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：
本发明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ι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。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系统 的标定操作和实际测量操作两部分。整个测量系统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 点均勻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RTx ；所述的空间变换矩阵RTX，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RTX。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 获取系统在当前工位测量时两台数控转台4的空间姿态矩阵RTp ；所述的数控转台4的空间姿态矩阵RTp，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RTp ；
测量步骤3 计算视觉测量部件的外参数RT。= RTx · RTp ；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RTp和 整个测量系统的标定步骤7得到的矩阵RTX，根据空间坐标系的转换关系RT。= RTx-RTp,计 算得出视觉测量部件在物体坐标系中的外参数RT。；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系 统的标定步骤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。


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。
具体实施例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
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(3)，其上安装有工业定焦镜头O)，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)的选用焦距范围为16毫米 1000毫米。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于包括整个测量系统的标定操作和实际测量操作；整个测量系统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 均勻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O)，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G)，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RTx ；所述的空间变换矩阵RTX，是通过计算机(7)驱动数控转台G)，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RTx ； 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⑷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:获取系统在当前工位测量时两台数控转台(4)的空间姿态矩阵RTp; 所述的数控转台⑷的空间姿态矩阵RTP，是利用数控转台⑷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，从而得到数控转台的空间姿态矩阵RTp; 测量步骤3 计算视觉测量部件的外参数RT。= RTx · RTp ；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RTp和整个 测量系统的标定步骤7得到的矩阵RTX，根据空间坐标系的转换关系RT。= RTx-RTp,计算得 出视觉测量部件在物体坐标系中的外参数RT。；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系统 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。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/00GK102042807SQ20101052861
公开日2011年5月4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