CN102042807B - 一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明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。

Description

一种目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，是一种大尺度立体视觉测量***。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***，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***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冲的控制点来标定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。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明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CCD相机3和工业定焦镜头2，面阵CCD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CCD相机3的有效像素范围为1000像素×1000像素～4096像素×4096像素，工业定焦镜头2的选用焦距范围为16毫米～1000毫米。

一种使用目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置的测量方法包括整个测量***的标定操作和实际测量操作两部分。

整个测量***的标定操作步骤如下：

标定步骤1：启动设备并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段；

标定步骤2：把九个以上已知空间坐标的控制点放置在被测物体1空间内，使控制点均匀地分布在两台视觉测量部件的视场中；两台视觉测量部件的视场对准被测物体1的同一区域；

标定步骤3：分别调整两台视觉测量部件的工业定焦镜头2，通过计算机7控制视觉测量部件拍摄被测物体1上的控制点；视觉测量部件获取控制点的二维图像信息通过网络数据线6转送到计算机7终端进行图像处理；

标定步骤4：利用计算机视觉方法标定视觉测量部件的内参数；所述视觉测量部件的内参数，是由视觉测量部件获取被测物体1空间内的控制点的二维图像信息，来标定视觉测量部件的内参数；

标定步骤5：计算机7驱动数控转台4，使视觉测量部件随数控转台4作运动，视觉测量部件从三个不同姿态拍摄被测物体1空间内的控制点，并且记下数控转台4在每一个工位的空间姿态；

标定步骤6：视觉测量部件获得的二维图像信息和数控转台4的空间姿态信息一起通过网络数据线6传送到计算机7；

标定步骤7：利用机器人手眼标定的方法计算数控转台4坐标系与视觉测量部件坐标系之间的空间变换矩阵RT_x；

所述的空间变换矩阵RT_x，是通过计算机7驱动数控转台4，使视觉测量部件随数控转台4作运动，视觉测量部件从三个不同不同姿态拍摄被测物体1空间内的控制点，记录数控转台4在每一个工位的空间姿态，计算数控转台4坐标系与视觉测量部件坐标系之间的关系，得到空间变换矩阵RT_x。

实际测量操作步骤如下：

测量步骤1：利用两台视觉测量部件分别获取被测物体的二维图像信息；

所述的二维图像信息，是利用数控转台4分别控制两台视觉测量部件对准被测物体1，拍摄被测物体1，分别获取被测物体1的二维图像信息；

测量步骤2：获取***在当前工位测量时两台数控转台4的空间姿态矩阵RT_p；

所述的数控转台4的空间姿态矩阵RT_p，是利用数控转台4分别控制视觉测量部件转到合适的测量工位，对准被测物体1，拍摄被测物体1，并记录下两台数控转台4在该工位的坐标参数，从而得到数控转台4的空间姿态矩阵RT_p；

测量步骤3：计算视觉测量部件的外参数RT_c＝RT_x·RT_p；

所述计算视觉测量部件的外参数，是利用测量步骤2获取的空间姿态矩阵RT_p和整个测量***的标定步骤7得到的矩阵RT_x，根据空间坐标系的转换关系RT_c＝RT_x·RT_p，计算得出视觉测量部件在物体坐标系中的外参数RT_c；

测量步骤4：调用测量步骤1获取的被测物体1的二维图像信息以及整个测量***的标定步骤4得到的视觉测量部件内参数和测量步骤3得到的视觉测量部件外参数；

测量步骤5：利用空间点重构方程，来计算被测物体1的空间三维坐标；

测量步骤6：输出被测物体1的空间三维坐标。

本发明的有益技术效果：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。

附图说明

图1是本发明装置的结构图。

其中标号：1为被测物体，2为工业定焦镜头，3为面阵CCD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是本发明视觉测量部件坐标系与世界坐标系的关系图。

图3是本发明基于数控转台的柔性立体视觉测量的坐标系转换图。

图4是本发明所述标定方法的流程图。

图5是本发明所述测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。

参见图1，本发明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CCD相机3和工业定焦镜头2，面阵CCD相机3安装在数控转台4上，工业定焦镜头2安装在面阵CCD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×1000像素到4096像素×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×0.2米到40米×40米，被测物体区域大小可以从0.4米×0.2米到500米×500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CCD相机3上，工业定焦镜头2的光轴与面阵CCD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：

$s_i\left[\begin{array}{c}{u}_i\\ v_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，[X_i，Y_i，Z_i，1]^T为第i个已知空间坐标的控制点的齐次坐标；[u_i，v_i，1]^T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s_i是比例系数；K只与视觉测量部件内部参数f_u、f_v、u₀、v₀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：

