CN103759669B - 一种大型零件的单目视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型零件的单目视觉测量方法，属于测量技术领域。本发明通过采用摄像机转站的方法对待测器件的最优视点进行规划分析，克服了摄像机一次测量的有限性，扩大了测量的范围，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，可以得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系可以将若干组坐标值进行空间拼接，实现利用现有仪器对大型零件三维形貌的重构。

Description

一种大型零件的单目视觉测量方法

技术领域

本发明涉及一种大型零件的单目视觉测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

近年来大尺寸的曲面在汽车工业、船舶和航天器外形等方面得到广泛的应用，随着现代加工制造和生产作业的发展需要，大型零件三维几何尺寸的测量已成为现代逆向工程和产品数字化设计及制造的基础支撑技术，而且越来越多的装配、质量控制、在线检测、工业产品的工装定位等领域也迫切需要解决大型零件的三维测量。

随着计算机技术、电子学、光学技术的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步，计算机视觉测量技术得到快速发展，已逐渐成为大型零件表面三维信息最主要的测量手段。目前基于单目视觉的大型零件测量技术主要有：几何相似法测量、几何形状约束法测量、结构光法测量、几何光学法测量和辅助靶标测量，其中只有辅助靶标测量可以实现空间不可见点的测量。

靶标上一般设计有具有鲜明特征的标记来产生标志点，按照标志点发光与否，靶标可分为无光源靶标和有光源靶标两类，其中无光源靶标是利用靶标上的特制图案产生标志点，通常为获得理想标志点图像，还需使用特定光源照射靶标，此种靶标受环境影响较大；有光源靶标利用发光体，例如LED产生标志点，传统有光源靶标通过二值法确定光点区域，利用重心法或椭圆拟合法提取标志点中心，由于图像的二值化处理以及标志点不同角度成像，通过重心法或椭圆拟合法所提出的光点中心并非对应于空间中同一点，使得测量精度降低。

专利号为CN200910058832，提供了一种基于相位标靶的光学三坐标测量方法，该测量方法的测量原理是摄像机获取相位标靶中特征图像屏上的特征图像，通过相移条纹分析法或傅立叶条纹分析法计算出相位分布，建立标靶电子显示屏上各点与摄相机像素点之间的对应关系，进而确定标靶测头触点的三维空间坐标，通过移动相位标靶对被测物体表面进行多点测量，以计算出物三维面形，这种相位标靶用于光学三维测量时，与有3个以上标记点的辅助标靶相比较，由于特征点数量的大量增多，以及基于相位计算的特征点精确提取，使其测量结果更为精确和可靠，但是由于摄像机的一次测量视场有限，决定了对于某些大型工件进行测量时，摄像机和被测零件保持一个相对位置不可能将所有零件上待测点测量完毕，这大大限制了测量的范围和此***对于大型零件的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型零件的单目视觉测量方法，以解决目前单目视觉测量过程中测量范围有限导致无法将大型零件中所有待测点测量完毕的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种大型零件的单目视觉测量方法，该测量方法通过辅助靶标上的转站球实现摄像机的转战测量，所使用的辅助靶标包括一测杆，测杆上方转动装配有转站球，该转站球表面上均匀布设有标记孔，该测杆上还固定安装有一能随测杆转动的测量棒，该测量棒的一个面上设置有标志点，所述转站球下方固定设置有刻有角度值的转站台；

所述测量方法测量时，使辅助靶标上设置有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系将得到的若干组坐标值进行空间拼接以实现对大型零件形貌的重构。

所述的测量方法包括以下步骤：

1）对摄像机视觉测量***进行标定，确定相机内部参数和***结构参数，对辅助靶标进行标定，确定在辅助靶标坐标系下转站球各孔中心、测棒上各标志点中心和测头坐标；

2）将辅助靶标测棒贴有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息；

3）对采集到的靶标标志点的特征图像信息进行图像处理得到各标志点中心像素坐标；

4）根据针孔成像原理建立***测量模型，将标志点中心的像素坐标进行坐标转换得到测量标志点中心在世界坐标系中的坐标值，计算出辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵，根据所计算出的旋转和平移矩阵以及测头中心在辅助靶标坐标系下的坐标，计算出测头中心的世界坐标值；

