專利名稱：一種用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視覺檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)及 其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
三維視覺坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)作為一項(xiàng)高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天航空，機(jī)械制造，工 業(yè)檢測(cè)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。按照測(cè)量原理的不同，三維視覺坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可以大致分為5 種①固定點(diǎn)光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；②目標(biāo)跟蹤光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；③多視點(diǎn)光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量 系統(tǒng)；④三維掃描光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；⑤靶標(biāo)成像光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。其中只有靶標(biāo)成像 視覺坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間不可見點(diǎn)的測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)通常由多個(gè)CCD攝像機(jī)，一塊 靶標(biāo)，一臺(tái)電腦及相關(guān)軟件組成。靶標(biāo)上一般設(shè)計(jì)有具有鮮明特征的標(biāo)記來產(chǎn)生標(biāo)記點(diǎn)，例 如十字交叉點(diǎn)，圓心，方塊的角點(diǎn)等，測(cè)量時(shí)通過采集靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)的圖像信息，利用視差 原理和坐標(biāo)變換理論求出待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。按照標(biāo)志點(diǎn)發(fā)光與否，靶標(biāo)可分為無光源靶標(biāo) 和有光源靶標(biāo)兩類，其中無光源靶標(biāo)利用靶標(biāo)上特制圖案產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn)，通常為獲得理想標(biāo) 志點(diǎn)圖像，還需使用特定光源照射靶標(biāo)，此種靶標(biāo)受環(huán)境光影響較大。有光源靶標(biāo)利用發(fā)光 體，例如LED產(chǎn)生標(biāo)志點(diǎn)，傳統(tǒng)有光源靶標(biāo)，通過二值法確定光點(diǎn)區(qū)域，利用重心法或橢圓 擬合法提取標(biāo)志點(diǎn)中心，由于圖像的二值化處理以及標(biāo)志點(diǎn)不同角度成像，通過重心法或 橢圓擬合法所提取出的光點(diǎn)中心并非對(duì)應(yīng)于空間中同一點(diǎn)，使得測(cè)量精度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可供靶標(biāo)成像視覺坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)使用的能夠精確提 取出標(biāo)志點(diǎn)中心坐標(biāo)，提高測(cè)量精度的手持式光學(xué)靶標(biāo)及其測(cè)量方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)包括一個(gè)承載標(biāo)志 點(diǎn)的靶標(biāo)殼體，測(cè)頭安裝在靶標(biāo)殼體上，靶標(biāo)殼體還設(shè)有三個(gè)以上非共線標(biāo)志點(diǎn)，所有標(biāo)志 點(diǎn)在同一平面上，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)包含四個(gè)LED，四個(gè)LED成正方形分布，靶標(biāo)殼體內(nèi)裝有供LED 使用的電源，且每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)四周以不透光材料填充。所述的靶標(biāo)殼體上設(shè)有手握凹槽；測(cè)頭通過延伸桿安裝在靶標(biāo)殼體上。本發(fā)明的測(cè)量方法如下1)先對(duì)多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定各相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和立體視覺系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)參數(shù)；2)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確定在靶標(biāo)坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)中心和測(cè)頭坐標(biāo)；3)測(cè)量時(shí)，令測(cè)頭接觸被測(cè)點(diǎn)，由多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)采集標(biāo)志點(diǎn)圖像；4)對(duì)立體視覺系統(tǒng)所采集圖像進(jìn)行圖像校正，消除鏡頭畸變的影響；5)先采用平方加權(quán)重心法計(jì)算每個(gè)LED光點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，再利用每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所 包含的4個(gè)LED光點(diǎn)構(gòu)造四邊形，四邊形對(duì)角線交點(diǎn)即為標(biāo)志點(diǎn)中心；6)圖像匹配建立的圖像匹配關(guān)系僅為靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)在不同圖像上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的布局特征，采用基于極徑，極角排序的算法建立其對(duì)應(yīng)關(guān)系，靶標(biāo)上共有5個(gè) 標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)于每幅圖像，先求出5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的重心坐標(biāo)，以重心為原點(diǎn)0，建立極坐標(biāo)系，然 后分別求出各標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于重心的極徑P和極角θ，到點(diǎn)4距離重心最近，極徑最小，首先 提取出來，接下來，在0° 360°范圍內(nèi)，對(duì)剩余四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)1，2，3，5，按照極角大小，從大 