$K=\left[\begin{array}{ccc}{f}_u& 0& u_0\\ 0& f_v& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\mathrm{RT}=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& t_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& t_2\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& t_3\end{array}\right]---\left(3\right)$

式(1)包含三个方程，消去s_i后，可得如下两个关于m_ij的线性方程：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i{m}_{11}+Y_i{m}_{12}+Z_i{m}_{13}+m_{14}-u_i{X}_i{m}_{31}-u_i{Y}_i{m}_{32}-u_i{Z}_i{m}_{33}-u_i{m}_{34}=0\\ X_i{m}_{21}+Y_i{m}_{22}+Z_i{m}_{23}+m_{24}-v_i{X}_i{m}_{31}-v_i{Y}_i{m}_{32}-v_i{Z}_i{m}_{33}-v_i{m}_{34}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

对于被测场景中的n个控制点，则有2n个关于m_ij的线性方程，用矩阵形式表示为

$\left[\begin{array}{cccccccccccc}{X}_1& Y_1& Z_1& 1& 0& 0& 0& 0& {-u}_1{X}_1& {-u}_1{Y}_1& {-u}_1{Z}_1& -u_1\\ 0& 0& 0& 0& X_1& Y_1& Z_1& 1& {-v}_1{X}_1& {-v}_1{Y}_1& {-v}_1{Z}_1& {-v}_1\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ X_n& Y_n& Z_n& 1& 0& 0& 0& 0& {-u}_n{X}_n& {-u}_n{Y}_n& {-u}_n{Z}_n& {-u}_1\\ 0& 0& 0& 0& X_n& Y_n& Z_n& 1& {-v}_n{X}_n& {-v}_n{Y}_n& {-v}_n{Z}_n& {-v}_1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{m}_{11}\\ m_{12}\\ m_{13}\\ m_{14}\\ m_{21}\\ m_{22}\\ m_{23}\\ m_{24}\\ m_{31}\\ m_{32}\\ m_{33}\\ m_{34}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

当2n＞12时，利用矩阵分析中的奇异值分解法可以求出M矩阵的12个参数。

求出M阵后，还需要计算视觉测量部件的内参数。利用下面公式便可求出视觉测量部件的内参数：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_u={m_{34}}^2|m_1\×m_3|\\ f_v={m_{34}}^2|m_2\×m_3|\\ u_0={m_{34}}^2{m_1}^T{m}_3\\ v_0={m_{34}}^2{m_2}^T{m}_3\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，为矩阵M的第i行的前三个元素组成的行向量；m_i4(i＝1，2，3)为矩阵M的第i行第四列元素。

视觉测量部件的外参数：如图3所示的是各坐标系之间的转换关系图，其中，C_obj是被测物体坐标系，C_cl、C_cr分别是两台视觉测量部件坐标系，C_pl、C_pr分别是两台数控转台坐标系。

假设^AP＝[X，Y，Z，1]^T是空间某点P在坐标系A中的齐次坐标，^BRT_A是把坐标系A变换到坐标系B的4×4旋转平移矩阵。以其中一台视觉测量部件为例，视觉测量部件坐标系C_cl与被测物体坐标系C_obj之间的变换关系

${\mathrm{}}^{C_{\mathrm{cl}}}P={\mathrm{}}^{C_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{obj}}}\·{\mathrm{}}^{C_{\mathrm{obj}}}P---\left(7\right)$

数控转台坐标系C_pl与被测物体坐标系C_obj之间的变换关系为：

${{\mathrm{}}^{C_{\mathrm{pl}}}P=}^{C_{\mathrm{pl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{obj}}}{\·}^{C_{\mathrm{obj}}}P---\left(8\right)$

视觉测量部件坐标系C_cl与数控转台坐标系C_pl之间的变换关系为：

${\mathrm{}}^{C_{\mathrm{cl}}}P{=}^{C_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{pl}}}{\·}^{C_{\mathrm{pl}}}P---\left(9\right)$

由公式(8)和公式(9)可得：

${\mathrm{}}^{C_{\mathrm{cl}}}P{=}^{C_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{pl}}}{\·}^{C_{\mathrm{pl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{obj}}}{\·}^{C_{\mathrm{obj}}}P---\left(10\right)$

比较公式(7)与公式(10)可知：

${\mathrm{}}^{C_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{obj}}}{=}^{C_{\mathrm{cl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{pl}}}{\·}^{C_{\mathrm{pl}}}{\mathrm{RT}}_{C_{\mathrm{obj}}}---\left(11\right)$