5）当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，开始另一位置的测量，直到将大型零件的所有曲面测量完毕；

6）根据转站球上每一个唯一标识的孔在辅助靶标坐标系中的坐标值和像面坐标系中位置的相互关系，将得到的各组三维坐标值进行空间拼接，最终实现对大型零件物体三维形貌的重构。

所述步骤2）在测量时，测棒轴线位于转站台0刻度处，且辅助靶标测棒贴有标志点一面正对摄像机，当辅助靶标上的刚体测量头与曲面待测点垂直接触时，测头上的开关同步控制摄像机来获取靶标标志点的特征图像信息，图像采集卡对图像进行采集。

所述步骤4）中辅助靶标坐标系到世界坐标系的变换公式为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}^{\′}& t^{\′}\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\\ 1\end{array}\right)$

其中，(x_f,y_f,z_f,1)^T和(x_w,y_w,z_w,1)^T分别是P在辅助靶标坐标系和世界坐标系中的坐标；R′是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，t′是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的平移向量。

所述步骤5）当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位置不发生变化同时旋转辅助靶标的测棒使贴有标志点的一面正对摄像机，开始另一位置的测量，实现转站测量。

所述步骤1）对摄像机视觉测量***进行标定时采用辅助靶标完成摄像机的标定，将摄像机与辅助靶标相距一定距离固定好，打开CCD摄像机电源；在摄像机视场范围内，选取量块的顶点作为标定点，每移动一个位置拍摄一幅图像，将获得的标志点的二维图像信息通过网络数据线传送并保存到计算机中；利用提取的所有位置的标志点图像坐标及其对应的已知世界坐标，带入小孔成像测量***模型中，进而完成对摄像机内外参数的求解，并保存到***参数文件中，以备测量阶段调用。

本发明的有益效果是:本发明通过采用摄像机转站的方法对待测器件的最优视点进行规划分析，克服了摄像机一次测量的有限性，扩大了测量的范围，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，可以得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系可以将若干组坐标值进行空间拼接，实现对大型零件三维形貌的重构。

附图说明

图1是本发明所使用的单目视觉测量***的结构图；

图2是本发明所使用的辅助测量靶标的结构示意图；

图3是本发明的单目视觉测量方法的坐标转换示意图；

图4是摄像机坐标系和像素坐标系的关系示意图；

图5是辅助坐标系示意图；

图6是本发明所使用的辅助测量靶标***标定模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种大型零件的单目视觉测量方法的实施例

本发明的大型零件的单目视觉测量方法通过合理设置标志点精确提取出标志点中心坐标，通过辅助靶标上的转站球实现摄像机的转战测量，扩大了测量的范围，实现了对大型零件的快速、低成本的测量要求。本发明所使用的测量***如图1所示，包括摄像机6、计算机和辅助测量靶标，其中辅助测量靶标如图2所示，包括测杆1，测杆1上转动装配有转站球2，转站球2下方固定安装有转站台3，测杆1上还固定安装有能随测杆1旋转的测棒4，测棒3的一个面上设置有标志点，测杆1下方设置有测头5。

