信號，沿正交方向(即x和y方向)構(gòu)造具有復(fù)合相位信息的二維特征圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的條紋分析方法計算相位分布，其特征在于分別通過兩個方向上的 多次(大于等于3次)相移，使用相移條紋分析方法計算出相位分布；或者采用傅里葉條紋 分析方法對圖像進行傅里葉變換，濾波和逆傅里葉變換，然后計算出相位分布；或者利用 空間相位檢測方法計算出相位分布。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，其特征在于 攝像機獲取特征圖像后，通過相位計算得到其相位分布，與屏上設(shè)計并已知的相位分布相 比較，建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系。在攝像機已標(biāo)定的前提下，通 過該對應(yīng)關(guān)系即可計算標(biāo)靶屏上各點相對于攝像機的三維坐標(biāo)，進而計算測頭觸點坐標(biāo)， 即當(dāng)前待測點的三維坐標(biāo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對被測表面進行多點測量的相位標(biāo)靶移動，其特征在于相位標(biāo)靶 可以用手動方法在被測物體表面上任意移動；也可以用機械移動裝置驅(qū)動，實現(xiàn)在被測物體表面上任意移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相位標(biāo)靶的光學(xué)三坐標(biāo)測量方法。它涉及視覺測量領(lǐng)域。測量系統(tǒng)由攝像機、計算機和相位標(biāo)靶組成，相位標(biāo)靶由特征圖像屏、測棒及測頭組成。攝像機獲取相位標(biāo)靶中特征圖像屏上的特征圖像，使用條紋分析方法計算其相位分布，建立標(biāo)靶屏上各點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，進而確定標(biāo)靶測頭觸點的三維空間坐標(biāo)。這種相位標(biāo)靶用于光學(xué)三坐標(biāo)測量時，與有3個以上標(biāo)記點的輔助標(biāo)靶(傳統(tǒng)標(biāo)靶)相比較，由于特征點數(shù)量的大量增多，以及基于相位計算的特征點精確提取，使其測量結(jié)果更為準(zhǔn)確和可靠。本發(fā)明中的相位標(biāo)靶具有測量精度高；體積小、便攜帶和移動；易于調(diào)整標(biāo)靶圖像屏的大小等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/24GK101561251SQ20091005883
公開日2009年10月21日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者劉元坤, 向立群, 張啟燦, 毛先富, 蘇顯渝 申請人:四川大學(xué)