专利名称：一种测量物体的三维坐标的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置测量，尤其涉及一种测量物体的三维坐标的方法和装置。
背景技术：
目前，非接触动态测量物体的三维坐标在很多场合都会用到，而测量方法也多种 多样。其中一种方法是根据当作被检测物的光学元件或其模具的边缘求出面形状和多 个面的相对位置关系等进行三维坐标测定，这种方法是用于测量被测物的外形和设计坐标 系的相对位置，要求被测物为金属模具或光学元件等，而金属模具也限定为用塑料成型或 玻璃成型制造光学元件时使用的构件，因此，尽管这种方法测量精度较高，但对于对精度要 求不高的场合，考虑到造价，这种方法显然不是一个好选择。另外一种方法是采用光学的方法来进行三维坐标的测量，其是通过CXD摄像机采 集位于光笔上的至少三个光靶标的图像，传递给计算机，由计算机根据采集到的光靶标的 图像信息确定该光笔上的球形探头的位置，这种方法实现起来相对简单，且可以便携使用， 但是对于测量物体的位置不便接触的情形，测量者便无法近距离的将光笔的球形探头与被 测物体接触，另外，该光笔要单独制造，其造价也非常可观。还有一种方法是使用加速度计和陀螺仪，该方案探测运动物体的加速度，经过积 分得到物体的位移，然而这种方案不仅装置复杂，而且价格昂贵。
发明内容
本发明实施例提供一种测量物体的三维坐标的方法和装置，以便动态、7非接触的 测量物体相对于摄像头的三维坐标。本发明实施例的上述目的是通过如下技术方案实现的一种测量物体的三维坐标的方法，所述方法包括通过摄像头获取固定于被测物 体的靶标的图像；根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图 像传感器中心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积；根据所述靶标的 像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐标以及所述摄像头的图 像传感器上的像素点的间隔，获取所述靶标的像的实际距离坐标；根据所述靶标的像在所 述摄像头的图像传感器上的面积获得靶标与摄像头的距离；根据所述靶标与摄像头的距离 和所述靶标的图像的实际距离坐标以及所述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感 器的距离获得靶标相对于所述摄像头的坐标；根据靶标相对于所述摄像头的坐标获得被测 物体相对于所述摄像头的坐标。一种测量物体的三维坐标的装置，所述装置包括靶标，固定于被测物体上；摄像 头，用于获取所述固定于被测物体的靶标的图像，该摄像头包括图像传感器和透镜；处理 器，用于根据所述图像确定所述靶标相对于所述摄像头的坐标，该处理器包括提取单元， 用于根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积；第一计算单元，用于根据所 述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐标以及所述摄 像头的图像传感器上的像素点的间隔，计算获得所述靶标的像的实际距离坐标；第二计算 单元，用于根据所述靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积计算获得靶标与摄像头 的距离；第三计算单元，用于根据所述靶标与摄像头的距离和所述靶标的图像的实际距离 坐标以及所述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感器的距离计算获得靶标相对于 所述摄像头的坐标；确定单元，用于根据靶标相对于所述摄像头的坐标获得被测物体相对 于所述摄像头的坐标。本发明实施例提供的方法和装置与现有技术提供的三维坐标测量方案相比，计算 速度快，可以实时监控，由于采用非接触测量，提高了适用性，且所述装置结构简单、成本 低、所需计算参数少。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中图1为本发明实施例的方法流程图；图2A和图2B为本发明实施例的摄像头的结构示意图；图3为本发明实施例的摄像头与靶标的位置及坐标示意图；图4A为本法实施例的图像传感器、透镜与靶标的位置示意图；图4B为图4A中从Y轴看的示意图；图4C为图4A中的靶标成像于图像传感器的示意图；图5为本发明实施例的装置组成框图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附 图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本 发明，但并不作为对本发明的限定。图1为本发明实施例提供的一种测量物体的三维坐标的方法的流程图，请参照图 1，该方法包括101 通过摄像头获取固定于被测物体的靶标的图像；在本实施例中，请参照图2A，摄像头与现有技术中的摄像头一样，主要包括图像 传感器21、透镜22、壳体23和排线对，组合在一起的结构如图2B所示。在本实施例中，靶标的形状可以为球形，且靶标与被测物体连接固定，以便根据靶 标的坐标直接确定该被测物体的坐标。图3为本实施例的摄像头与靶标的位置及坐标示意图，请参照图3，本实施例以摄 像头透镜(镜头)中心为坐标原点，以垂直摄像头方向为Z轴。测量前，先将靶标固定于被 测物体上，使靶标处于摄像头的拍摄范围内。102:根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像 传感器中心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积；