转站球2为一球体，转站球2为一球体，其外表面上按照一定角度均匀的在经线和纬线的相交位置上布设有标记孔，标记孔为低于球体表面的圆柱孔G₁,G₂,…,G_n，各标记孔的轴线与球心相交，各标记孔上分别粘贴各种颜色不同的彩色回光反射圆形薄贴，各标记孔在辅助靶标中的位置由颜色标识唯一确定，转转站台3上刻有360度均匀编码的角度，用于显示转战测量时测杆的旋转的角度，测棒3为一纯黑色长方体，其中一个表面上设置有尺寸信息已知的16个圆形回光反射辅助标志点N₁,N₂,…,N₁₆和4个测量用标志点P₁,P₂,P₃,P₄，每4个辅助标志点呈长方形分布，分别处于长方形的4个顶点，16个辅助标志点分成4个长方形分布区域，4个测量用标志点分别处于上述4个长方形区域对角线的交点上，每个标志点设置有一种高折射率的玻璃粒子，反射强度高，与黑色测棒形成鲜明对比，易于与背景光源相分离，以形成清晰而突出的二值图像，测棒有标志点的一面与转站台相切处为起始位置，测量时，手持测棒两侧使贴有标志点的一面正对摄像机6。

测头4具有良好的刚性和球度，能够灵活探测到各种内外表面上的点，测头4上安装有触发开关，以方便控制被测点的采样，一般选用球度高有高硬度陶瓷材料制成的的工业用红宝石，测量时测头紧紧靠住被测点，保证靶标在图像采集中的稳定性，测杆5的长度可以根据被测零件进行调节，为满足测量刚性要求，测杆长度越短越好，增加测杆长度会降低测量精度，但是对于有些难测的位置或者盲点，测杆长度可根据实际测量情况进行调节，特别适合飞机机翼或机身、汽车底盘或者车身、车间平台等物体的测量，综合考虑测杆的长度应该选择50-110mm。

本发明的使用上述辅助测量靶标的单目视觉测量方法的测量过程如下：

1.首先建立坐标系，如图3所示，以摄像机的焦点为原点建立摄像机坐标系O_cX_cY_cZ_c，将摄像机的光轴作为Z_c轴，f是摄像机的焦距，它固定在摄像机上，遵循右手法则，将摄像机坐标当作世界坐标系，将摄像机光轴与像平面的焦点作为坐标原点Ｏ建立像平面坐标系ＯＸＹ，像素坐标系ＯＵＶ，如图4所示，其坐标原点在摄像机与像平面坐标系图像的左上角，以像素为单位，以辅助靶标转战球的球心为原点；如图5所示，建立辅助坐标系O_fX_fY_fZ_f，转站球表面上孔的中心位置在辅助坐标系下的坐标为x_fG,y_fG,z_fG，测量标志点中心在辅助坐标系下的坐标为（j=1,2,3,4），测头中心在辅助坐标系下的坐标为（x_fN,y_fN,z_fN）；Ｐ为空间中的任意一点，ｐ为Ｐ在像平面上的成像点。从空间中任一点Ｐ投影到摄像机平面上ｐ，结合刚体变换知识，其变换过程如下：

世界坐标系相对于摄像机坐标系的变换公式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)$

(x_c,y_c,z_c,1)^T和(x_w,y_w,z_w,1)^T分别是P在摄像机坐标系和世界坐标系中的坐标；Ｒ是由世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵，t是由世界坐标系到摄像机坐标系的平移向量。摄像机坐标系到摄像机像平面坐标系的变换公式：

$z_c\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)$

其中，(x,y,1)^T是p在摄像机像平面坐标系的坐标。

摄像机平面坐标系到像素坐标系的变换公式为：

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dx}& 0& u_0\\ 0& 1/\mathrm{dy}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right)$

其中，(u,v,1)^T是p在像素坐标系下的坐标；d_x、d_y分别是像素坐标系中每个像素在Ｘ轴和Ｙ轴方向上的物理尺寸，(u₀,v₀)是物理坐标系的原点Ｏ在像素坐标系中的坐标。综上所述，空间一点Ｐ在世界坐标系中的坐标(x_w,y_w,z_w)与其在像平面上的投影点ｐ在像素坐标系中的坐标(u,v)的关系如下：