根据公式(9)可以得出如下坐标系空间转换公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cl}}={\mathrm{RT}}_{\mathrm{xl}}\·{\mathrm{RT}}_{\mathrm{pl}}\\ {\mathrm{RT}}_{\mathrm{cr}}={\mathrm{RT}}_{\mathrm{xr}}\·{\mathrm{RT}}_{\mathrm{pr}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，RT_pl，RT_pr分别表示数控转台坐标系与被测物体坐标系之间的空间转换矩阵，即数控转台的空间姿态矩阵，可以通过数控转台获取；RT_xl，RT_xr分别表示视觉测量部件坐标系与数控转台坐标系之间的空间转换矩阵，由于视觉测量部件分别固定在数控转台上，则RT_xl，RT_xr是固定值，具体数值可以通过机器人手眼定标的方法求解；RT_cl，RT_cr分别表示视觉测量部件坐标系与物体坐标系之间的空间转换矩阵，这就是所要求的视觉测量部件的外参数。

如图4给出的标定方法流程图，计算机通过网络数据线采集到二维图像信息和数控转台的空间姿态信息，标定视觉测量部件的内参数以及数控转台坐标系与视觉测量部件坐标系之间的空间变换矩阵RT_x。相应的算法流程图由以下几个部分组成：

(1)开始，初始化：

设备启动并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段。

(2)标定视觉测量部件的内参数：

视觉测量部件获取的控制点的二维图像信息通过网络数据线转送到计算机终端进行图像处理；利用计算机视觉方法标定视觉测量部件内参数。

(3)计算空间变换矩阵：

视觉测量部件从三个不同姿态拍摄被测物体空间内的控制点，记录数控转台在每一个工位的空间姿态，计算数控转台坐标系与视觉测量部件坐标系之间的关系，得到空间变换矩阵RT_x。

(4)结束。

二、测量操作部分

测量的时候，数控转台转到合适的工位，视觉测量部件对准被测物体；视觉测量部件拍摄被测物体，获取被测物体的二维图像信息，同时记下视觉测量部件拍摄时数控转台的空间姿态RT_pl、RT_pr。然后，调用在标定操作部分标定好的空间转换矩阵RT_xl、RT_xr，代入公式(12)，计算当前工位的视觉测量部件的外参数RT_cl、RT_cr。最后，调用在标定操作部分标定好的视觉测量部件的内参数、视觉测量部件获取的被测物体的二维图形信息、以及通过公式(12)计算得出的当前工位的视觉测量部件的外参数RT_cl、RT_cr，就可以重构被测物体的三维空间信息。具体重构方法如下：

空间目标的三维重构：由视觉测量部件线性模型(1)，消去公式(1)的比例系数s_i，可以得到关于X_i、Y_i、Z_i的2个方程：

$\left\{\begin{array}{c}(u_i{m}_{31}-m_{11})X_i+(u_i{m}_{32}-m_{12})Y_i+(u_i{m}_{33}-m_{13})Z_i+(u_i{m}_{34}-m_{14})=0\\ (v_i{m}_{31}-m_{21})X_i+(v_i{m}_{32}-m_{22})Y_i+(v_i{m}_{33}-m_{23})Z_i+(v_i{m}_{34}-m_{24})=0\end{array}\right.---\left(13\right)$

两个视觉测量部件都可以建立一组与公式(13)相似的方程组，联立得到公式(14)，其中m_ij元素的上标l、r分别表示两个视觉测量部件的参数。

$\left\{\begin{array}{c}(u_i{m}_{31}^l-m_{11}^l)X_i+(u_i{m}_{32}^l-m_{12}^l)Y_i+(u_i{m}_{33}^l-m_{13}^l)Z_i+(u_i{m}_{34}^l-m_{14}^l)=0\\ (v_i{m}_{31}^l-m_{21}^l)X_i+(v_i{m}_{32}^l-m_{22}^l)Y_i+(v_i{m}_{33}^l-m_{23}^l)Z_i+(v_i{m}_{34}^l-m_{24}^l)=0\\ (u_i{m}_{31}^r-m_{11}^r)X_i+(u_i{m}_{32}^r-m_{12}^r)Y_i+(u_i{m}_{33}^r-m_{13}^r)Z_i+(u_i{m}_{34}^r-m_{14}^r)=0\\ (v_i{m}_{31}^r-m_{21}^r)X_i+(v_i{m}_{32}^r-m_{22}^r)Y_i+{\left(v_i{m}_{33}^r{-m}_{23}^r\right)}_{i}Z+(v_i{m}_{34}^r-m_{24}^r)=0\end{array}\right.---\left(14\right)$