到小排序，通過對(duì)每幅圖像上標(biāo)志點(diǎn)排序，即可完成對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)匹配；7)標(biāo)志點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，不同圖像間對(duì)應(yīng)關(guān)系均已知，通過視差原理即可求得其 三維坐標(biāo)；8)通過標(biāo)志點(diǎn)中心在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，求出靶標(biāo)坐標(biāo)系到 世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，平移矩陣，從而可求出測(cè)頭的世界坐標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、由于攝像機(jī)拍攝的是靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)的圖像而不是觸測(cè)點(diǎn)處的圖像，所以測(cè)量不 受被測(cè)物體表面的幾何形狀和材質(zhì)的影響；2、標(biāo)志點(diǎn)采用紅外LED，易于與背景光源相分離，采用平方加權(quán)重心法計(jì)算LED光 點(diǎn)中心坐標(biāo)，加強(qiáng)了離光斑中心較近的較大灰度值像素點(diǎn)對(duì)中心位置的影響，通過每個(gè)標(biāo) 志點(diǎn)所包含的4個(gè)LED光點(diǎn)中心兩兩連線交點(diǎn)計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)中心，保證了靶標(biāo)不同姿態(tài)成像 時(shí)，所提取出的標(biāo)志點(diǎn)中心對(duì)應(yīng)于空間中同一點(diǎn)，從而提高了測(cè)量精度，在Im3的測(cè)量空間 內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)0. 1mm；3、靶標(biāo)輕便，使用靈活。


圖1為本發(fā)明的主視圖和側(cè)視圖；其中的標(biāo)號(hào)分別表示1 5為5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，6、測(cè)頭，7、手握凹槽，8、不透光填料， 9、電池盒，10、靶標(biāo)殼體；圖2為一系列不同尺寸和形狀的延伸桿示意圖；圖3為多攝像機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算模型圖。其中xlylzl，x2y2z2, x3y3z3代表三個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系，XtYtZt代表靶標(biāo)坐標(biāo)系；圖4為靶標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)在極坐標(biāo)系下布局圖。其中原點(diǎn)0為五個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的重心，標(biāo)志點(diǎn)極坐標(biāo)分別為Pl(p 1，θ 1), Ρ2(Ρ2， θ 2), Ρ3(ρ 3, θ 3), Ρ4(ρ 4, θ 4), Ρ5(ρ 5, θ 5)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，本實(shí)施例包括一個(gè)承載標(biāo)志點(diǎn)的靶標(biāo)殼體10，測(cè)頭6通過延伸桿連接在 靶標(biāo)殼體10上，靶標(biāo)殼體10還設(shè)有5個(gè)非共線圓形沉孔1-5，每個(gè)圓形沉孔內(nèi)裝有四個(gè)紅 外LED，組成標(biāo)志點(diǎn)，所有標(biāo)志點(diǎn)在同一平面上，四個(gè)LED成正方形分布，靶標(biāo)殼體10內(nèi)裝有 供LED使用的電源9，且每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)四周以不透光材料8填充，靶標(biāo)平面上還設(shè)有方便手持 的三個(gè)圓形手握凹槽7，安裝時(shí)保證LED上表面與靶標(biāo)平面共面，沉孔內(nèi)填充黑色硅膠，保 證只有LED上表面透光，測(cè)頭6為紅寶石測(cè)頭，靶標(biāo)殼體和延伸桿均由碳鋼材料制成。參見圖2，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)一系列不同形狀，尺寸的延伸桿，適應(yīng)各種測(cè)量場(chǎng)合，包括空間不可見點(diǎn)的測(cè)量；所述的延伸桿為采用“J”形結(jié)構(gòu)11、“S”型結(jié)構(gòu)12、“L”型結(jié)構(gòu)13 或采用直桿結(jié)構(gòu)14。參見圖3，4本發(fā)明具體測(cè)量方法如下1、先對(duì)多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定各相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和立體視覺系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)參數(shù)；2、對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確定在靶標(biāo)坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)中心和測(cè)頭坐標(biāo)；3、測(cè)量時(shí)，令測(cè)頭接觸被測(cè)點(diǎn)，由多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)采集標(biāo)志點(diǎn)圖像；4、對(duì)立體視覺系統(tǒng)所采集圖像進(jìn)行圖像校正，消除鏡頭畸變的影響；5、先采用平方加權(quán)重心法計(jì)算每個(gè)LED光點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，再利用每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所 包含的4個(gè)LED光點(diǎn)構(gòu)造四邊形，四邊形對(duì)角線交點(diǎn)即為標(biāo)志點(diǎn)中心；6、圖像匹配。本測(cè)量系統(tǒng)中所需建立的圖像匹配關(guān)系僅為靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)在不同圖 像上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的布局特征，采用基于極徑，極角排序的算法建立其對(duì) 應(yīng)關(guān)系。針對(duì)本實(shí)施例，靶標(biāo)上共有5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)于每幅圖像，先求出5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的重心 坐標(biāo)，以重心為原點(diǎn)0，建立極坐標(biāo)系，然后分別求出各標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于重心的極徑P和極角 θ，注意到點(diǎn)4距離重心最近，極徑最小，因此可首先提取出來。接下來，在0° 360°范 圍內(nèi)，對(duì)剩余四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)1，2，3，5，按照極角大小，從大到小排序。通過對(duì)每幅圖像上標(biāo)志點(diǎn) 排序，即可完成對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)匹配。7、標(biāo)志點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，不同圖像間對(duì)應(yīng)關(guān)系均已知，通過視差原理即可求得其