$z_c\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dx}& 0& u_0\\ 0& 1/\mathrm{dy}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{cccc}{f}_x& 0& u_0& 0\\ 0& f_y& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{f}_x& 0& u_0\\ 0& f_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)$

$=M_1{M}_2\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=M\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)$

其中，矩阵M₁由f_x、f_y、u₀、v₀决定，f_x、f_y分别表示焦距ｆ在图像Ｘ轴和Ｙ轴方向上的投影距离，这些参数和相机的内部参数相关，所以将Ｍ1称为摄像机的内参矩阵，Ｍ2反映了世界坐标系到摄像机坐标系的变换过程，与摄像机的内参数无关，所以Ｍ2称为摄像机的外参数矩阵。

辅助靶标坐标系到世界坐标系的变换公式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}^{\′}& t^{\′}\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\\ 1\end{array}\right)$

其中，(x_f,y_f,z_f,1)^T和(x_w,y_w,z_w,1)^T分别是P在辅助靶标坐标系和世界坐标系中的坐标；R′是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，t′是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的平移向量。

2.***标定

摄像机标定，在单目视觉中，摄像机标定参数分为内部参数和外部参数，内部参数确定了摄像机内部的几何和光学特征，不随摄像机位置的变化而改变，包括摄像机有效焦距和姿态，摄像机位置发生变化时需要重新标定。本发明采用的标定方法是利用辅助靶标来完成摄像机的标定，标定时将摄像机与辅助靶标相距一定距离固定好，打开CCD摄像机电源，在摄像机视场范围内，如图6所示，选取量块的顶点作为标定点，每移动一个位置拍摄一副图像，将获得的标志点的二维图像信息通过网络数据线传送并保存到计算机中，利用提取的的所有位置的标志点图像坐标及其对应的已知世界坐标，带入小孔成像测量***模型中，进而完成对摄像机内外参数的求解，并保存到***参数文件中，以备测量阶段调用，具体的计算工程如下：

本发明采用线性模型来计算，建立到顶点p_ii＝(1,2,3,4,5，6，7)的世界坐标系坐标(x_wi,y_wi,z_wi)与其成像点ｐ在图像像素坐标系中坐标(u,v)的关系。

$z_{\mathrm{ci}}\left(\begin{array}{c}{u}_i\\ v_i\\ 1\end{array}\right)=M\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{wi}}\\ y_{\mathrm{wi}}\\ z_{\mathrm{wi}}\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{wi}}\\ y_{\mathrm{wi}}\\ z_{\mathrm{wi}}\\ 1\end{array}\right)$

其中m_ij为变换矩阵M的第i行j列元素，上式可以写成以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{ci}}{u}_i=m_{11}{x}_{\mathrm{wi}}+m_{12}{y}_{\mathrm{wi}}+m_{13}{z}_{\mathrm{wi}}+m_{14}\\ z_{\mathrm{ci}}{v}_i=m_{21}{x}_{\mathrm{wi}}+m_{22}{y}_{\mathrm{wi}}+m_{23}{z}_{\mathrm{wi}}+m_{24}\\ z_{\mathrm{ci}}=m_{31}{x}_{\mathrm{wi}}+m_{32}{y}_{\mathrm{wi}}+m_{33}{z}_{\mathrm{wi}}+m_{34}\end{array}\right.$

将上式中进行化简，消去z_ci，可以推出两个未知数是m_ij的线性方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{wi}}{m}_{11}+y_{\mathrm{wi}}{m}_{12}+z_{\mathrm{wi}}{m}_{13}+m_{14}-u_i{x}_{\mathrm{wi}}{m}_{31}-u_i{y}_{\mathrm{wi}}{m}_{32}-u_i{z}_{\mathrm{wi}}{m}_{33}=u_i{m}_{34}\\ x_{\mathrm{wi}}{m}_{21}+y_{\mathrm{wi}}{m}_{22}+z_{\mathrm{wi}}{m}_{23}+m_{24}-v_i{x}_{\mathrm{wi}}{m}_{31}-v_i{y}_{\mathrm{wi}}{m}_{32}-v_i{z}_{\mathrm{wi}}{m}_{33}=v_i{m}_{34}\end{array}\right.$

