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专利名称：基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉测量领域，是一种大尺寸物体低频起伏表面的空间坐标测量。
背景技术：
随着科技的迅猛发展，具有低频起伏表面的大尺寸结构在现代的高科技领域中获得了广泛应用，如大飞机机身表面、太阳帆、大型薄膜天线面形等。目前用于大型工件表面测量的方法及系统主要有三坐标机测量系统、经纬仪测量系统、激光跟踪测量系统等。这些测量方法一般都比较昂贵，且由于采取逐点扫描和接触式的测量方式，测量效率较低，而且不适用于弱刚性结构如太阳帆等的测量。 立体视觉Binocular Vision是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理来获取物体三维几何信息的方法。视觉测量技术具有设备简单、非接触、高精度、测量效率高和环境条件要求低等特点，为大尺寸结构的低频起伏表面测量提供了一个较为理想的技术解决途径。2009年3月《光学精密工程》中633-640页《大视场双目视觉传感器的现场标定》采用的标定工具为基线尺；名称为《一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置》公开了一种标定方法为测量系统在完成一次标定棋盘格标定后，即使更改了测量的场合导致两摄像机相对位置有所改变时不需重新标定，仅依系统获得的位置数据即可进行测量。综上所述，视觉测量过程由于所测表面的可提取纹理一般比较匮乏，所述的视觉测量系统基本上都是通过在被测表面粘贴用于定向和自动匹配的反光标志来测量相关点的三维坐标来进行测量，标定过程人工参与较大，效率低，还可能引起被测表面的特性改变，故需要一种新的高度自动化的大尺寸视觉测量装置。

发明内容
本发明目是为了解决目前大型结构的表面坐标测量中存在标定过程人工参与较大、效率低，还可能引起被测表面的特性改变等缺陷，从而提供一种利用投影仪投射的圆光斑标记被测表面进行视觉测量以及圆斑阵列靶标定摄像机参数的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置及方法。基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，它包括两台视觉图像传感器、视觉图像采集装置、投影仪和圆斑阵列靶；所述投影仪的图像投影镜头朝向被测物体表面；所述两台视觉图像传感器的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶或被测物体表面，所述每个视觉图像传感器的图像数据输出端分别与视觉图像采集装置的两个图像数据输入端一一对应相连，所述视觉图像采集装置的图像数据输出端与远程控制中心的图像数据输入端相连；
所述两台视觉图像传感器与投影仪设置在被测物体表面同侧，所述两台视觉图像传感器对称地设置在投影仪两侧，且所述两台视觉图像传感器到投影仪的距离相同，所述每台视觉图像传感器与投影仪之间的距离为投影仪到被测物体表面的距离的1-2倍。基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，它的步骤如下步骤一标定阶段将所述两台视觉图像传感器的图像采集镜头均朝向圆斑阵列革巴，所述两台视觉图像传感器的图像采集镜头到圆斑阵列靶的距离均小于I米；步骤二 分别调整两台视觉图像传感器的位置，使两台视觉图像传感器的图像采 集镜头均对准圆斑阵列靶上的同一测量区域，且圆斑阵列靶的图像均匀清晰的分布在两台视觉图像传感器的视场中，得到此位置的清晰的圆斑阵列靶的图像；步骤三根据圆斑阵列靶上已知圆斑阵列空间分布关系及所述圆斑阵列在每台视觉图像传感器视场中的阵列成像位置，标定出两台视觉图像传感器的内参数矩阵M^ft、M ·
iviIRight，步骤四将所述圆斑阵列靶与所述两台视觉图像传感器的图像采集镜头之间的距离调整为大于I米，并调整两台视觉图像传感器的位置，使两台视觉图像传感器的图像采集镜头对准圆斑阵列靶上同一测量区域；且圆斑阵列靶的图像均匀清晰的分布在两台视觉图像传感器的视场中，得到此位置的清晰的圆斑阵列靶的图像；步骤五根据圆斑阵列靶上已知圆斑阵列空间分布关系及所述圆斑阵列在视觉图像传感器中的阵列成像位置，标定出两台视觉图像传感器的外参矩阵M^ft、M2Eight ;标定阶段结束；步骤六实际测量开启投影仪，并通过投影仪投射圆光斑阵列标记到被测物体表面；步骤七两台视觉图像传感器采集被测物体表面上的圆光斑阵列数据，并将采集到的被测物体表面上的圆光斑阵列的图像传输到远程控制中心；步骤八远程控制中心对步骤七中两台视觉图像传感器采集到的图像数据进行视觉图像传感器镜头校正，并对圆光斑阵列圆心坐标进行提取与匹配；步骤九根据步骤三和步骤五所述标定过程中得出的参数，所述参数为内参数矩阵M&ft、Mmght与外参数矩阵M^ft、M2Kight以及两台视觉传感器的图像采集镜头的畸变参数，重建方程计算被测物体表面上标记圆光斑阵列圆心处的空间坐标，所述圆光斑阵列圆心处的空间坐标为被测物体表面上的坐标；步骤十根据步骤九所述圆光斑阵列圆心处的空间坐标通过三次样条插值法进行对被测物体表面曲面拟合，最终得到被测物体表面的曲面。有益效果本装置结构简单，与传统视觉测量技术中通过粘贴反光标志来测量相关点的三维坐标相比，本发明通过圆光斑阵列投射与图像采集避免了人为的参与，提高了工作效率与准确性。


