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专利名称：不基于粘性标记的大型三维形体形貌测量拼接方法
技术领域：
本发明涉及精密测量方法，特别涉及一种不基于粘性标记点的大型物体(形体)形貌测量的拼接方法。
背景技术：
形体形貌测量是指形体表面形貌的测量，是现代逆向工程和产品数字化设计、管理及制造的基础支撑技术，也是一项先进的产品检测手段，在先进制造领域内有广泛的应用背景，已引起人们的高度重视。
传统实现形体形貌测量主要有两大类方案直接利用坐标测量机(CMM)和间接利用CMM测量原理。前者直接应用CMM，将被测物体放在CMM上，用CMM测头对物体进行采样，得到物体的形貌数据，但因为CMM直线导轨运动形式的限制，效率非常低，测量一个较大的物体通常需要几天甚至十几天时间，并且不能应用于现场环境；后者间接利用CMM原理，将标准的CMM用运动形式灵活(包含旋转自由度)，低成本的简化结构代替，配合高精度的激光扫描装置(相当于CMM测头)，测量时，形体置于工作台上，工作台带动被测物体旋转或激光扫描装置绕工作台旋转，实现物体多个侧面快速扫描测量。较之直接利用CMM，后者速度快，成本低，特别适合于体积不大，对精度要求不太严格的应用场合。
现今发展了一种新型的便携式测量方法，采用拼接技术，将大的被测形貌划分成多个小区域，单个区域采用非接触光学测头测量，然后将所有区域的测量结果拼接在一起(统一在一个全局坐标系中)，形成完整的形貌。为实现整体拼接，目前常用做法是在被测物体表面粘贴很多标记点(即粘性标记点)，每个区域内至少包含三个标记点，所有标记点的空间坐标采用全局测量技术(如经纬仪测量系统、数字近景测量)测量得到，根据所有标记点的空间坐标，将每个区域内(局部坐标系)的测量数据统一到一个测量坐标系中，实现整体拼接。
上述方法有明显的局限性1)对于大型物体貌测量，必须设置很多标记点，非常繁琐，且随着标记点数目增加，自动识别的错误增加；2)大量标记点必须粘贴在被测物体表面，破坏了被测形貌自身特征，影响测量的真实性。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种无需在被测物体表面粘贴多个标记点的大型三维形体形貌测量拼接方法。
为解决上述技术问题，本发明的不基于粘性标记的大型三维形体形貌测量拼接方法，通过测头控制点将测头在每个局部位置的测量数据转换到全局坐标系中，实现局部到整体的拼接，拼接方法包括以下步步骤a在测量空间内放置标记有两个标记点的一基准尺，两个标记点之间距离即为基准距离；b采用高分辨率数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，得到所有全局控制点在全局坐标系OgXgYgZg下的三维坐标值和空间相互关系；c测头对被测物体形貌的不同区域进行测量，在测量某个区域时，数码相机同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像；d通过摄像机坐标系的过渡作用，得到测头控制坐标系OcXcYcZc和全局坐标系OgXgYgZg之间关系，进而得到测头测量坐标系OmXmYmZm和全局坐标系OgXgYgZg之间的变换关系；e对于每个区域，将测头的测量数据变换到全局坐标系中，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果(一)本发明不需在被测物体表面粘贴多个(或大量)标记点，不影响被测形貌自身特征，测量数据真实可靠；(二)本发明的拼接方法且操作简洁、效率高；(三)由于不需在在被测物体表面上粘贴很多标记点，减速少了自动识别的错误。


图1是全局控制点和测头控制点示意图；图2是测量数据拼接示意图；图3是区域测量示意图；具体实施方式
下面结合附图对本发明的拼接方法详细说明。
本发明不采用粘性标记点，对被测形貌自身特征没有影响、测量速度快、效率高。由若干控制标记点(包含测头控制点和全局控制点)、基准尺以及高精度数码相机组成。采用测头控制点和全局控制点技术，在测头上设置3个(或3个以上)固定控制点(固定在测头上，和测头之间的空间关系固定)，称为测头控制点，由三个测头控制点定义一个测头控制坐标系OcXcYcZc，测头控制坐标系和测头测量坐标系OmXmYmZm之间的关系通过标定技术预先得到。在测量空间内设置4个以上全局控制点，它们的空间坐标和相互位置采用近景摄影测量原理，结合基准尺，由数码相机测量得到。
如图1所示，在被测物体空间内设置四个以上固定的全局控制点G1，G2，…Gn，控制点可以采用标准圆球的球心定位，在测头上设置3个以上的测头控制点L1，L2，L3，…。选取全局控制点G1，G2，…Gn，中任意不在一条直线上的3个点定义一个全局坐标系OgXgYgZg，同样选取测头控制点L1，L2，L3…中任意不在一条直线上的3个点定义一个测头控制坐标系OcXcYcZc，测量之前采用精密标定技术，建立测头测量坐标系OmXmYmZm和测头控制坐标系OcXcYcZc之间的变换关系。