将靶标上n个标定点的世界坐标代入上式，则可以得到2n个线性方程，用矩阵表示如下：

$\left[\begin{array}{ccccccccccc}{x}_{w1}& y_{w1}& z_{w1}& 1& 0& 0& 0& 0& -u_1{x}_{w1}& -u_1{y}_{w1}& -u_1{z}_{w1}\\ 0& 0& 0& 0& x_{w1}& y_{w1}& z_{w1}& 1& -v_1{x}_{w1}& -v_1{y}_{w1}& -u_1{z}_{w1}\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& z_{\mathrm{wn}}& 1& 0& 0& 0& 0& -u_n{x}_{\mathrm{wn}}& -u_n{y}_{\mathrm{wn}}& -u_n{z}_{\mathrm{wn}}\\ 0& 0& 0& 0& x_{\mathrm{wn}}& y_{\mathrm{wn}}& z_{\mathrm{wn}}& 1& -v_n{x}_{\mathrm{wn}}& -v_n{y}_{\mathrm{wn}}& -v_n{z}_{\mathrm{wn}}\end{array}\right].$

${\left[\begin{array}{ccccccccccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}& m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}& m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right]}^T$

$={\left[\begin{array}{ccccc}{u}_1{m}_{34}& v_1{m}_{34}& ...& u_n{m}_{34}& v_1{m}_{34}\end{array}\right]}^T$

假定m₃₄为1,公式上式可以写成：

Km＝U

其中,K是的2n×11矩阵，m是需要求出来的11维向量；U为2n维向量。

已知2n＞11，则可用最小二乘法求出矩阵M的解

m＝(K^TK)^-1K^TU

3.图像采集

将图像采集卡采集的图像传输给计算机，经过图像处理得到每个辅助标志点轮廓像素坐标，先采用最小二乘椭圆拟合得到16个辅助标志点中心的像素坐标值，每4个辅助标志点中心可构造四边形，利用四边形对角线交点求出4个测量标志点中心像素坐标值(u_i,v_i)（i=1,2,3,4）。

4.待测点坐标解算，摄像机的成像模型是基于针孔成像原理，C₁、C₂、C₃、C₄是标志点在图像平面上对应的像点，L_ij分别表示的是目标物上标志点P_i和P_j的距离，l_ij是像点的距离，d_i是O_c到像点的距离，γ_ij是OP_i和OP_j的夹角，A是四个标志点的交点，B是四个标志点像点的交点，α₁、α₂分别是AP₄和P₁P₄、P₃P₄所成的夹角，β₁、β₂分别是O_cB和O_cC₁、O_cC₃所成的夹角，θ是AP₃、AP₄所成的夹角，以上这些数据均可以通过图像处理和测量求出。像素坐标(u,v)通过图像处理算法可以求得，经过转换求得像坐标(x_i,y_i)和交点B的坐标(x_b,y_b)。D₁、D₂、D₃、D₄分别是O_c到P_i的距离，经过合适的算法可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{D_1}{D_3}=\frac{L_{1a}\sin {\mathrm{\β}}_2}{L_{3a}\sin {\mathrm{\β}}_1}=\frac{L_{14}\sin {\mathrm{\α}}_2(x_b-x_3)\sqrt{x_1^2+y_1^2+f^2}}{L_{34}\sin {\mathrm{\α}}_1(x_1-x_b)\sqrt{x_3^2+y_3^2+f^2}}\\ D_1^2+D_3^2-2D_1{D}_3\cos {\mathrm{\γ}}_{13}=L_{13}^2\end{array}\right.$

