专利名称：一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机器视觉测量领域，是一种大尺度立体视觉测量系统。该装置可广泛应用于工业中的工件检测、场景的深度感知、物体三维扫描和反向工程等领域。
背景技术：
计算机视觉是用计算机实现人的视觉功能——对客观世界的三维场景的感知、识别和理解。机器视觉是建立在计算机视觉理论基础上，偏重于计算机视觉技术的工程化。随着电子、计算机和信号处理等相关技术的发展，机器视觉得到了迅速发展，并且由于其具有非接触、实时性好、可视化好、自动化和智能性高等优点，在经济建设、科学研究和国防建设等重大领域得到广泛地应用。目前，立体视觉测量的方式主要有固定式双目视觉测量、浮动式测量和旋转式柔性双目测量。双目视觉测量是利用两个已知内参数CCD相机从不同角度同时拍摄物体，再用这两幅图像重构被测物体。固定式双目测量是指先利用场景中若干已知空间坐标的控制点标好CCD相机的外参数，然后利用被测物体的像面信息来重构被测物体。若要改变视场，就必须整体移动固定式双目测量系统，在移动过程中很难保证左右CCD相机的相对位置固定不变，这就会影响到该系统的测量精度。因此，这种测量方法比较繁琐，而且对测量环境有较高的要求。浮动式测量可以分为浮动式单目测量、浮动式双目测量和浮动式多目测量。浮动式测量可以利用场景中的若干已知空间坐标的控制点来标定CCD相机的外参数。但是，如果要扩大或改变视场就必须重新利用场景中的控制点来标定CCD相机的外参数，这就给测量带来了许多额外的环节，使得测量的效率并不高。
实用新型内容为了解决现有技术存在的问题，本实用新型针对大范围内坐标测量的需求，提出了一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置及方法。实现上述目的的技术解决方案如下一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置该装置包括两台视觉测量部件和数控转台4、机架5、网络数据线6以及计算机7 ；所述视觉测量部件和数控转台4分别通过网络数据线6与计算机7连接，视觉测量部件输出被测物体的二维图像信息；数控转台4输出空间姿态信息；视觉测量部件包括面阵CXD相机3和工业定焦镜头2，面阵CXD相机3安装在数控转台4;所述数控转台4是用于支撑视觉测量部件，并控制视觉测量部件运动，使视觉测量部件根据被测物体1的空间姿态转动各个不同工位，获取数控转台4空间姿态信息；所述计算机7用于接收、存储视觉测量部件获取的被测物体1图像信息和数控转台4空间姿态信息；并将被测物体1图像信息和数控转台4空间姿态信息融合处理，重构被测物体1的空间坐标。所述数控转台是三维旋转工作台，具有6个自由度，用于支撑视觉测量部件，并控制视觉测量部件运动，使视觉测量部件根据被测物体的空间姿态转动各个不同工位，获取数控转台空间姿态信息；两台数控转台之间的距离为0. 8米 500米，视觉测量部件距离被测物体之间的距离为0. 9米 200米。所述面阵C⑶相机3的有效像素范围为1000像素X 1000像素 4096像素X 4096 像素，工业定焦镜头2的选用焦距范围为16毫米 1000毫米。本实用新型的有益技术效果柔性立体视觉测量是利用可知运动的数控转台来计算视觉测量部件的外参数。那么每次转动视觉测量部件都不用重新标定外参数，只需要记录转台的空间姿态，然后计算视觉测量部件的外参数。柔性立体视觉测量不仅具有较高的测量精度，还可以解决测量范围的局限性。
图1是本实用新型装置的结构图。其中标号1为被测物体，2为工业定焦镜头，3为面阵CXD相机，4为数控转台，5为机架，6为网络数据线，7为计算机。图2是本实用新型视觉测量部件坐标系与世界坐标系的关系图。图3是本实用新型基于数控转台的柔性立体视觉测量的坐标系转换图。图4是本实用新型所述标定方法的流程图。图5是本实用新型所述测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型技术方案中所涉及的各个细节问题。参见图1，本实用新型目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置包括两台视觉测量部件和数控转台4、机架5、网络数据线6以及计算机7。视觉测量部件和数控转台4分别通过网络数据线6与计算机7连接，视觉测量部件输出被测物体的二维图像信息；数控转台4 输出空间姿态信息。视觉测量部件包括面阵CXD相机3和工业定焦镜头2，面阵CXD相机3安装在数控转台4上，工业定焦镜头2安装在面阵CXD相机3上；两台数控转台4相隔一定距离安装在机架5上；视觉测量部件、数控转台和计算机均采用220伏电源。根据被测物体大小、远近，两台数控转台距离可以从0. 8米变到500米，视觉测量部件距离被测物体0. 9米到200 米，两台视觉测量部件光轴在被测物体交汇于一点，每台视觉测量部件的视场在被测物体上重合，根据视觉测量部件与被测物体的距离远近不同，被测物体区域大小不同，所采用的视觉测量部件的有效像素大小可以从1000像素X 1000像素到4096像素X 4096像素，工业定焦镜头的焦距可以从16毫米到1000毫米，视觉测量部件的有效视场大小也不同，视觉测量部件的有效视场可以从0. 2米X0. 2米到40米X40米，被测物体区域大小可以从0. 4 米X0. 2米到500米X500米，计算机通过网络数据线分别与视觉测量部件和数控转台相连接，可以实时地采集图像信息和控制转台的运动姿态信息。