專利名稱：基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器視覺測量領(lǐng)域，是一種大尺寸物體低頻起伏表面的空間坐標(biāo)測量。
背景技術(shù)：
隨著科技的迅猛發(fā)展，具有低頻起伏表面的大尺寸結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代的高科技領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，如大飛機(jī)機(jī)身表面、太陽帆、大型薄膜天線面形等。目前用于大型工件表面測量的方法及系統(tǒng)主要有三坐標(biāo)機(jī)測量系統(tǒng)、經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)等。這些測量方法一般都比較昂貴，且由于采取逐點掃描和接觸式的測量方式，測量效率較低，而且不適用于弱剛性結(jié)構(gòu)如太陽帆等的測量。 立體視覺Binocular Vision是機(jī)器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理來獲取物體三維幾何信息的方法。視覺測量技術(shù)具有設(shè)備簡單、非接觸、高精度、測量效率高和環(huán)境條件要求低等特點，為大尺寸結(jié)構(gòu)的低頻起伏表面測量提供了一個較為理想的技術(shù)解決途徑。2009年3月《光學(xué)精密工程》中633-640頁《大視場雙目視覺傳感器的現(xiàn)場標(biāo)定》采用的標(biāo)定工具為基線尺；名稱為《一種目標(biāo)空間坐標(biāo)的柔性立體視覺測量裝置》公開了一種標(biāo)定方法為測量系統(tǒng)在完成一次標(biāo)定棋盤格標(biāo)定后，即使更改了測量的場合導(dǎo)致兩攝像機(jī)相對位置有所改變時不需重新標(biāo)定，僅依系統(tǒng)獲得的位置數(shù)據(jù)即可進(jìn)行測量。綜上所述，視覺測量過程由于所測表面的可提取紋理一般比較匱乏，所述的視覺測量系統(tǒng)基本上都是通過在被測表面粘貼用于定向和自動匹配的反光標(biāo)志來測量相關(guān)點的三維坐標(biāo)來進(jìn)行測量，標(biāo)定過程人工參與較大，效率低，還可能引起被測表面的特性改變，故需要一種新的高度自動化的大尺寸視覺測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目是為了解決目前大型結(jié)構(gòu)的表面坐標(biāo)測量中存在標(biāo)定過程人工參與較大、效率低，還可能引起被測表面的特性改變等缺陷，從而提供一種利用投影儀投射的圓光斑標(biāo)記被測表面進(jìn)行視覺測量以及圓斑陣列靶標(biāo)定攝像機(jī)參數(shù)的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置及方法?；趫A光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，它包括兩臺視覺圖像傳感器、視覺圖像采集裝置、投影儀和圓斑陣列靶；所述投影儀的圖像投影鏡頭朝向被測物體表面；所述兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶或被測物體表面，所述每個視覺圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出端分別與視覺圖像采集裝置的兩個圖像數(shù)據(jù)輸入端一一對應(yīng)相連，所述視覺圖像采集裝置的圖像數(shù)據(jù)輸出端與遠(yuǎn)程控制中心的圖像數(shù)據(jù)輸入端相連；
所述兩臺視覺圖像傳感器與投影儀設(shè)置在被測物體表面同側(cè)，所述兩臺視覺圖像傳感器對稱地設(shè)置在投影儀兩側(cè)，且所述兩臺視覺圖像傳感器到投影儀的距離相同，所述每臺視覺圖像傳感器與投影儀之間的距離為投影儀到被測物體表面的距離的1-2倍。基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，它的步驟如下步驟一標(biāo)定階段將所述兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列革巴，所述兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭到圓斑陣列靶的距離均小于I米；步驟二 分別調(diào)整兩臺視覺圖像傳感器的位置，使兩臺視覺圖像傳感器的圖像采 集鏡頭均對準(zhǔn)圓斑陣列靶上的同一測量區(qū)域，且圓斑陣列靶的圖像均勻清晰的分布在兩臺視覺圖像傳感器的視場中，得到此位置的清晰的圓斑陣列靶的圖像；步驟三根據(jù)圓斑陣列靶上已知圓斑陣列空間分布關(guān)系及所述圓斑陣列在每臺視覺圖像傳感器視場中的陣列成像位置，標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器的內(nèi)參數(shù)矩陣M^ft、M ·