其中同理亦可以求出D₂,D₄。

确定四个测量标志点中心在摄像机坐标系中的坐标：

$(X_i,Y_i,Z_i)=\frac{(x_i,y_i,f)D_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+f^2}}$

经上述坐标转换可得到四个测量标志点中心在世界坐标系中的坐标值根据测量标志点中心在辅助坐标系下的坐标将测量标志点中心在世界坐标系下的坐标值和靶标坐标系下的坐标值带入公式计算辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵，根据测头中心在辅助靶标坐标系下的坐标，计算测头中心的世界坐标值。通过移动辅助靶标对被测物体表面进行多点测量。

5.转站测量和数据空间拼接，由于摄像机的一次测量视场有限，决定了对于某些大型工件进行测量时摄像机和被测零件保持一个相对位置不可能将所有零件上待测点测量完毕，所以要进行转站测量，调整摄像机和被测物体的位置，使辅助靶标测棒上贴有标志点的一面正对摄像机，且侧棒的轴线中心位于转站台0刻度线处，并记录此时摄像机的位置1，在位置1上进行有效视场内部分点的测量，其中第一次拍摄时将转站球上可见得标识孔G保存到集合φ中，当位置1的可测目标点测量完毕后，将摄像机调整到位置2，调整位置时，转站球姿态不发生变化，同时旋转辅助靶标的测棒使贴有标志点的一面正对摄像机，且要保证集合φ中至少有3个标识孔在相机中可见，根据每个标记孔在辅助靶标坐标系中的坐标值（x_fG,y_fG,z_fG），计算得到标记孔在位置1所在的世界坐标***的坐标值为，在位置2所在的世界坐标系中的坐标值为则两次位置的转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{w_1{G}_1}\\ y_{w_1{G}_1}\\ z_{w_1{G}_1}\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}_{21}& t_{21}\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{w_2{G}_2}\\ y_{w_2{G}_2}\\ z_{w_2{G}_2}\\ 1\end{array}\right)$

其中G₂为位置2上的与位置1共有的标记孔，G₁为φ中相对应的共有标记孔。

在位置2上的第一次拍摄时，根据与集合φ中共有的标记孔计算位置1所在世界坐标系和位置2所在世界坐标系之间的坐标转换参数R₂₁和t₂₁，将位置2上新增加的标记孔用坐标转换参数R₂₁和t₂₁进行变换，将变换后的结构添加到φ中，从而对φ进行了更新。同时继续在位置2上对目标点进行量，得到测头在位置2的世界坐标系中的坐标值为，其中每次测量结果通过坐标转换参数R₂₁和t₂₁进行旋转和平移变换，则在位置2测头中心的测量结果变换到位置1所在的世界坐标系下的结果为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}_{21}& t_{21}\\ 0^t& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{w_2}\\ y_{w_2}\\ z_{w_2}\\ 1\end{array}\right)$

根据上式从而将两个位置上的测量结果统一到一个坐标中，实现三位拼接测量，以此类推不断调整摄像机和被测物体之间的相对位置，直到将大型零件上所有的待测点测量完毕，并将各个位置上的测量结果统一到一个坐标系下，实现各个位置的拼接，从而最终实现对大型零件的三维重构。

本发明采用摄像机转站的方法对待测器件最优视点进行规划分析，克服了摄像机一次测量视场的有限性，扩大了测量的范围，同时测量辅助靶标上转站球外表面上按照一定的角度均匀地在经线和纬线的交叉位置布置圆柱孔，作为标记孔，圆柱孔的轴线与转战球的球心相交，靶标转站球圆柱孔上粘贴各种颜色不相同的彩色回光反射圆形薄贴，标记孔在辅助靶标中的位置由颜色标识唯一确定，从而攻克可立体视觉及其它视觉测量技术标志点匹配难、三维空间拼接复杂的技术难关，实现对大型零件的快速、高精度、大范围和低成本的自动测量和重建。