三維坐標(biāo)。8、通過標(biāo)志點(diǎn)中心在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，求出靶標(biāo)坐標(biāo)系到 世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，平移矩陣，從而可求出測(cè)頭的世界坐標(biāo)。通過上述方法計(jì)算得到測(cè)頭中心在世界坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)，即待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)， 從而實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)的精確定位。
權(quán)利要求
1.一種用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)，其特征在于包括一個(gè)承載標(biāo)志點(diǎn)的靶 標(biāo)殼體(10)，測(cè)頭(6)安裝在靶標(biāo)殼體(10)上，靶標(biāo)殼體(10)還設(shè)有三個(gè)以上非共線標(biāo)志 點(diǎn)，所有標(biāo)志點(diǎn)在同一平面上，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)包含四個(gè)LED，四個(gè)LED成正方形分布，靶標(biāo)殼體 (10)內(nèi)裝有供LED使用的電源(9)，且每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)四周以不透光材料(8)填充。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)，其特征在于所述的 靶標(biāo)殼體上設(shè)有手握凹槽(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)，其特征在于所述的 測(cè)頭(6)通過延伸桿安裝在靶標(biāo)殼體(10)上。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)的測(cè)量方法，其特 征在于1)先對(duì)多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定各相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和立體視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；2)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，確定在靶標(biāo)坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)中心和測(cè)頭坐標(biāo)；3)測(cè)量時(shí)，令測(cè)頭接觸被測(cè)點(diǎn)，由多攝像機(jī)立體視覺系統(tǒng)采集標(biāo)志點(diǎn)圖像；4)對(duì)立體視覺系統(tǒng)所采集圖像進(jìn)行圖像校正，消除鏡頭畸變的影響；5)先采用平方加權(quán)重心法計(jì)算每個(gè)LED光點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，再利用每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所包含 的4個(gè)LED光點(diǎn)構(gòu)造四邊形，四邊形對(duì)角線交點(diǎn)即為標(biāo)志點(diǎn)中心；6)圖像匹配建立的圖像匹配關(guān)系僅為靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)在不同圖像上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù) 標(biāo)志點(diǎn)的布局特征，采用基于極徑，極角排序的算法建立其對(duì)應(yīng)關(guān)系，靶標(biāo)上共有5個(gè)標(biāo)志 點(diǎn)，對(duì)于每幅圖像，先求出5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的重心坐標(biāo)，以重心為原點(diǎn)0，建立極坐標(biāo)系，然后分 別求出各標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)于重心的極徑P和極角θ，到點(diǎn)4距離重心最近，極徑最小，首先提取 出來，接下來，在0° 360°范圍內(nèi)，對(duì)剩余四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)1，2，3，5，按照極角大小，從大到小 排序，通過對(duì)每幅圖像上標(biāo)志點(diǎn)排序，即可完成對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)匹配；7)標(biāo)志點(diǎn)中心圖像坐標(biāo)，不同圖像間對(duì)應(yīng)關(guān)系均已知，通過視差原理即可求得其三維 坐標(biāo)；8)通過標(biāo)志點(diǎn)中心在世界坐標(biāo)系下坐標(biāo)和靶標(biāo)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，求出靶標(biāo)坐標(biāo)系到世界 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，平移矩陣，從而可求出測(cè)頭的世界坐標(biāo)。
全文摘要
一種用于視覺坐標(biāo)測(cè)量的手持式光學(xué)靶標(biāo)及其測(cè)量方法，由靶標(biāo)殼體，測(cè)頭和一系列不同形狀和長度的延伸桿組成。靶標(biāo)殼體上設(shè)有三個(gè)以上非共線標(biāo)志點(diǎn)，它們可唯一確定一平面，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)包含4個(gè)LED光點(diǎn)，由4個(gè)LED光點(diǎn)中心計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)中心坐標(biāo)，可提高標(biāo)志點(diǎn)中心提取精度，進(jìn)而提高測(cè)量精度，在1m3的測(cè)量空間內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)0.1mm。測(cè)頭可直接安裝在靶標(biāo)殼體上，也可在測(cè)頭和靶標(biāo)殼體之間安裝延伸桿，以適應(yīng)不同測(cè)量場(chǎng)合的需求。
文檔編號(hào)G01B11/03GK102062578SQ201010585260
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者付強(qiáng), 李進(jìn)軍, 趙宏 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)