iviIRight，步驟四將所述圓斑陣列靶與所述兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭之間的距離調(diào)整為大于I米，并調(diào)整兩臺視覺圖像傳感器的位置，使兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭對準(zhǔn)圓斑陣列靶上同一測量區(qū)域；且圓斑陣列靶的圖像均勻清晰的分布在兩臺視覺圖像傳感器的視場中，得到此位置的清晰的圓斑陣列靶的圖像；步驟五根據(jù)圓斑陣列靶上已知圓斑陣列空間分布關(guān)系及所述圓斑陣列在視覺圖像傳感器中的陣列成像位置，標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器的外參矩陣M^ft、M2Eight ;標(biāo)定階段結(jié)束；步驟六實際測量開啟投影儀，并通過投影儀投射圓光斑陣列標(biāo)記到被測物體表面；步驟七兩臺視覺圖像傳感器采集被測物體表面上的圓光斑陣列數(shù)據(jù)，并將采集到的被測物體表面上的圓光斑陣列的圖像傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心；步驟八遠(yuǎn)程控制中心對步驟七中兩臺視覺圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺圖像傳感器鏡頭校正，并對圓光斑陣列圓心坐標(biāo)進(jìn)行提取與匹配；步驟九根據(jù)步驟三和步驟五所述標(biāo)定過程中得出的參數(shù)，所述參數(shù)為內(nèi)參數(shù)矩陣M&ft、Mmght與外參數(shù)矩陣M^ft、M2Kight以及兩臺視覺傳感器的圖像采集鏡頭的畸變參數(shù)，重建方程計算被測物體表面上標(biāo)記圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)，所述圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)為被測物體表面上的坐標(biāo)；步驟十根據(jù)步驟九所述圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)通過三次樣條插值法進(jìn)行對被測物體表面曲面擬合，最終得到被測物體表面的曲面。有益效果本裝置結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)視覺測量技術(shù)中通過粘貼反光標(biāo)志來測量相關(guān)點的三維坐標(biāo)相比，本發(fā)明通過圓光斑陣列投射與圖像采集避免了人為的參與，提高了工作效率與準(zhǔn)確性。


圖I是基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置標(biāo)定階段結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置標(biāo)定階段平面標(biāo)定靶示意圖3是基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置測量階段結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明方法過程的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖；圖5是基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法的流程框圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖I與圖2說明本具體實施方式
，基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，它由兩臺視覺圖像傳感器2、視覺圖像采集裝置3、投影儀4和圓斑陣列靶6組成；所述投影儀4的圖像投影鏡頭朝向被測物體表面I ;所述兩臺視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶6或被測物體表面1，所述每個視覺圖像傳感器2的圖像數(shù)據(jù)輸出端分別與視覺圖像采集裝置3的兩個圖像數(shù)據(jù)輸入端相連，所述視覺圖像采集裝置3的圖像數(shù)據(jù)輸出端與遠(yuǎn)程控制中心5的圖像數(shù)據(jù) 輸入端相連。所訴兩臺視覺圖像傳感器3與投影儀4設(shè)置在被測物體表面的同側(cè)，所述兩臺視覺視覺圖像傳感器2對稱第設(shè)置在投影儀兩側(cè)，且所述兩臺視覺圖像傳感器2到投影儀4的距離相同，所述每臺視覺圖像傳感器2與投影儀4之間的距離為投影儀4到被測物體表面的距離的1-2倍?；趫A光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，其特征在于所述視覺圖像采集裝置3可雙通道視頻同時采集，最大平均有效傳輸速率2 X 564X 356 X 16bit，每通道最大分辨率564 X 356 X 24bitPAL, 640 X 440 X 24bitNTSC。基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，其特征在于所述投影儀4分辨率為624X564，投影畫面尺寸0. 43-5. 62m。所述視覺圖像傳感器2采用面陣(XD相機(jī)。所述圓斑陣列祀6米用5X7圓斑陣列標(biāo)定祀,所述圓斑陣列的圓斑間距為33mm。
