目标空间坐标的浮动式立体视觉测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种几十米大尺度范围内的目标空间坐标测量系统及测量方法，可广 泛应用于工业中大型工件表面几何量的测量或检校。
【背景技术】
[0002] 传统的空间几十米范围内目标物体的坐标测量一般是采用激光跟踪仪或全站仪。 激光跟踪仪或全站仪是采用单点逐点测量的方式进行坐标检测，但如果被测区域内目标点 数量比较多，测量速度会受到限制。
[0003] 视觉测量是通过图像数据处理的方式来获取被测物体的几何量（长、宽、高、角 度、距离、姿态等），对比传统的测量方法，其优势在于非接触、实时性好、在线测量方便、自 动化程度高等。已有的视觉测量方法是将被测物体作为一个整体，是利用单个或多个摄像 机从不同视角摄取该被测物体的两幅或多幅图像，通过处理图像数据计算被测区域内各标 识点的三维坐标。对于被测物体表面标识点数目较多的场合，这种视觉测量方式的测量速 度比传统的逐点测量方式要快。但是，由于摄像机的像素数量有限，为了保证测量精度，对 应的目标物面的测量范围受到限制。
[0004] 为了扩大被测物体的测量范围，常用的方法是将整个大的待测目标区域分割成不 同的小区域，逐个测量单个小区域，最后将各个小区域的测量结果拼接成一个完整地测量 区域。拼接有两种方式，一种是建立全局控制场，即在整个测量空间中分布多个像机，每个 小区域都独立采用两个像机组成的双目视觉系统对该区域进行测量，将测量空间中分布的 这些像机预先分别进行标定，且使得各个像机的像机坐标系转换到一个统一的参考坐标系 下一一全局标定，该方式的缺点是待测量区域越大，分割的小区域越多，需要分布的像机越 多，且全局标定需要采用足够大的标准靶，至少要大于两个小的测量区域，且在全局标定过 程中有累积误差产生，分割的区域越多，产生累积误差的环节越多。
[0005] 第二种是采用单目测量方式，对每个小区域至少从两个不同的角度拍摄图像，且 相邻的两个小区域必须要有重合区间，重合区间至少包含三个不在一条直线上的标志点， 经过图像数据处理分别重构各个小区域内标识点的坐标，最后通过相邻区域的标志点将各 个小区域的测量结果统一到一个坐标系下，然而在这个过程中也会有累积误差的产生，随 着分割的区域越多，产生的累积误差越大，且为了保证相邻两个小区域有重合，被测区域必 须是连续的，这也是该方法的一大缺陷。
[0006] 第三种是固定式双目视觉测量方法中，摄像机与支撑机架之间采用刚性联接，利 用支撑摄像机的工作台上的角度传感器来获取摄像机的外部参数，这就对转台等硬件设备 的角度测量精度提出较高要求，这样的测量方法同样不便于测量范围的扩展。
【发明内容】
[0007] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种目标空间坐标的浮动 式立体视觉测量系统及测量方法，该方法随着测量区域的扩大，不会产生累计误差，且被测 区域可以不连续。
[0008] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0009] 本发明目标空间坐标的浮动式立体视觉测量系统的特点是所述测量系统设置 为：
[0010] 一处在被测区域中的静止的待测目标物（1)，将所述待测目标物（1)划分成各测 量区域（2)，在所述各测量区域⑵中分别设置有标识点，相邻的测量区域⑵可以重合或 不重合、可以紧邻或相互分离；
[0011] 一目标测量像机⑶，用于测量所述测量区域（2)中各标识点的空间坐标；
[0012] 一姿态测量像机（4)，与所述目标测量像机（3)之间以一设定的角度固定为一体 式测量单元，所述一体式测量单元设置在一浮动工作台上，所述浮动工作台能够移动也能 够转动；
[0013] 一左侧基准靶（5a)，其表面设置有各已知标识点，用于确定所述姿态测量像机 (4)的像机坐标系与所述各已知标识点所在坐标系之间的转换关系；
[0014] 一右侧基准靶（5b)，与所述左侧基准靶（5a)处在不同位置上，其表面设置有各已 知标识点，用于确定所述姿态测量像机（4)的像机坐标系与所述各已知标识点所在坐标系 之间的转换关系。
[0015] 本发明实现目标空间坐标测量的方法的特点是按如下步骤进行：
[0016] 步骤1 :设置所述左侧基准靶（5a)和右侧基准靶（5b)分置于待测目标物⑴前 方设定物距处；
[0017] 步骤2 :基于左侧基准靶（5a)的拍摄过程：
[0018] 调整所述浮动工作台的位置和/或转角，使第i个测量区域处在所述目标测量像 机（3)的视场中心，同时使所述左侧基准靶（5a)处在所述姿态测量像机（4)的视场中心， 确定左侧第一位置状态；以所述目标测量像机（3)摄取左侧第一位置状态下的第i个测量 区域的图像作为左侧第一位置目标图像，并以所述姿态测量像机（4)摄取左侧第一位置状 态下的左侧基准靶（5a)的图像作为左侧第一位置基准图像；
[0019] 调整所述浮动工作台的位置和/或转角，使第j个测量区域处在所述目标测量像 机（3)的视场中心，同时使所述左侧基准靶（5a)处在所述姿态测量像机（4)的视场中心， 确定左侧第二位置状态，以所述目标测量像机（3)摄取左侧第二位置状态下的第j个测量 区域的图像作为左侧第二位置目标图像，并以所述姿态测量像机（4)摄取左侧第二位置状 态下的左侧基准靶（5a)的图像作为左侧第二位置基准图像；
