大空间线扫描成像三维测量方法与流程

本发明属于大尺寸空间三维测量技术，涉及一种大空间线扫描成像三维测量方法。

背景技术：

在航空、航天和民用工业等领域，大型零部件的加工和装配精度要求越来越高，现有坐标测量技术已很难满足其快速发展的需求，如大型零件的变形和大空间内物体定位均缺乏高效准确的测量手段。

机器视觉测量在大范围内几何尺寸测量方面具有较强的技术优势，主要表现在测量速度快、测量设备便携、使用灵活等方面。但常规视觉测量技术在测量范围和精度方面仍有局限性，如单目或双目视觉测量系统的测量距离大多只有十几米，视场范围多小于六十度。除采用机器视觉测量技术外，能够在量程和精度上满足工业大尺度精密测量要求的测量系统主要包括激光跟踪仪、经纬仪、全站仪、IGPS。激光跟踪仪测量精度高、距离远，但其只能进行单点测量并且测量过程容易受光路阻断影响测量效率较低。经纬仪与全站仪同样需要反射靶标配合，无法同时多点测量。上述几类测量系统在测量精度、速度和量程上只能部分或间接满足工业大尺寸测量的要求。

现代工业发展迫切需要一种同时具备大视场、高精度和多点高速测量性能的高效三维测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种具备大视场、高精度和多点高速测量性能的大空间线扫描成像三维测量方法。本发明的技术解决方案是，线扫描成像三维测量采用由测量装置、测量主机、靶标构成的测量系统，其特征是，测量装置包括线阵相机和平面转镜，线阵相机由线阵图像传感器、远心F-θ光学镜头和图像采集卡组成，平面转镜由平面反射镜和单轴转台组成，单轴转台的旋转轴线通过平面反射镜的反射面，单轴转台的旋转轴线与线阵相机的成像面平行同时与线阵相机的光轴垂直相交，将两个测量装置为一组安装在被测对象周边，在被测对象设置靶标；调整各测量装置的初始位置，通过测量控制点靶标标定参数获取测量装置位置关系，每组测量装置中的平面转镜同时旋转获取扫描图像，线阵相机将扫描图像经图像采集卡输入至测量主机，提取靶标并进行匹配，获得靶标中心的图像坐标值，并计算靶标中心点在测量装置坐标系中的角度信息；结合测量装置的位置信息，由测量主机计算出每个靶标中心的空间三维坐标值；计算方法是，

给每组两个测量装置编号，分别记为一号测量装置和二号测量装置，以测量装置中线阵相机光轴与单轴转台旋转轴线的交点为坐标原点O，单轴转台旋转轴线为Z轴、线阵相机光轴为X轴，利用右手准则建立测量装置坐标系，其中一号测量装置坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，二号测量装置坐标系为O₂X₂Y₂Z₂，并将一号测量装置坐标系作为全局坐标系，二号测量装置坐标系到全局坐标系的旋转矩阵位移矢量T＝[t_x t_y t_z]′，根据如下模型计算所述靶标中心点P(x,y,z)在全局坐标系下的坐标值

式中，X₁＝cotα₁、Y₁＝tanβ₁/sinα₁、X₂＝cotα₂、Y₂＝tanβ₂/sinα₂，

其中α₁为一号测量装置坐标系下靶标中心点P和坐标系原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在一号测量装置成像时平面反射镜的旋转角度值和初始角度值确定，α₂为二号测量装置坐标系下靶标中心点P和原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在二号测量装置成像时平面反射镜的旋转角度值和初始角度值确定，

β₁为一号测量装置坐标系下靶标中心点P和坐标系原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₁为一号测量装置图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₁为一号测量装置图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₁为一号测量装置线阵相机焦距，Δy₁为一号测量装置线阵图像传感器的像素尺寸，f₁、Δy₁的单位均为mm，

β₂为二号测量装置坐标系下靶标中心点P和原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₂为二号测量装置图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₂为二号测量装置图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₂为二号测量装置线阵相机焦距，Δy₂为二号测量装置线阵图像传感器的像素尺寸，f₂、Δy₂的单位均为mm，

ε₁为一号测量装置坐标系下靶标中心点P在一号测量装置平面反射镜上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₁＝O_c1O₁·tanβ₁，其中O_c1O₁为一号测量装置线阵相机光心O_c1与坐标系原点O₁之间的距离，

ε₂为二号测量装置坐标系下靶标中心点P在二号测量装置平面反射镜上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₂＝O_c2O₂·tanβ₂，其中O_c2O₂为二号测量装置线阵相机光心O_c2与坐标系原点O₂之间的距离。