面阵CCD相机3是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它由时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成，并集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。面阵CCD相机3的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。工业定焦镜头2通过螺纹连接在面阵CXD相机3上，工业定焦镜头2的光轴与面阵CXD相机3的芯片垂直，通过调节工业定焦镜头2的对焦可以令视场中的景物清晰成像在面阵CCD相机3的芯片上，这样便组成了一台视觉测量部件。数控转台4上装有控制电机、驱动控制器和光栅编码盘，具有6个自由度，即沿X 轴、Y轴、Z轴移动和旋转，在三维空间中做任意运动。可以通过计算机控制数控转台，并且能够输出数控转台的不同的空间位置信息。两台数控转台4根据被测物体大小、远近，二者之间相隔0. 9米 500米的距离， 通过网络数据线连接计算机，计算机采集图像数据并进行预处理。数控转台通过网络数据线连接计算机，计算机采集数控转台运动的空间姿态信息，并将处理过的被测物体图像信息和数控转台空间姿态信息融合处理，重构被测物体的空间坐标。现将柔性立体视觉测量的标定操作和测量操作实施方法和部分算法公式阐述如下一、标定操作部分视觉测量部件的内参数如图2所示，利用图像中心附近点畸变量较小的性质，用中心附近点来对针孔模型下视觉测量部件内参数进行标定。视觉测量部件的模型表示如下
'WW11muW13 m[0033] SiV1=W21W23 m1_m31W32m33 m
2434.
'Xi'—χ「YiYiι=MιZ1Zi1_ 1
O) 其中，[^，&，1]1为第士个已知空间坐标的控制点的齐次坐标；[1^，\，1]1为第 i个控制点的图像齐次坐标；M称为投影矩阵，M = K *RT。其中Si是比例系数；K只与视觉测量部件内部参数fu、fv、u0, Vtl有关，称为视觉测量部件内参数，如公式(2)所示；RT由视觉测量部件相对于物体坐标系的方位决定，称为视觉测量部件外参数，如公式(3)所示 K = RT =
fu0M00/νV0001 _rUr22/31r32r33
(2)
(3)式(1)包含三个方程，消去Si后，可得如下两个关于Hiij的线性方程
JxjW11 +^w12 +Z,m13 +W14 -UiXiTnil -UiYjJn32 -UiZiTn33 -UiTnu =0 [XlITi2l + YiTn22 + ZiTnn + m24 -ViXiTn3l -ViYiMn -ViZ^m33 — ν,.W34 = 0对于被测场景中的η个控制点，则有2η个关于Hiij的线性方程，用矩阵形式表示为
(4)
权利要求1.一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置，其特征在于，该装置包括两台视觉测量部件和数控转台、机架(5)、网络数据线㈩)以及计算机(7)；所述视觉测量部件和数控转台(4)分别通过网络数据线(6)与计算机(7)连接，视觉测量部件输出被测物体的二维图像信息；数控转台(4)输出空间姿态信息；视觉测量部件包括面阵CCD相机C3)和工业定焦镜头O)，面阵CCD相机C3)安装在数控转台⑷；所述数控转台(4)是用于支撑视觉测量部件，并控制视觉测量部件运动，使视觉测量部件根据被测物体(1)的空间姿态转动各个不同工位，获取数控转台(4)空间姿态信息；所述计算机(7)用于接收、存储视觉测量部件获取的被测物体(1)图像信息和数控转台⑷空间姿态信息；并将被测物体⑴图像信息和数控转台⑷空间姿态信息融合处理， 重构被测物体(1)的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置，其特征在于 所述数控转台(4)是三维旋转工作台，两台数控转台(4)之间的距离为0.8米 500米，视觉测量部件距离被测物体(1)之间的距离为0. 9米 200米。
3.根据权利要求1所述的一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置，其特征在于 所述面阵C⑶相机C3)的有效像素范围为1000像素X 1000像素 4096像素X 4096像素， 工业定焦镜头O)的焦距范围为16毫米 1000毫米。
专利摘要本实用新型公开一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置及方法。该装置包括两台视觉测量部件和数控转台、机架、网络数据线和计算机；视觉测量部件包括两台工业定焦镜头、和面阵CCD相机；两台数控转台相隔一定距离安装在机架上，视觉测量部件固定在数控转台上。实际测量操作方法是在合适工位拍摄被测物体，计算机获取被测物体的二维图像信息以及数控转台在该工位的姿态参数，通过网络数据线发送给计算机，计算机根据所获取被测物体的图像信息和数控转台的姿态参数，采用数字图像处理算法来处理采集到的图像信息，重构被测物体的空间坐标。本实用新型可以实现非接触空间坐标测量，通过数控转台拓展视觉测量部件的有效视场，实现大范围内的坐标测量。
文档编号G01B11/00GK201945293SQ20102058783
公开日2011年8月24日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者张瑜, 李为民, 李晓峰, 金兢 申请人:中国科学技术大学