[0020] 对于各不同的测量区域，依次调整所述浮动工作台的位置和/或转角，确定各对 应的左侧位置状态，分别获得各左侧位置状态下对应的左侧目标图像和左侧基准图像，完 成基于左侧基准靶（5a)的所有测量区域的拍摄，获得基于左侧基准靶（5a)的第一组图；
[0021] 步骤3 :基于右侧基准靶（5b)的拍摄过程：
[0022] 调整所述浮动工作台的位置和/或转角，使第i个测量区域处在所述目标测量像 机（3)的视场中心，同时使所述右侧基准靶（5b)处在所述姿态测量像机（4)的视场中心， 确定右侧第一位置状态；以所述目标测量像机（3)摄取右侧第一位置状态下的第i个测量 区域的图像作为右侧第一位置目标图像，并以所述姿态测量像机（4)摄取右侧第一位置状 态下的右侧基准靶（5b)的图像作为右侧第一位置基准图像；
[0023] 调整所述浮动工作台的位置和/或转角，使第j个测量区域处在所述目标测量像 机（3)的视场中心，同时使所述右侧基准靶（5b)处在所述姿态测量像机（4)的视场中心， 确定右侧第二位置状态，以所述目标测量像机（3)摄取右侧第二位置状态下的所述第j个 测量区域的图像作为右侧第二位置目标图像，并以所述姿态测量像机（4)摄取右侧第二位 置状态下的右侧基准靶（5b)的图像作为右侧第二位置基准图像；
[0024] 对于各不同的测量区域，依次调整所述浮动工作台的位置和/或转角，确定各对 应的右侧位置状态，分别获得各右侧位置状态下对应的右侧目标图像和右侧基准图像，完 成基于右侧基准靶（5b)的所有测量区域的拍摄，获得基于右侧基准靶（5b)的第二组图；
[0025] 步骤4:所述第一组图和第二组图拍摄结束后，通过图像数据处理获得图像中各 标识点的像点坐标，就完成了采用权利要求1所述系统进行测量前的数据采集与图像数据 初步处理的工作。
[0026] 本发明实现目标坐标测量的方法的特点也在于所述图像数据处理按如下步骤进 行：
[0027] 令：左侧基准靶（5a)表面各已知标识点所在坐标系与右侧基准靶（5b)表面各已 知标志点所在坐标系之间所已知的确定转换关系记为RTf，在整个标定和测量过程中，所述 已知的确定转换关系RTf保持不变，并且在测量过程中所述左侧基准靶（5a)和右侧基准靶 (5b)在空间的绝对位置保持不变；
[0028] 步骤1 :系统标定
[0029] a、标定像机内参数，包括目标测量像机内参数An^P姿态测量像机内参数A p;
[0030] b、利用左侧基准靶（5a)、右侧基准靶（5b)、目标测量像机（3)的内参数Am以及姿 态测量像机内参数A p通过标定获得目标测量像机坐标系和姿态测量像机坐标系之间的转 换关系RTx ;
[0031] 令：目标测量像机（3)的坐标系为OmXmYmZ m，姿态测量像机（4)的坐标系为OpXpYpZp,
[0032] 设置浮动工作台在适当的位置和角度，以目标测量像机（3)获取右侧基准靶（5b) 的图像，得到图像上各标识点的像点坐标，利用所述右侧基准靶（5b)表面各已知标识点计 算获得所述目标测量像机（3)的像机坐标系与所述右侧基准靶（5b)表面各已知标识点所 在坐标系之间的转换关系RTm;同时，以姿态测量像机（4)获取左侧基准靶（5a)的图像，得 到图像上各标识点的像点坐标，并利用所述左侧基准靶（5a)上的各已知标识点计算获得 姿态测量像机（4)的像机坐标系与所述左侧基准靶（5a)表面各已知标识点所在坐标系之 间的转换关系RTp ;
[0033] 利用式⑴获得所述转换关系RTx :
[0034]
【主权项】
1. 一种目标空间坐标的浮动式立体视觉测量系统，其特征是所述测量系统设置为： 一处在被测区域中的静止的待测目标物（1)，将所述待测目标物（1)划分成各测量区 域（2)，在所述各测量区域（2)中分别设置有标识点，相邻的测量区域（2)可以重合或不重 合、可以紧邻或相互分离； 一目标测量像机（3)，用于测量所述测量区域（2)中各标识点的空间坐标； 一姿态测量像机（4)，与所述目标测量像机（3)之间以一设定的角度固定为一体式测 量单元，所述一体式测量单元设置在一浮动工作台上，所述浮动工作台能够移动也能够转 动； 一左侧基准靶（5a)，其表面设置有各已知标识点，用于确定所述姿态测量像机（4)的 像机坐标系与所述各已知标识点所在坐标系之间的转换关系； 一右侧基准靶（5b)，与所述左侧基准靶（5a)处在不同位置上，其表面设置有各已知标 识点，用于确定所述姿态测量像机（4)的像机坐标系与所述各已知标识点所在坐标系之间 的转换关系。
2. -种利用权利要求1所述系统实现目标空间坐标测量的方法，其特征是按如下步骤 进行： 步骤1 :设置所述左侧基准靶（5a)和右侧基准靶（5b)分置于待测目标物（1)前方设 定物距处； 步骤2 :基于左侧基准靶（5a)的拍摄过程： 调整所述浮动工作台的位置和/或转角，使第i个测量区域处在所述目标测量像机（3) 的视场中心，同时使所述左侧基准靶（5a)处在所述姿态测量像机（4)的视场中心，确定左 侧第一位置状态；以所述目标测量像机（3)摄取左侧第一位置状态下的第i个测量区域的 图像作为左侧第一