图4A为本实施例的摄像头的图像传感器、透镜以及靶标的立体位置及距离示意 图，图4B为图4A中从Y轴角度看的靶标的位置示意图，图4C为图4A中图像传感器上的靶 标的像在图像传感器上的位置示意图。如图4A-图4C所示，在本实施例中，摄像头拍摄到靶标的图像后，成像于其图像传 感器上，根据图像传感器上的靶标的像，可以获得靶标的像的中心所在的像素点相对于所 述摄像头的图像传感器中心的坐标Nx和Ny，以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上 的面积S。103:根据所述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中 心的坐标以及所述摄像头的图像传感器上的像素点的间隔，获取所述靶标的像的实际距离 坐标；请继续参照图4C，在本实施例中，假设摄像头分辨率为Nw* ，摄像头中图像传感
J WjH
器的实际宽度和高度分别为W、H，则图像传感器上像素点的间隔为& = —'^ = TT-，结合
jyWH
步骤102获得的靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐 标Nx和Ny，靶标的像的实际距离坐标为χ = Nx*dx，y = Ny*dy。104:根据所述靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积获得靶标与摄像头 的距离；由数学及成像知识可知，同一靶标与摄像头距离Z不同时，靶标的像在图像传感
器上的面积S也不同，这种关系近似为S = +，其中k为比例常数，k可以由摄像头参数，
例如摄像头分辨率Nw* 、图像传感器的实际宽度W和高度H、透镜中心与图像传感器的 距离D等及靶标参数，例如靶标直径R等确定推导出，例如，根据上述参数值和公式k = (^ R2D2NwNh) /WH计算获得该比例常数k ；也可以由实测拟合得到，例如，先通过实测获得一
组Z值及对应的S值，然后根据公式51 = +获得一组k，取这组k值的平均值作为本实施例 的比例常数k，上述只是举例说明，本实施例并不以此作为限制。因此，根据步骤102获得的 靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积s，可以得到靶标与摄像头的距离ζ = ·。105:根据所述靶标与摄像头的距离和所述靶标的图像的实际距离坐标以及所 述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感器的距离获得靶标相对于所述摄像头的坐 标；由步骤104计算获得的靶标与摄像头的距离Z结合透镜中心与图像传感器的距离
7 * ν7 * ν
D可以得到靶标的坐标X和Y，分别为义=—,Y = 。由此，靶标相对于摄像头的三维 坐标(X，Y，z)就可以得到了。106:根据靶标相对于所述摄像头的坐标获得被测物体相对于所述摄像头的坐标。在本实施例中，由于靶标固定连接于被测物体上，因此靶标相对于摄像头的坐标 可以近似为被测物体相对于摄像头的坐标，由此，本实施例通过非接触测量的方式获得了 被测物体的三维坐标。本实施例根据已知的摄像头的参数，例如分辨率、图像传感器的实际宽高、透镜中心与图像传感器的距离，以及已知的靶标的参数，例如直径，可以根据摄像头拍摄到的靶标 的像在图像传感器上的位置及靶标的像的面积计算出靶标相对于摄像头的三维坐标(χ，γ， Ζ)，由于所需输入参数少，不仅计算速度快，可以做到实时监控，而且采用非接触测量，提高 了适用性。图5为本实施例的测量物体的三维坐标的装置的组成框图，请参照图5，本实施例 的装置包括靶标51、摄像头52以及处理器53，其中在测量之前，靶标51被固定连接于被测物体上，在一个实施方式中，靶标的形状 为球形，并且其直径为已知。摄像头52用于获取所述固定于被测物体的靶标的图像，在一个实施方式中，该摄 像头52可以包括图像传感器521和透镜522，还可以进一步包括壳体和排线，详见图2Α和 图2Β。处理器53用于根据所述图像确定所述靶标相对于所述摄像头的坐标，在一个实 施方式中，该处理器53可以包括提取单元531、第一计算单元532、第二计算单元533、第三 计算单元534、以及确定单元535，其中提取单元531用于根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述 摄像头的图像传感器中心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积。在一 个实施方式中，该提取单元531可以实现前述步骤102的功能，在此不再赘述。第一计算单元532用于根据所述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像
头的图像传感器中心的坐标以及所述摄像头的图像传感器上的像素点的间隔，计算获得所
述靶标的像的实际距离坐标。在一个实施方式中，摄像头的分辨率、图像传感器的实际宽高
权利要求