具體實施方式
二、本具體實施方式
是根據(jù)具體實施方式
一的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，它的步驟如下步驟一標(biāo)定階段將所述兩臺視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶6，所述視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭到圓斑陣列靶6的距離小于I米；步驟二 分別調(diào)整兩臺視覺圖像傳感器2的位置，使兩臺視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭對準(zhǔn)圓斑陣列靶6上的同一測量區(qū)域，且圓斑陣列靶6均勻清晰的分布在兩臺視覺圖像傳感器2的視場中；步驟三根據(jù)圓斑陣列靶6上已知圓斑陣列空間分布關(guān)系及所述圓斑陣列在每臺視覺圖像傳感器2視場中的陣列成像位置，標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器2的內(nèi)參數(shù)矩陣
MlLeft、MiRight，所述內(nèi)參數(shù)矩陣M^ft、Mmght分別表征視覺圖像傳感器2的焦距當(dāng)量和圖像中心；并用cvCalibrateCamera2標(biāo)定函數(shù)標(biāo)定出兩臺視覺傳感器2的圖像采集鏡頭的畸變參數(shù)k11/r> k2、p11/r, P2l7r畸變參數(shù)ku/r、k2分別為視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭的景象畸變的一次和二次分量，P11/r>P2i/r分別為視覺圖像傳感器2的圖像采集鏡頭的切向畸變的一次和二次分量；圓斑陣列靶6上圓斑陣列空間分布關(guān)系與其在視覺圖像傳感器2中的陣列成像位置滿足如下式所示關(guān)系
權(quán)利要求
1.基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，其特征在于它包括兩臺視覺圖像傳感器(2)、視覺圖像采集裝置(3)、投影儀(4)和圓斑陣列靶(6); 所述投影儀(4)的圖像投影鏡頭朝向被測物體表面(I)； 所述兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶(6)或被測物體表面(1)，所述每個視覺圖像傳感器(2)的圖像數(shù)據(jù)輸出端分別與視覺圖像采集裝置(3)的兩個圖像數(shù)據(jù)輸入端一一對應(yīng)相連，所述視覺圖像采集裝置(3)的圖像數(shù)據(jù)輸出端與遠(yuǎn)程控制中心(5)的圖像數(shù)據(jù)輸入端相連； 所述兩臺視覺圖像傳感器(2)與投影儀(4)設(shè)置在被測物體表面(I)的同側(cè)，所述兩臺視覺圖像傳感器(2)對稱地設(shè)置在投影儀(4)兩側(cè)，且所述兩臺視覺圖像傳感器(2)到投影儀(4)的距離相同，所述每臺視覺圖像傳感器(2)與投影儀(4)之間的距離為投影儀(4)到被測物體表面(I)的距離1-2倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，其特征在于所述視覺圖像傳感器(2)采用面陣CCD相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置，其特征在于所述圓斑陣列祀(6)米用5X7圓斑陣列祀(6),所述圓斑陣列的圓斑間距為33mm。
4.采用權(quán)利要求I所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，其特征在于它的步驟如下 步驟一標(biāo)定階段將所述兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶(6)，所述兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭到圓斑陣列靶(6)的距離均小于I米;步驟二 分別調(diào)整兩臺視覺圖像傳感器(2)的位置，使兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭均對準(zhǔn)圓斑陣列靶(6)上的同一測量區(qū)域，且圓斑陣列靶(6)的圖像均勻清晰的分布在兩臺視覺圖像傳感器(2)的視場中，得到此位置的清晰的圓斑陣列靶(6)的圖像；步驟三根據(jù)圓斑陣列靶(6)上已知圓斑陣列空間分布關(guān)系及所述圓斑陣列在每臺視覺圖像傳感器(2)視場中的陣列成像位置，標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器(2)的內(nèi)參數(shù)矩陣MlLeft、MiRight ; 步驟四將所述圓斑陣列靶(6)與所述兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭之間的距離調(diào)整為大于I米，并調(diào)整兩臺視覺圖像傳感器(2)的位置，使兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭對準(zhǔn)圓斑陣列靶(6)上同一測量區(qū)域，且圓斑陣列靶(6)的圖像均勻清晰的分布在兩臺視覺圖像傳感器(2)的視場中，得到此位置的清晰的圓斑陣列靶(6)的圖像； 