一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，建立摄像机坐标系、图像坐标系、激光跟踪仪坐标系以及靶标坐标系；将激光光束投射到平面靶标上，并在视觉导引摄像机成像，多次移动靶标获取激光光束在摄像机坐标系下的直线方程；获取激光跟踪仪运动参数，即获得激光光束在激光跟踪仪坐标系下的直线方程；获取多条激光光束方程后，得到摄像机坐标系和激光跟踪仪坐标之间的转换关系。本发明操作简单，利用一平面靶标即可完成标定，不但提高了全局标定的速度，而且不存在由球形反射器反复测量标定物带来的误差，标定结果更加准确。
【专利说明】一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光跟踪仪测量技术，特别涉及一种激光跟踪仪视觉导引系统的全局标定方法。
【背景技术】
[0002]空间点位置的精密测量在现代工业制造领域广泛应用于位姿测量，质量检测等方面，特别是在大尺寸工件制造和装配领域，如重型机械制造、航空航天制造业、汽车船舶制造业等。激光跟踪仪测量系统作为工业测量系统中的一种便携式三维测量系统，以其大范围(测量直径可达80m)，高精度(4 111级)，高数据采集率(3000point/S)，安装快捷，操作简便等特点，广泛应用于大尺寸工件的制造装配领域中。
[0003]激光跟踪仪是一个球坐标测量设备，通过将激光光束投射到反射靶标上(通常为一个内置三面正交镜的球形反射器)，由内部干涉仪测量球形反射器到参考点的距离，旋转码盘测量水平方向和竖直方向的旋转角度，从而得到球形反射器的精确空间坐标。但是，由于激光跟踪仪的光学测量特性，其在大尺寸工件的测量中存在着测量目标单一和空间遮挡的问题。
[0004]测量目标单一，即单台激光跟踪仪在测量过程中只能跟踪测量一个目标靶标，且当激光光束因故中断，而目标靶标移动出激光投射范围后，激光跟踪仪不能找到目标反射器的位置。为了克服这一缺点，视觉导引系统被应用在激光跟踪仪测量系统中。激光跟踪仪视觉导引系统的主要组成部分为固定在激光跟踪仪旋转测头上的摄像机。在激光跟踪仪测量过程中，通过视觉导引摄像机，快速寻找位于摄像机视场内的一个或多个目标靶标，指引激光跟踪仪将光束投射到目标靶标，实现多个空间位置的快速定位和测量。
[0005]空间遮挡是大尺寸工件测量过程中不可避免的问题，特别是对于那些形状复杂的目标工件。迄今为止，有两种典型的方法用于解决这个问题:一种利用单台测量设备通过移动多个位置，以获取大尺度工件上的所有特征点。这种方法虽然能测量所有的目标点，但是在目标点信息融合的过程中，由于测量设备移动而影响坐标统一，使得测量精度降低。同时，在一些特殊的不允许设备移动的场合，这种测量方法具有一定的局限性。因此，出现了利用多站式测量系统对目标进行测量的方式。多站式测量系统利用多台测量设备，对各自测量范围内的目标点进行测量，通过坐标转换将测量数据统一到同一坐标系下。这种测量模式不需要测量设备进行移动，通过预先标定好的各个坐标系间转换关系实现信息的融合，减少了坐标统一过程中的精度损失，可以很好地对大尺寸工件进行测量。
[0006]目前，引入视觉导引摄像机的多站式激光跟踪仪测量系统已得到广泛的应用。该系统在克服激光跟踪仪本身的测量缺点的基础上，充分利用激光跟踪仪在测量方面的优势，结合多站式测量系统的数据融合技术，对大型工件进行快速精确的测量。激光跟踪仪测量系统最主要的任务是坐标之间的转换，包括激光跟踪仪视觉导引摄像机坐标系到激光跟踪仪坐标系之间的转换关系，以及各激光跟踪仪站点坐标系之间的转换关系。由于激光跟踪仪多测站之间的转换关系通常以单台激光跟踪仪的转换关系为基础，因此，单台激光跟踪仪视觉导引测量系统的全局校准的精度和效率显得尤为重要。
[0007]视觉引导系统常用的标定方法利用便于激光跟踪仪和视觉导引摄像机同时测量的靶标(通常为圆孔靶标，以方便放置球形反射器)，激光跟踪仪测得靶标特征点在激光跟踪仪坐标系下的坐标，全局导引摄像机根据靶标特征点之间的距离约束得到靶标特征点在摄像机坐标系下的坐标，由对应点或者对应坐标系下同名向量之间的关系,求得两坐标系之间的转换矩阵，完成视觉导引摄像机的标定(具体内容见魏振忠“激光跟踪仪视觉导引测量系统的全局校准方法，(仪器仪表学报，30 (11)，2009，2262-2267)) ” 一文。
[0008]但是，传统的激光跟踪仪视觉导引系统的全局标定方法需要的靶标加工较复杂且精度较低，标定过程中需要测量大量祀标特征点的坐标，工作量较大，测量祀标特征点的过程中要求靶标固定不动，而球形反射器测量过程中需要与靶标进行接触，难免会引入一定误差。