Claims (5)

1.一种大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，该测量方法通过辅助靶标上的转站球实现摄像机的转战测量，所使用的辅助靶标包括一测杆，测杆上方转动装配有转站球，该转站球表面上均匀布设有标记孔，该测杆上还固定安装有一能随测杆转动的测量棒，该测量棒的一个面上设置有标志点，所述转站球下方固定设置有刻有角度值的转站台；

所述测量方法测量时，使辅助靶标上设置有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息，当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位姿不发生变化，同时旋转测杆使贴有标志点的一面正对摄像机，并记录测杆的旋转角度，同时通过转站球和转站球上每一个标记孔，得到转站后和转站前的相互关系，通过它们之间的相互关系将得到的若干组坐标值进行空间拼接以实现对大型零件形貌的重构；

所述的测量方法包括以下步骤：

1)对摄像机视觉测量***进行标定，确定相机内部参数和***结构参数，对辅助靶标进行标定，确定在辅助靶标坐标系下转站球各孔中心、测棒上各标志点中心和测头坐标；

2)将辅助靶标测棒贴有标志点的一面正对摄像机，通过摄像机获取靶标标志点的特征图像信息；

3)对采集到的靶标标志点的特征图像信息进行图像处理得到各标志点中心像素坐标；

4)根据针孔成像原理建立***测量模型，将标志点中心的像素坐标进行坐标转换得到测量标志点中心在世界坐标系中的坐标值，计算出辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵，根据所计算出的旋转和平移矩阵以及测头中心在辅助靶标坐标系下的坐标，计算出测头中心的世界坐标值；

5)当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，开始另一位置的测量，直到将大型零件的所有曲面测量完毕；

6)根据转站球上每一个唯一标识的孔在辅助靶标坐标系中的坐标值和像面坐标系中位置的相互关系，将得到的各组三维坐标值进行空间拼接，最终实现对大型零件物体三维形貌的重构；

所述步骤6)是根据两个位置共有标记孔在世界坐标系中的坐标值计算两次位置之间的坐标转换参数，并利用该坐标转换参数将两个位置测量结果转换到一个坐标系下，以实现坐标的空间拼接。

2.根据权利要求1所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤2)在测量时，测棒轴线位于转站台0刻度处，且辅助靶标测棒贴有标志点一面正对摄像机，当辅助靶标上的刚体测量头与曲面待测点垂直接触时，测头上的开关同步控制摄像机来获取靶标标志点的特征图像信息，图像采集卡对图像进行采集。

3.根据权利要求1所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤4)中辅助靶标坐标系到世界坐标系的变换公式为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}^{\′}& t^{\′}\\ 0^{\′}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\\ 1\end{array}\right)$

其中，(x_f,y_f,z_f,1)^T和(x_w,y_w,z_w,1)^T分别是P在辅助靶标坐标系和世界坐标系中的坐标；R'是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，t'是由辅助靶标坐标系到世界坐标系的平移向量。

4.根据权利要求1所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤5)当摄像机在一个有效视场内测量完毕后，移动摄像机到另一个位置，保证转站球位置不发生变化同时旋转辅助靶标的测棒使贴有标志点的一面正对摄像机，开始另一位置的测量，实现转站测量。

5.根据权利要求1所述的大型零件的单目视觉测量方法，其特征在于，所述步骤1)对摄像机视觉测量***进行标定时采用辅助靶标完成摄像机的标定，将摄像机与辅助靶标相距一定距离固定好，打开CCD摄像机电源；在摄像机视场范围内，选取量块的顶点作为标定点，每移动一个位置拍摄一幅图像，将获得的标志点的二维图像信息通过网络数据线传送并保存到计算机中；利用提取的所有位置的标志点图像坐标及其对应的已知世界坐标，带入小孔成像测量***模型中，进而完成对摄像机内外参数的求解，并保存到***参数文件中，以备测量阶段调用。