步驟五根據(jù)圓斑陣列靶(6)上已知圓斑陣列空間分布關(guān)系及所述圓斑陣列在視覺圖像傳感器(2)中的陣列成像位置，標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器(2)的外參數(shù)矩陣M.ft、^Rightj 標(biāo)定階段結(jié)束； 步驟六實際測量開啟投影儀(4)，并通過投影儀(4)投射圓光斑陣列標(biāo)記到被測物體表面(I); 步驟七兩臺視覺圖像傳感器(2)采集被測物體表面(I)上的圓光斑陣列數(shù)據(jù)，并將采集到的被測物體表面(I)上的圓光斑陣列的圖像傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心(5)； 步驟八遠(yuǎn)程控制中心(5)對步驟七中兩臺視覺圖像傳感器(2)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺圖像傳感器(2)鏡頭校正，并對圓光斑陣列圓心坐標(biāo)進(jìn)行提取與匹配； 步驟九根據(jù)步驟三和步驟五所述標(biāo)定過程中得出的參數(shù)，所述參數(shù)為內(nèi)參數(shù)矩陣M1Left, Mmght與外參數(shù)矩陣M^ft、M2Eight以及兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭的畸變參數(shù)，重建方程計算被測物體表面(I)上標(biāo)記圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)，所述圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)為被測物體表面(I)上的坐標(biāo)； 步驟十根據(jù)步驟九所述圓光斑陣列圓心處的空間坐標(biāo)U。，y。，z0)通過三次樣條插值法進(jìn)行對被測物體表面(I)曲面擬合，最終得到被測物體表面(I)的曲面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，其特征在于 圓斑陣列靶(6)上與圓斑陣列空間分布關(guān)系與圓斑陣列靶(6)上圓斑陣列在視覺圖像傳感器(2)中的陣列成像位置滿足如下所示關(guān)系
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，其特征在于所述步驟三中標(biāo)定出兩臺視覺圖像傳感器(2)的鏡頭畸變參數(shù)kllA、k2、Pu/r、P21/r，所述畸變參數(shù)kU/r和k2分別表示兩臺視覺圖像傳感器(2 )的圖像采集鏡頭鏡像畸變的一次分量和二次分量，P11/r> P2IA分別為兩臺視覺圖像傳感器(2)的圖像采集鏡頭的切向畸變的一次和二次分量； 所述步驟八中兩臺視覺圖像傳感器(2)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺圖像傳感器(2)鏡頭校正為利用遠(yuǎn)程控制中心(5)的校正函數(shù)與已獲得的畸變參數(shù)kllA、k2、Pll/pP2lA直接對采集到的圖像進(jìn)行校正處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，其特征在于步驟六所述點結(jié)構(gòu)光陣列為圓光斑規(guī)則排列的矩形陣列，其中圓光斑個數(shù)為縱橫圓光斑點數(shù)的乘積。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置的測量方法，其特征在于 步驟九中所述重建方程計算被測物體表面(I)上標(biāo)記圓光斑陣列圓心處的 空間坐標(biāo)，令 MLeft = M1Left，MKight =Mmght · M2,其中
全文摘要
基于圓光斑標(biāo)記的目標(biāo)表面坐標(biāo)的視覺測量裝置及測量方法，涉及機(jī)器視覺測量領(lǐng)域，為了解決目前大型結(jié)構(gòu)的表面坐標(biāo)測量中存在標(biāo)定過程人工參與較大、效率低，還可能引起被測表面的特性改變等缺陷。它包括兩臺視覺圖像傳感器、視覺圖像采集裝置、投影儀和圓斑陣列靶，投影儀的圖像鏡頭朝向被測物體表面，兩臺視覺圖像傳感器的圖像采集鏡頭均朝向圓斑陣列靶或被測物體表面，每個視覺圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)輸出端分別與視覺圖像采集裝置的兩個圖像數(shù)據(jù)輸入端一一對應(yīng)相連，視覺圖像采集裝置的圖像數(shù)據(jù)輸出端與遠(yuǎn)程控制中心的圖像數(shù)據(jù)輸入端相連?？蓮V泛應(yīng)用于大尺寸結(jié)構(gòu)的低頻起伏表面的坐標(biāo)視覺測量。
文檔編號G01C11/00GK102878948SQ20121036338
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者劉炳國, 劉國棟, 陳鳳東, 唐烽, 莊志濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)