图I是基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置标定阶段结构示意图；图2是基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置标定阶段平面标定靶示意图3是基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置测量阶段结构示意图；图4是本发明方法过程的坐标系转换图；图5是基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法的流程框图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I与图2说明本具体实施方式
，基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，它由两台视觉图像传感器2、视觉图像采集装置3、投影仪4和圆斑阵列靶6组成；所述投影仪4的图像投影镜头朝向被测物体表面I ;所述两台视觉图像传感器2的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶6或被测物体表面1，所述每个视觉图像传感器2的图像数据输出端分别与视觉图像采集装置3的两个图像数据输入端相连，所述视觉图像采集装置3的图像数据输出端与远程控制中心5的图像数据 输入端相连。所诉两台视觉图像传感器3与投影仪4设置在被测物体表面的同侧，所述两台视觉视觉图像传感器2对称第设置在投影仪两侧，且所述两台视觉图像传感器2到投影仪4的距离相同，所述每台视觉图像传感器2与投影仪4之间的距离为投影仪4到被测物体表面的距离的1-2倍。基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，其特征在于所述视觉图像采集装置3可双通道视频同时采集，最大平均有效传输速率2 X 564X 356 X 16bit，每通道最大分辨率564 X 356 X 24bitPAL, 640 X 440 X 24bitNTSC。基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，其特征在于所述投影仪4分辨率为624X564，投影画面尺寸0. 43-5. 62m。所述视觉图像传感器2采用面阵(XD相机。所述圆斑阵列祀6米用5X7圆斑阵列标定祀,所述圆斑阵列的圆斑间距为33mm。
具体实施方式
二、本具体实施方式
是根据具体实施方式
一的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，它的步骤如下步骤一标定阶段将所述两台视觉图像传感器2的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶6，所述视觉图像传感器2的图像采集镜头到圆斑阵列靶6的距离小于I米；步骤二 分别调整两台视觉图像传感器2的位置，使两台视觉图像传感器2的图像采集镜头对准圆斑阵列靶6上的同一测量区域，且圆斑阵列靶6均匀清晰的分布在两台视觉图像传感器2的视场中；步骤三根据圆斑阵列靶6上已知圆斑阵列空间分布关系及所述圆斑阵列在每台视觉图像传感器2视场中的阵列成像位置，标定出两台视觉图像传感器2的内参数矩阵
MlLeft、MiRight，所述内参数矩阵M^ft、Mmght分别表征视觉图像传感器2的焦距当量和图像中心；并用cvCalibrateCamera2标定函数标定出两台视觉传感器2的图像采集镜头的畸变参数k11/r> k2、p11/r, P2l7r畸变参数ku/r、k2分别为视觉图像传感器2的图像采集镜头的景象畸变的一次和二次分量，P11/r>P2i/r分别为视觉图像传感器2的图像采集镜头的切向畸变的一次和二次分量；圆斑阵列靶6上圆斑阵列空间分布关系与其在视觉图像传感器2中的阵列成像位置满足如下式所示关系
权利要求
1.基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，其特征在于它包括两台视觉图像传感器(2)、视觉图像采集装置(3)、投影仪(4)和圆斑阵列靶(6); 所述投影仪(4)的图像投影镜头朝向被测物体表面(I)； 所述两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶(6)或被测物体表面(1)，所述每个视觉图像传感器(2)的图像数据输出端分别与视觉图像采集装置(3)的两个图像数据输入端一一对应相连，所述视觉图像采集装置(3)的图像数据输出端与远程控制中心(5)的图像数据输入端相连； 所述两台视觉图像传感器(2)与投影仪(4)设置在被测物体表面(I)的同侧，所述两台视觉图像传感器(2)对称地设置在投影仪(4)两侧，且所述两台视觉图像传感器(2)到投影仪(4)的距离相同，所述每台视觉图像传感器(2)与投影仪(4)之间的距离为投影仪(4)到被测物体表面(I)的距离1-2倍。
2.根据权利要求I所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，其特征在于所述视觉图像传感器(2)采用面阵CCD相机。
3.根据权利要求I所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置，其特征在于所述圆斑阵列祀(6)米用5X7圆斑阵列祀(6),所述圆斑阵列的圆斑间距为33mm。