通过测量控制点靶标的方式进行参数标定，在测量场内布置控制点靶标个数大于等于7。

本发明具有的优点和有益效果在于：大空间线扫描成像三维测量方法既具有传统视觉测量的优势可以快速高效进行多点测量，又在水平方向和垂直方向同时具有超高分辨率和大视场角，能够实现大空间远距离多点三维坐标测量。

附图说明

图1大空间线扫描成像三维测量系统示意图：1—一号测量装置，2—二号测量装置，3—靶标，4—测量主机，101—一号测量装置线阵相机，102—一号测量装置平面反射镜，103—一号测量装置单轴转台，201—二号测量装置线阵相机，202—二号测量装置平面反射镜，203—二号测量装置单轴转台。

图2大空间线扫描成像三维测量方法流程图。

图3大空间线扫描成像三维测量模型示意图：101—一号测量装置线阵相机，102—一号测量装置平面反射镜，201—二号测量装置线阵相机，202—二号测量装置平面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

另外，为了避免使本说明书的描述陷于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

本发明公开了一种大空间线扫描成像三维测量方法，借助由测量装置、测量主机、靶标构成的测量系统实现，每两个测量装置为一组与测量主机、靶标配合能够实现一定范围区域的空间三维坐标测量，可以通过增加测量装置组的方式扩展测量范围。

如图1所示，一个测量系统中包括一号测量装置1、二号测量装置2、靶标3和测量主机4，其中一号测量装置1包括线阵相机101和平面转镜，线阵相机101由线阵图像传感器、远心F-θ光学镜头和图像采集卡组成，平面转镜由平面反射镜102和单轴转台103组成，单轴转台103的旋转轴线通过平面反射镜102的反射面，单轴转台103的旋转轴线与线阵相机101的成像面平行同时与线阵相机101的光轴垂直相交，二号测量装置2与一号测量装置1具有相同构造。

如图2所示，大空间线扫描成像三维测量方法测量步骤如下：

1)布置测量场，将测量装置两个为一组安装在被测对象周边，在被测对象设置靶标；布置过程中调整每个测量装置的安装位置，使其均可以采集到待测靶标，确定测量装置平面转镜的初始位置。测量过程中，可以根据测量场内的光照条件和靶标成像情况设置适当的光照补偿。

2)通过测量控制点靶标的方式进行参数标定，在测量场内布置多个控制点靶标，控制点靶标个数大于等于7，利用控制点的位置信息解算出两测量装置的相对位置关系，即旋转矩阵和位移矢量，建立测量坐标系。参数标定可以看作是三维测量的逆过程，标定时参与标定的测量装置同时对控制点靶标进行测量，获取控制点对于测量装置坐标系的角度信息，然后结合已知的控制点位置信息，建立非线性方程组，利用Levenberg-Marquardt算法求解得到旋转矩阵和位移矢量。

3)开始测量，每组测量装置的平面转镜同时旋转获取扫描图像，通过图像处理提取靶标并进行匹配，获得靶标中心在各采集图像上的图像坐标值。平面转镜可以做往复运动，去程和回程相机均采集图像。单轴转台可以顺时针旋转，按采集的先后次序，顺序进行单帧图像拼接形成一幅采集图像；单轴转台逆时针旋转，按采集的先后次序，逆序进行单帧图像拼接形成的一幅采集图像。测量装置中平面转镜的旋转角速度可以通过下面公式计算

其中V_r为平面转镜的角速度、F_c为线阵相机的行频、R_c为线阵图像传感器纵向分辨率、FOV为远心F-θ光学镜头的视场角。

4)计算靶标中心点在测量装置坐标系中的角度信息，包括水平角和垂直角，水平角由靶标中心点图像的横坐标即靶标中心点在测量装置成像时平面转镜的旋转角度值和初始角度值确定，垂直角由靶标中心点图像的纵坐标计算得到；

结合通过参数标定获得的测量装置的位置关系，由测量主机计算出每个靶标中心点的空间三维坐标值。

如图3所示，以测量装置中线阵相机光轴与单轴转台旋转轴线的交点为坐标原点O，单轴转台旋转轴线为Z轴、线阵相机光轴为X轴，利用右手准则建立测量装置坐标系，其中一号测量装置坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，二号测量装置坐标系为O₂X₂Y₂Z₂，并将一号测量装置坐标系作为全局坐标系，二号测量装置坐标系到全局坐标系的旋转矩阵位移矢量T＝[t_x t_y t_z]′，根据如下模型计算所述靶标中心点P(x,y,z)在全局坐标系下的坐标值

式中，X₁＝cotα₁、Y₁＝tanβ₁/sinα₁、X₂＝cotα₂、Y₂＝tanβ₂/sinα₂，

其中α₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P和坐标系原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在一号测量装置1成像时平面反射镜102的旋转角度值和初始角度值确定，α₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P和原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在二号测量装置2成像时平面反射镜202的旋转角度值和初始角度值确定，

β₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P和坐标系原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₁为一号测量装置1图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₁为一号测量装置1图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₁为一号测量装置1线阵相机101的焦距，Δy₁为一号测量装置1线阵图像传感器的像素尺寸，f₁、Δy₁的单位均为mm，

β₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P和原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₂为二号测量装置2图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₂为二号测量装置2图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₂为二号测量装置2线阵相机201的焦距，Δy₂为二号测量装置2线阵图像传感器的像素尺寸，f₂、Δy₂的单位均为mm，

ε₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P在平面反射镜102上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₁＝O_c1O₁·tanβ₁，其中O_c1O₁为线阵相机101光心O_c1与坐标系原点O₁之间的距离，

ε₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P在平面反射镜202上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₂＝O_c2O₂·tanβ₂，其中O_c2O₂为线阵相机201光心O_c2与坐标系原点O₂之间的距离。

实施例

本具体实施例选取在室外，测量距离为70m，对大型塔架上布置的靶标进行三维坐标测量。

布置测量场，两个测量装置安装在塔架前方地面上，在塔架上设置20个靶标，其中10个靶标是预先设置好的空间位置已知的控制点靶标，10个靶标待测；调整各测量装置的位置使塔架上设置的靶标均能在测量装置成像。

通过测量塔架上预先设置好的10个空间相对位置已知的控制点靶标进行参数标定，获得两测量装置的相对位置关系，即旋转矩阵R和位移向量T。

启动测量程序，两测量装置的平面转镜同时旋转获取扫描图像，通过图像处理提取靶标并进行匹配，获得靶标中心在两幅采集图像上的图像坐标值。测量装置中线阵图像传感器行频F_c＝200kHz、线阵图像传感器纵向分辨率R_c＝8192、光学系统视场角FOV＝90°，转镜旋转角速度平面转镜的有效旋转范围为45°即横向扫描视场角为90°，

根据靶标中心的图像坐标确定靶标中心点在测量装置坐标系中的角度信息，然后由测量主机根据靶标中心点在各测量装置坐标系下的角度信息计算出每个靶标中心的空间三维坐标值。

如图3所示，以测量装置中线阵相机光轴与单轴转台旋转轴线的交点为坐标原点O，单轴转台旋转轴线为Z轴、线阵相机光轴为X轴，利用右手准则建立测量装置坐标系，其中一号测量装置坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，二号测量装置坐标系为O₂X₂Y₂Z₂，并将一号测量装置坐标系作为全局坐标系，二号测量装置坐标系到全局坐标系的旋转矩阵位移矢量T＝[t_x t_y t_z]′，根据如下模型计算所述靶标中心点P(x,y,z)在全局坐标系下的坐标值

式中，X₁＝cotα₁、Y₁＝tanβ₁sinα₁、X₂＝cotα₂、Y₂＝tanβ₂/sinα₂，

其中α₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P和坐标系原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在一号测量装置1成像时平面反射镜102的旋转角度值和初始角度值确定，等于平面反射镜102开始旋转时的初始角度值与运动到靶标中心点成像时转过角度值的二倍之和乘以二，

α₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P和原点连线在XY平面上的投影到X轴正方向的夹角，由靶标中心点在二号测量装置2成像时平面反射镜202的旋转角度值和初始角度值确定，等于平面反射镜202开始旋转时的初始角度值与运动到靶标中心点成像时转过角度值的二倍之和乘以二，

β₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P和坐标系原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₁为一号测量装置1图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₁为一号测量装置1图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₁为线阵相机101的焦距，f₁＝26.07mm，Δy₁为一号测量装置1线阵图像传感器的像素尺寸，Δy₁＝0.005mm

β₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P和原点的连线与其在XY平面的投影之间的夹角，满足其中v₂为二号测量装置2图像坐标系下靶标图像中心点的纵坐标值，v₀₂为二号测量装置2图像坐标系下图像主点纵坐标值，f₂为线阵相机201的焦距，f₂＝26.07mm，Δy₂为二号测量装置2线阵图像传感器的像素尺寸，Δy₂＝0.005mm，

ε₁为一号测量装置1坐标系下靶标中心点P在平面反射镜102上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₁＝O_c1O₁·tanβ₁，其中O_c1O₁为线阵相机101光心O_c1与坐标系原点O₁之间的距离，

ε₂为二号测量装置2坐标系下靶标中心点P在平面反射镜202上的反射点与坐标系原点之间的距离，满足ε₂＝O_c2O₂·tanβ₂，其中O_c2O₂为线阵相机201光心O_c2与坐标系原点O₂之间的距离。