测量时，首先，在测量空间内放置一基准尺(包含两个标记点，标记点之间距离固定，即为基准距离)，采用高分辨率数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，由摄影测量原理，可以得到所有全局控制点在全局坐标系OgXgYgZg下的三维坐标值和空间相互关系；其次，测头对被测物体形貌的不同区域进行测量，在测量某个区域时，数码相机同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像，如图二所示，因测头控制点之间关系是固定已知的，而且全局控制点之间的空间关系也已经得到(上一个步骤得到)，由这些约束条件，可以同时解得测头控制点和图像中出现的全局控制点(3个以上)在摄像机(数码相机)坐标系中的坐标；再次，因测头控制点和3个以上全局控制点在摄像机(数码相机)坐标系中的坐标已知，通过摄像机坐标系的过渡作用，可以得到测头控制坐标系OcXcYcZc和全局坐标系OgXgYgZg之间关系，进而得到测头测量坐标系OmXmYmZm和全局坐标系OgXgYgZg之间的变换关系；最后，对于每个区域，因测头测量坐标系和全局坐标系之间关系已经得到，可以将测头的测量数据变换到全局坐标系中，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。
下面以光学非接触测头测量大型物体形貌为例说明具体的实施方式如图2所示，在被测空间内放置4个以上全局控制点，全局点数量的多少可根据实际要求(被测物体大小)决定，全局控制点采用精密圆球的球心定位。光学测头上固定3个(或多个)测头控制点，测头控制点采用精密圆球的球心或平面圆的圆心定位。测头上控制点在测头测量坐标系中的坐标预先标定得到。
测量时，首先，用数码相机从多角度拍摄包含所有全局控制点的图像，得到全局控制点在全局坐标系OgXgYgZg中的空间坐标值；其次，光学测头逐个测量被测物体的每个区域，在测量每个区域Si时，如图3，用数码相机同时拍摄当前位置下包含所有测头控制点和三个以上全局控制点的图像；再次，由全局控制点和测头控制点已知的空间关系，可解算出当前位置下，全局控制点和测头控制点在数码相机坐标系中的坐标值，通过这些坐标值，可以建立测头测量坐标系和全局坐标系之间的变换关系，将当前被测区域S的测量数据变换到全局坐标系中；最后，用光学测头依次测量被测物体的每个区域，重复上述步骤，可以将所有被测区域的测量数据统一到全局坐标系中去，实现大型物体形貌的整体拼接。
权利要求
1.一种不基于粘性标记的大型三维形体形貌测量拼接方法，其特征是，通过测头控制点将测头在每个局部位置的测量数据转换到全局坐标系中，实现局部到整体的拼接，拼接方法包括以下步步骤a在测量空间内放置标记有两个标记点的一基准尺，两个标记点之间距离即为基准距离；b采用高分辨率数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，得到所有全局控制点在全局坐标系OgXgYgZg下的三维坐标值和空间相互关系；c测头对被测物体形貌的不同区域进行测量，在测量某个区域时，数码相机同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像；d通过摄像机坐标系的过渡作用，得到测头控制坐标系OcXcYcZc和全局坐标系OgXgYgZg之间关系，进而得到测头测量坐标系OmZmYmZm和全局坐标系OgXgYgZg之间的变换关系；e对于每个区域，将测头的测量数据变换到全局坐标系中，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。
全文摘要
本发明公开了一种不基于粘性标记的大型三维形体形貌测量拼接方法，通过测头控制点将测头在每个局部位置的测量数据转换到全局坐标系中，实现局部到整体的拼接，拼接方法包括在测量空间内放置标记有两个标记点的一基准尺；采用高分辨率数码相机从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像；同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像；对于每个区域，将测头的测量数据变换到全局坐标系中等步骤，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。本发明不需在被测物体表面粘贴多个标记点，不影响被测形貌自身特征，测量数据真实可靠，操作简洁、效率高。
文档编号G01B11/24GK1605830SQ20041007270
公开日2005年4月13日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者邾继贵, 吴斌, 刘常杰 申请人:天津大学