4.采用权利要求I所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，其特征在于它的步骤如下 步骤一标定阶段将所述两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶(6)，所述两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头到圆斑阵列靶(6)的距离均小于I米;步骤二 分别调整两台视觉图像传感器(2)的位置，使两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头均对准圆斑阵列靶(6)上的同一测量区域，且圆斑阵列靶(6)的图像均匀清晰的分布在两台视觉图像传感器(2)的视场中，得到此位置的清晰的圆斑阵列靶(6)的图像；步骤三根据圆斑阵列靶(6)上已知圆斑阵列空间分布关系及所述圆斑阵列在每台视觉图像传感器(2)视场中的阵列成像位置，标定出两台视觉图像传感器(2)的内参数矩阵MlLeft、MiRight ; 步骤四将所述圆斑阵列靶(6)与所述两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头之间的距离调整为大于I米，并调整两台视觉图像传感器(2)的位置，使两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头对准圆斑阵列靶(6)上同一测量区域，且圆斑阵列靶(6)的图像均匀清晰的分布在两台视觉图像传感器(2)的视场中，得到此位置的清晰的圆斑阵列靶(6)的图像； 步骤五根据圆斑阵列靶(6)上已知圆斑阵列空间分布关系及所述圆斑阵列在视觉图像传感器(2)中的阵列成像位置，标定出两台视觉图像传感器(2)的外参数矩阵M.ft、^Rightj 标定阶段结束； 步骤六实际测量开启投影仪(4)，并通过投影仪(4)投射圆光斑阵列标记到被测物体表面(I); 步骤七两台视觉图像传感器(2)采集被测物体表面(I)上的圆光斑阵列数据，并将采集到的被测物体表面(I)上的圆光斑阵列的图像传输到远程控制中心(5)； 步骤八远程控制中心(5)对步骤七中两台视觉图像传感器(2)采集到的图像数据进行视觉图像传感器(2)镜头校正，并对圆光斑阵列圆心坐标进行提取与匹配； 步骤九根据步骤三和步骤五所述标定过程中得出的参数，所述参数为内参数矩阵M1Left, Mmght与外参数矩阵M^ft、M2Eight以及两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头的畸变参数，重建方程计算被测物体表面(I)上标记圆光斑阵列圆心处的空间坐标，所述圆光斑阵列圆心处的空间坐标为被测物体表面(I)上的坐标； 步骤十根据步骤九所述圆光斑阵列圆心处的空间坐标U。，y。，z0)通过三次样条插值法进行对被测物体表面(I)曲面拟合，最终得到被测物体表面(I)的曲面。
5.根据权利要求4所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，其特征在于 圆斑阵列靶(6)上与圆斑阵列空间分布关系与圆斑阵列靶(6)上圆斑阵列在视觉图像传感器(2)中的阵列成像位置满足如下所示关系
6.根据权利要求4或5所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，其特征在于所述步骤三中标定出两台视觉图像传感器(2)的镜头畸变参数kllA、k2、Pu/r、P21/r，所述畸变参数kU/r和k2分别表示两台视觉图像传感器(2 )的图像采集镜头镜像畸变的一次分量和二次分量，P11/r> P2IA分别为两台视觉图像传感器(2)的图像采集镜头的切向畸变的一次和二次分量； 所述步骤八中两台视觉图像传感器(2)采集到的图像数据进行视觉图像传感器(2)镜头校正为利用远程控制中心(5)的校正函数与已获得的畸变参数kllA、k2、Pll/pP2lA直接对采集到的图像进行校正处理。
7.根据权利要求4所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，其特征在于步骤六所述点结构光阵列为圆光斑规则排列的矩形阵列，其中圆光斑个数为纵横圆光斑点数的乘积。
8.根据权利要求4所述的基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置的测量方法，其特征在于 步骤九中所述重建方程计算被测物体表面(I)上标记圆光斑阵列圆心处的 空间坐标，令 MLeft = M1Left，MKight =Mmght · M2,其中
全文摘要
基于圆光斑标记的目标表面坐标的视觉测量装置及测量方法，涉及机器视觉测量领域，为了解决目前大型结构的表面坐标测量中存在标定过程人工参与较大、效率低，还可能引起被测表面的特性改变等缺陷。它包括两台视觉图像传感器、视觉图像采集装置、投影仪和圆斑阵列靶，投影仪的图像镜头朝向被测物体表面，两台视觉图像传感器的图像采集镜头均朝向圆斑阵列靶或被测物体表面，每个视觉图像传感器的图像数据输出端分别与视觉图像采集装置的两个图像数据输入端一一对应相连，视觉图像采集装置的图像数据输出端与远程控制中心的图像数据输入端相连。可广泛应用于大尺寸结构的低频起伏表面的坐标视觉测量。
文档编号G01C11/00GK102878948SQ20121036338
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者刘炳国, 刘国栋, 陈凤东, 唐烽, 庄志涛 申请人:哈尔滨工业大学