1.一种测量物体的三维坐标的方法，其特征在于，所述方法包括 通过摄像头获取固定于被测物体的靶标的图像；根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中 心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积；根据所述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐标 以及所述摄像头的图像传感器上的像素点的间隔，获取所述靶标的像的实际距离坐标； 根据所述靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积获得靶标与摄像头的距离； 根据所述靶标与摄像头的距离和所述靶标的图像的实际距离坐标以及所述摄像头的 透镜中心与所述摄像头的图像传感器的距离获得靶标相对于所述摄像头的坐标； 根据靶标相对于所述摄像头的坐标获得被测物体相对于所述摄像头的坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶标的像的实际距离坐标为χ= Nx*dx，y = By*dy，其中，Nx和Ny为所述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头 的图像传感器中心的坐标，dx和dy为所述摄像头的图像传感器上像素点的间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述摄像头的图像传感器上像素点的间 WH隔为& = 7Γ，办=i，其中，Nw^Nh为所述摄像头的分辨率，w为所述摄像头的图像传感器 的实际宽度、H为所述摄像头的图像传感器的实际高度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述靶标与摄像头的距离为Z，其中，k为比例常数，S为所述靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，靶标相对于所述摄像头的坐标为χ 二H，r = H,Z =、f^,其中，D为所述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感 DD\S器的距离。
6.一种测量物体的三维坐标的装置，其特征在于，所述装置包括 靶标，固定于被测物体上；摄像头，用于获取所述固定于被测物体的靶标的图像，该摄像头包括图像传感器和透镜；处理器，用于根据所述图像确定所述靶标相对于所述摄像头的坐标，该处理器包括 提取单元，用于根据所述图像提取靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的 图像传感器中心的坐标以及靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积；第一计算单元，用于根据所述靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像 传感器中心的坐标以及所述摄像头的图像传感器上的像素点的间隔，计算获得所述靶标的 像的实际距离坐标；第二计算单元，用于根据所述靶标的像在所述摄像头的图像传感器上的面积计算获得 靶标与摄像头的距离；第三计算单元，用于根据所述靶标与摄像头的距离和所述靶标的图像的实际距离坐标 以及所述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感器的距离计算获得靶标相对于所述 摄像头的坐标；确定单元，用于根据靶标相对于所述摄像头的坐标获得被测物体相对于所述摄像头的 坐标。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元用于根据公式χ= Nx*dx和y = Ny*dy计算获得所述靶标的像的实际距离坐标χ和y，其中，Nx和Ny为所述 靶标的像的中心所在的像素点相对于所述摄像头的图像传感器中心的坐标，dx和dy为所 述摄像头的图像传感器上像素点的间隔。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述摄像头的图像传感器上像素点的间 W H隔& = F，办=^T，其中，Nw^Nh为所述摄像头的分辨率，w为所述摄像头的图像传感器的 实际宽度、H为所述摄像头的图像传感器的实际高度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元用于根据公式Z= ^ll计算获得所述靶标与摄像头的距离Z，其中，k为比例常数，S为所述靶标的像在所述摄像头 的图像传感器上的面积。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第三计算单元用于根据公式X = ’和r = 计算获得靶标相对于所述摄像头的坐标χ和Y，进而获得靶标相对于所述摄像头的坐标X、Y和Z，其中，D为所述摄像头的透镜中心与所述摄像头的图像传感器 的距离。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述靶标为球形。
全文摘要
本发明实施例提供一种测量物体的三维坐标的方法和装置，该方法包括通过摄像头获取固定于被测物体的靶标的图像；提取靶标的像的中心所在的像素点相对于图像传感器中心的坐标以及靶标的像在图像传感器上的面积；根据所述坐标以及图像传感器上的像素点的间隔，获取靶标的像的实际距离坐标；根据所述面积获得靶标与摄像头的距离；根据所述距离和所述实际距离坐标以及摄像头的透镜中心与图像传感器的距离获得靶标相对于摄像头的坐标；根据靶标相对于摄像头的坐标获得被测物体相对于摄像头的坐标。本发明实施例提供的方法和装置计算速度快，可以实时监控，由于采用非接触测量，提高了适用性，且所述装置结构简单、成本低、所需计算参数少。
文档编号G01B11/00GK102062574SQ20091023815
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者安伟建, 李刚, 李明玉, 白岩, 祝春华, 邓宇, 韩近跃, 马辉 申请人:北京视博数字电视科技有限公司