在视觉测量部件都已经标定好的情况下，M矩阵已知。可以通过两幅图像上对应点的像面坐标(u_i，v_i)，求解被测物体上点的空间三维坐标(X_i，Y_i，Z_i)，即重构空间目标。

如图5给出的测量方法流程图，计算机通过网络数据线采集到二维图像信息和数控转台的姿态信息，并调用在标定操作部分标定好的视觉测量部件的内参数、以及数控转台坐标系与视觉测量部件坐标系之间的空间变换矩阵RT_x，利用空间点重构方程，计算被测物体的空间三维坐标。相应的算法流程图由以下几个部分组成：

(1)开始，初始化：

设备启动并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段。

(2)获取图像信息：

利用数控转台分别控制两台视觉测量部件对准被测物体，拍摄被测物体，分别获取被测物体的二维图像信息，并通过网络数据线转送到计算机终端进行图像处理。

(3)计算视觉测量部件的外参数：

获取***在当前工位测量时两台数控转台的空间姿态矩阵RT_pl、RT_pr，同时调用标定操作部分得到的空间变换矩阵RT_xl、RT_xr，利用公式(12)计算得出视觉测量部件在物体坐标系中的外参数RT_cl、RT_cr。

(4)重构被测物体：

调用被测物体的二维图像信息以及视觉测量部件的内参数和视觉测量部件的外参数，利用空间点重构方程(14)，来计算被测物体的空间三维坐标；

(5)获取测量结果：

输出被测物体的空间三维坐标和三维点云图；重新选取新的测量区域，重复步骤(2)、(3)、(4)，可进行多次测量。

(6)结束。

应用实例：

测量装置所采用的面阵CCD相机为美国Imperx公司的IPX-1M48-G型面阵CCD相机，有效像素为1000像素×1000像素；工业定焦镜头为日本KOWA公司的LM35JC5M型定焦镜头，焦距为35毫米；视觉测量部件的有效视场为0.2米×0.2米；被测物体大小为0.4米×0.2米；两台数控转台是具有6个自由度的三维旋转工作台，距离被测物体约0.95米，两台数控转台之间的距离约0.8米。首先，利用本发明所述的标定方法，对视觉测量部件进行标定操作，具体操作如下：

1、设备启动并初始化，视觉测量部件获取的控制点的二维图像信息，根据公式(6)计算出视觉测量部件内参数，其结果如表1：

表1  视觉测量部件内参数

	左视觉测量部件内参数	右视觉测量部件内参数
			u0	462.30(pixel)	477.96(pixel)
v0	488.10(pixel)	520.63(pixel)
			fu	36.3464mm	36.6054mm
fv	36.3510mm	36.5986mm

2、视觉测量部件从三个不同姿态拍摄被测物体空间内的控制点，记录数控转台在每一个工位的空间姿态，得到数控转台坐标系与视觉测量部件坐标系之间的空间变换矩阵如下：

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{xl}}=\left[\begin{array}{cccc}0.999833581870& -0.014392328076& 0.006517921156& -1.381531282246\\ 0.015168422941& 0.997455791240& -0.070235525145& 100.611358229844\\ -0.005498385652& 0.070435224596& 0.997502325253& 6.679168395122\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{xr}}=\left[\begin{array}{cccc}0.99964867771450& -0.00607655301864& 0.00003866460353& 2.03943999017582\\ 0.00598947106267& 0.99748977926836& -0.07553284200056& 99.57030770582905\\ 0.00062501806321& 0.07555957898731& 0.99711045358643& 7.40971052761368\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

然后，利用本发明所述的测量方法，对该被测物体进行测量，具体测量操作如下：

1、设备启动并初始化。

2、数控转台转到合适的工位，视觉测量部件对准被测物体；计算机获取被测物体的二维图像信息和数控转台的空间姿态。在这个测量工位计算机获取的数控转台空间姿态矩阵如下：

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{pl}}=\left[\begin{array}{cccc}0.95364432384& 0.01210639004& -0.30059596756& -232.28916295373\\ -0.00412941156& 0.99963299026& 0.02786798081& -78.46958967192\\ 0.30081127120& -0.02540385512& 0.95334431935& 1197.43340097863\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{pr}}=\left[\begin{array}{cccc}0.95476425962& -0.00025642373& 0.29812595663& -240.57961042855\\ -0.00772726216& 0.99942684740& 0.02438294760& -70.30334525638\\ -0.29810009187& -0.02545812478& 0.95421505255& 1366.87849057891\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