【发明内容】
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[0009]本发明技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，操作简单，摆脱了激光跟踪仪测量过程必需的球形反射器球的约束，利用一平面靶标即可完成标定，不但提高了全局标定的速度，而且不存在由球形反射器反复测量标定物带来的误差，标定结果更加准确。
[0010]本发明技术解决方案:一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，该方法包括:建立摄像机坐标系、图像坐标系、激光跟踪仪坐标系以及靶标坐标系；将激光光束投射到平面靶标上，并在视觉导引摄像机成像，多次移动靶标获取激光光束在摄像机坐标系下的直线方程；获取激光跟踪仪运动参数，即获得激光光束在激光跟踪仪坐标系下的直线方程；获取多条激光光束方程后，得到摄像机坐标系和激光跟踪仪坐标之间的转换关系。
[0011]具体实现步骤如下:
[0012]步骤1:建立视觉导引摄像机的摄像机坐标系、图像坐标系，靶标坐标系以及激光跟踪仪坐标系；
[0013]步骤2:获取用于计算激光光束直线的靶标图像，提取靶标图像特征点的坐标，根据所提取的特征点的图像坐标以及对应特征点在靶标坐标系下的坐标，得到图像坐标系xy平面也称为图像平面，到靶标坐标系xy平面称为靶标平面之间的单应关系以及靶标坐标系到摄像机坐标系的转换关系；
[0014]步骤3:提取光束直线在靶标上投射光点的图像坐标，由步骤2所述图像坐标系xy平面到靶标坐标系xy平面之间的单应关系，求得投射光点在靶标坐标系下的坐标，再由靶标坐标系到摄像机坐标系的转换关系转换到摄像机坐标系下；
[0015]步骤4:多次移动平面靶标，由步骤3中所述方法，得到激光跟踪仪激光光束上多个光点，即激光光束与平面靶标的交点，在摄像机坐标系下的坐标，拟合得到激光光束在摄像机坐标系下的直线方程，同时，此激光光束在激光跟踪仪坐标系下的直线方程由激光跟踪仪参数可得，且激光光束过激光跟踪仪坐标系原点；
[0016]步骤5:通过步骤4，获取多条激光跟踪仪激光光束在视觉导引摄像机以及激光跟踪仪坐标系下的方程，根据获得的方程即可得到摄像机坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换关系。
[0017]所述步骤4中激光光束为任意光束，但，一些特殊限制可以减少标定过程的计算量且不影响标定结果，如将激光光束固定在一俯仰平面内；所述激光光束的数量任意，多条光束使标定结果更加精确；每变换一次激光光束方向，需重复步骤2操作。
[0018]步骤2中对获取的激光光束直线的靶标图像包括:由视觉导引摄像机拍摄的平面靶标图像，同时对获取的平面靶标图像进行畸变校正；由摄像机所获取的平面靶标图像包含激光跟踪仪激光光束投射到靶标平面形成的光点图像，以及靶标平面内至少四个非共线特征点。
[0019]所述步骤4中多次移动靶标用于获取激光光束与平面靶标交点在摄像机坐标系的坐标，靶标位置数量增多使得激光光束直线在摄像机坐标系下的方程更加精确。
[0020]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明提供的激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，摆脱了传统标定方法中对球形反射器的依赖，利用一平面靶标即可完成标定，通过拍摄靶标平面上四个或以上非共线特征点以及光点图像的坐标，无需任何辅助设备即可得到特征点及光点在摄像机坐标系下的坐标，进而由所得到多条光束直线在两个坐标系下的表达完成对视觉导引系统的标定，提高了标定的效率，且操作简单，同时，不会引入由于球形反射器多次重复测量特征点而带来的误差，标定结果更加精确。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明实现流程图；
[0022]图2视觉导引摄像机标定原理示意图；
[0023]图3为激光跟踪仪坐标系示意图；
[0024]图4为本发明中全局标定靶标图像；
[0025]图5本为发明中激光跟踪仪视觉引导系统标定；
[0026]图6为本发明中视觉引导摄像机拍摄的祀标标定图像；
[0027]图7为本发明中由光斑点拟合空间直线；
[0028]图8为本发明中圆孔靶标示意图。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，本发明方法实现步骤如下:
[0030]1.建立摄像机坐标系、图像坐标系、靶标坐标系以及激光跟踪仪坐标系。
[0031 ] 如图2所示，建立摄像机坐标系Oc-XcYcZc，其中O为坐标原点，XYZ为三个坐标轴方向，下同；激光跟踪仪坐标系Ot-XtYtZt,靶标坐标系Ow-XwYwZw,激光跟踪仪旋转后的坐标系为Otk-XtkYtkZtk, K为坐标系Ow-XwYwZw到坐标系Oc-XJcZc的旋转矩阵，K为坐标系Ow-XwYwZw
到坐标系Oe-XeYeZe的平移矩叼R为摄像机坐标系Oe-XJeZe到坐标系Otk-XtkYtkZtk的旋转矩阵，Tcm为摄像机坐标系Oc-XJcZc到坐标系Otk-XtkYtkZtk的平移矩阵。(Xw，Yff, Zff, I)τ为点在靶标坐标系Ow-XwYwZw下的坐标，(Xc, Yc, Zc, 1)τ为点在摄像机坐标系Oc-XJcZc下的坐标。摄像机坐标系Oe-XeYeZe到激光跟踪仪旋转坐标系Otk-XtkYtkZtk之间的转换关系[Rf TTCR ]保持不变，亦即全局标定所需求的量。
[0032]激光跟踪仪是一个球坐标测量系统，其可建立多种坐标系，如右手笛卡尔坐标系，左手笛卡尔坐标系，极坐标系等。激光跟踪仪默认的坐标系为右手笛卡尔坐标系(如图2)，即方向为竖直方向角的转轴方向并指向右侧；ZT轴方向为水平方位角的转轴方向并指向跟踪仪上方(在本发明中作为激光跟踪仪的坐标系)。
[0033]如图3所示，设激光跟踪仪的水平方位角为α，竖直方位角为β，极半径为L，则空间点P在激光跟踪仪坐标系Ot-XtYtZt的坐标(Χτ，Υτ, Ζτ)τ可由下式计算得到:
【权利要求】
1.一种激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，其特征在于实现步骤如下: 步骤1:建立视觉导引摄像机的摄像机坐标系、图像坐标系，靶标坐标系以及激光跟踪仪坐标系； 步骤2:获取用于计算激光光束直线的靶标图像，提取靶标图像特征点的坐标，根据所提取的特征点的图像坐标以及对应特征点在靶标坐标系下的坐标，得到图像坐标系xy平面也称为图像平面，到靶标坐标系xy平面称为靶标平面之间的单应关系以及靶标坐标系到摄像机坐标系的转换关系； 步骤3:提取光束直线在靶标上投射光点的图像坐标，由步骤2所述图像坐标系xy平面到靶标坐标系xy平面之间的单应关系，求得投射光点在靶标坐标系下的坐标，再由靶标坐标系到摄像机坐标系的转换关系转换到摄像机坐标系下； 步骤4:多次移动平面靶标，由步骤3中所述方法，得到激光跟踪仪激光光束上多个光点，即激光光束与平面靶标的交点，在摄像机坐标系下的坐标，拟合得到激光光束在摄像机坐标系下的直线方程，同时，此激光光束在激光跟踪仪坐标系下的直线方程由激光跟踪仪参数可得，且激光光束过激光跟踪仪坐标系原点； 步骤5:通过步骤4，获取多条激光跟踪仪激光光束在视觉导引摄像机以及激光跟踪仪坐标系下的方程，根据获得的方程即可得到摄像机坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换关系O
2.根据权利要求1所述的激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，其特征在于:所述步骤4中激光光束为任意光束，但一些特殊限制可以减少标定过程的计算量且不影响标定结果，如将激光光束固定在一俯仰平面内；所述激光光束的数量任意，多条光束使标定结果更加精确；每变换一次激光光束方向，需重复步骤2操作。
3.根据权利要求1所述的激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，其特征在于:步骤2中对获取的激光光束直线的靶标图像包括:由视觉导引摄像机拍摄的平面靶标图像，同时对获取的平面靶标图像进行畸变校正；由摄像机所获取的平面靶标图像包含激光跟踪仪激光光束投射到靶标平面形成的光点图像，以及靶标平面内至少四个非共线特征点。
4.根据权利要求1所述的激光跟踪仪视觉导引摄像机的全局标定方法，其特征在于:所述步骤4中多次移动靶标用于获取激光光束与平面靶标交点在摄像机坐标系的坐标，靶标位置数量增多使得激光光束直线在摄像机坐标系下的方程更加精确。
【文档编号】G01C25/00GK104197960SQ201410469332
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】魏振忠, 邵明伟, 张广军 申请人:北京航空航天大学