3、调用标定操作步骤中得到的空间变换矩阵RT_xl、RT_xr，根据公式(12)计算出该测量工位的视觉测量部件的外参数如下：

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{cl}}={\mathrm{RT}}_{\mathrm{xl}}\·{\mathrm{RT}}_{\mathrm{pl}}=\left[\begin{array}{cccc}0.95550571613& -0.00244825096& -0.29473320496& -224.74107751671\\ -0.01078126263& 0.99905760320& -0.04372112683& -62.29204506269\\ 0.29452558219& 0.04500240403& 0.95457885536& 1197.08326810855\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

${\mathrm{RT}}_{\mathrm{cr}}={\mathrm{RT}}_{\mathrm{xr}}\·{\mathrm{RT}}_{\mathrm{pr}}=\left[\begin{array}{cccc}0.95446425885& -0.00633038820& 0.29790994841& -237.97559764004\\ 0.02052701502& 0.99883945408& -0.04596721699& -75.24172231357\\ -0.29722584159& 0.05013154920& 0.95348650323& 1364.87608449516\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

4、调用被测物体的二维图像信息以及视觉测量部件的内参数和视觉测量部件的外参数，利用空间点重构方程(14)，计算出被测物体空间三维坐标，其测量误差结果如表2：

表2  测量结果

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种使用目标空间坐标的柔性立体视觉测量装置的测量方法，所述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)；

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(3)，其上安装有工业定焦镜头(2)，面阵CCD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；

其特征在于，该装置的标定操作步骤如下：

标定步骤1：启动设备并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段；

标定步骤2：把九个以上已知空间坐标的控制点放置在被测物体(1)空间内，使控制点均匀地分布在两台视觉测量部件的视场中；两台视觉测量部件的视场对准被测物体(1)的同一区域；

标定步骤3：分别调整两台视觉测量部件的工业定焦镜头(2)，通过计算机(7)控制视觉测量部件拍摄被测物体(1)上的控制点；视觉测量部件获取控制点的二维图像信息通过网络数据线(6)转送到计算机(7)终端进行图像处理；

标定步骤4：利用计算机视觉方法标定视觉测量部件的内参数；所述视觉测量部件的内参数，是由视觉测量部件获取被测物体(1)空间内的控制点的二维图像信息，来标定视觉测量部件的内参数；

标定步骤5：计算机(7)驱动数控转台(4)，使视觉测量部件随数控转台(4)作运动，视觉测量部件从三个不同姿态拍摄被测物体(1)空间内的控制点，并且记下数控转台(4)在每一个工位的空间姿态；

标定步骤6：视觉测量部件获得的二维图像信息和数控转台(4)的空间姿态信息一起通过网络数据线(6)传送到计算机(7)；

标定步骤7：利用机器人手眼标定的方法计算数控转台(4)坐标系与视觉测量部件坐标系之间的空间变换矩阵RT_x；

所述的空间变换矩阵RT_x，是通过计算机(7)驱动数控转台(4)，使视觉测量部件随数控转台(4)作运动，视觉测量部件从三个不同姿态拍摄被测物体(1)空间内的控制点，记录数控转台(4)在每一个工位的空间姿态，计算数控转台(4)坐标系与视觉测量部件坐标系之间的关系，得到空间变换矩阵RT_x；

实际测量操作步骤如下：

测量步骤1：利用两台视觉测量部件分别获取被测物体的二维图像信息；

所述的二维图像信息，是利用数控转台(4)分别控制两台视觉测量部件对准被测物体(1)，拍摄被测物体(1)，分别获取被测物体(1)的二维图像信息；

测量步骤2：获取***在当前工位测量时两台数控转台(4)的空间姿态矩阵RT_p；

所述的数控转台(4)的空间姿态矩阵RT_p，是利用数控转台(4)分别控制视觉测量部件转到合适的测量工位，对准被测物体(1)，拍摄被测物体(1)，并记录下两台数控转台(4)在该工位的坐标参数，从而得到数控转台(4)的空间姿态矩阵RT_p；

测量步骤3：计算视觉测量部件的外参数RT_c＝RT_x·RT_p；

所述计算视觉测量部件的外参数，是利用测量步骤2获取的空间姿态矩阵RT_p和整个测量***的标定操作步骤7得到的矩阵RT_x，根据空间坐标系的转换关系RT_c＝RT_x·RT_p，计算得出视觉测量部件在物体坐标系中的外参数RT_c；

测量步骤4：调用测量步骤1获取的被测物体(1)的二维图像信息以及整个测量***的标定步骤4得到的视觉测量部件内参数和测量步骤3得到的视觉测量部件外参数；

测量步骤5：利用空间点重构方程，来计算被测物体(1)的空间三维坐标；

测量步骤6：输出被测物体(1)的空间三维坐标。

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