专利名称：单目视觉系统及其使用的便携式球靶标及其测量方法
单目视觉系统及其使用的便携式球靶标及其测量方法
技术领域：
本发明属于视觉测量技术领域，涉及一种可用于单目视觉测量系统快速标定、测量和数据拼接的便携式球靶标。
背景技术：
随着工件外形检测需求的增多，视觉测量技术得到越来越多的应用。较之需要多台摄像机的立体视觉系统，单摄像机无需摄像机同步设备和保持摄像机相对位置的机械装置，因此使用方便、价格低廉、便于实现。然而单纯利用单目视觉系统进行测量时无法恢复三维物体的深度信息，往往需要借助线激光等额外条件构成三角约束、约束测量物体在特定的位置成像或者使用标记点或标定面约束待测量面等方法来确定三维深度信息，测量过程十分复杂，应用受限。同时标定相机内、外部参数的过程费时费力，不利于工件快速测量。另外，单目视觉系统测量范围有限，在测量大型工件时往往只能测量局部信息，采用拼接靶标进行三维数据拼接成为扩大测量范围的有效途径。目前常用的拼接靶标主要是平面靶标，存在相机移动视角过大时畸变过大甚至观测不到的不足。

发明内容针对上述现有单目测量系统的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种更加灵活简便、且视角不受靶标单面约束的单目视觉系统及其使用的便携式球靶标及其测量方法，实现单目测量系统快速标定、测量和数据拼接。由于球具有外轮廓连续性好等优点，可以实现360度空间视场无视角限制、便捷标定，消除了平面靶标在摄像机移动视角太大时畸变过大甚至观测不到的不足。本发明采用球体作为拼接靶标和标定靶标，将标定过程和拼接过程使用球靶标同步完成。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种用于单目视觉系统快速标定和测量的便携式球靶标，主要由球体、连接块和一系列不同形状和长度的探针组成；所述连接块用于支撑每个球体以及连接探针，所述探针由连接长杆和测头组成，设计不同的连接杆以适应不同的测量场合；所述球体部分由三个以上非共面圆球组成，所述球体通过螺杆与连接块连接。作为本发明的优选实施例，所述连接块为球体形状。一种基于所述的便携式球靶标的单目视觉系统，所述单目视觉系统包括便携式球靶标及摄像机，所述摄像机能看见完整的球靶标球体部分。一种基于所述的单目视觉系统的测量方法，(I)由单目视觉系统拍摄一幅球靶标图像，根据摄像机透视成像模型和球体投影模型基于绝对二次曲线成像几何标定摄像机内部参数K，所述摄像机内部参数K包括摄像机光心(U(l，v0)，焦距f以及倾斜因子s ; (2)利用标定的摄像机内部参数和球透视成像几何模型确定各个球心在摄像机坐标系下的三维坐标；(3)求取球靶标中每个圆球球心到测头的距离；(4)根据球靶标圆球和测头的位置关系确定测头的位置，即待测点的三维坐标。
作为本发明的优选实施例，上述步骤(I)的具体方法包括以下步骤:(5.1)采用图像处理方法和边缘检测算子提取每个圆球在摄像机内所成的椭圆轮廓，然后采用最小二乘法拟合对应椭圆轮廓的曲线方程Ci,其中，i为圆球的个数；(5.2)根据球体透视投影成像模型，摄像机坐标系OcIcTc^与第i个圆球的球坐标系OsiXsiYsiZsi之间的单应性矩阵为=Hi=KRiCliag{I, 1，Aj，其中，Ki=Ijri, Zi0为第i个圆球的球心到摄像机光心之间的距离为第i个圆球的半径，圆球在摄像机内成像椭圆的二次曲线方程Ci在对偶空间中表示形式为:
权利要求
1.一种用于单目视觉系统快速标定和测量的便携式球靶标，其特征在于:主要由球体、连接块(5 )和探针组成；所述连接块(5 )用于支撑每个球体以及连接探针，所述探针由接长杆(2)和测头(I)组成，所述球体由三个以上非共面圆球组成，所述球体通过螺杆(4)与连接块连接。
2.根据权利要求1所述的便携式球靶标，其特征在于:所述连接块(5)为球体形状。
3.一种基于权利要求1所述的便携式球靶标的单目视觉系统，其特征在于:所述单目视觉系统包括便携式球靶标及摄像机，所述摄像机能看见完整的球靶标球体部分。
4.一种基于权利要求3所述的单目视觉系统的测量方法，其特征在于:(1)由单目视觉系统拍摄一幅球靶标图像，根据摄像机透视成像模型和球体投影模型基于绝对二次曲线成像几何标定摄像机内部参数K,所述摄像机内部参数K包括摄像机光心(Uci, Vci),焦距f以及倾斜因子s ; (2)利用标定的摄像机内部参数和球透视成像几何模型确定各个球心在摄像机坐标系下的三维坐标；(3)求取球靶标中每个圆球球心到测头的距离；(4)根据球靶标圆球和测头的位置关系确定测头的位置，即待测点的三维坐标。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于:步骤(I)的具体方法包括以下步骤: (5.1)采用图像处理方法和边缘检测算子提取每个圆球在摄像机内所成的椭圆轮廓，然后采用最小二乘法拟合对应椭圆轮廓的曲线方程Ci,其中，i为圆球的个数； (5.2)根据球体透视投影成像模型，摄像机坐标系OJAZ。与第i个圆球的球坐标系OsiXsiYsiZsi之间的单应性矩阵为=Hi=KRiCliag{I, 1，Aj，其中，Ki=Ijri, Zi0为第i个圆球的球心到摄像机光心之间的距离，r,为第i个圆球的半径，Ri为旋转矩阵，圆球在摄像机内成像椭圆的二次曲线方程Ci在对偶空间中表示形式为: C 二 HiCnH: = KR沖ag(\X-A^)R; Kr = KK1 -op],公式(5.1) 其中，Oi=J(A1IV)K1.',是第i个圆球的球心成像坐标，r3i为相应的旋转矩阵Ri的第3列，Ri为旋转矩阵，K为摄像机内部参数形成的矩阵。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于:所述步骤(5.2)中，求解摄像机内部参数K时，引入绝对二次曲线，该绝对二次曲线在单应性矩阵下的图像为W=(KKt)-1,在对偶空间中表示为=^=KKt ;球靶标中的每两个圆球的成像椭圆曲线方程之间的单应性矩阵为Hab = CbCa，A, B=I, 2，3且A古B，其中，C为圆球A的成像椭圆曲线方程Ca在对偶空间中的表示形式，Cb为圆球B的成像椭圆无线方程；根据视图几何理论，每一对成像椭圆的单应性矩阵均包括一个穿过相应的椭圆对的特征向量，称为单应性矩阵的极线，表示为Iab，其中，A, B=I, 2，3且A古B，每个特征向量对应的特征值称为极点，表示为Vab, A, B=I, 2，3且A^B.1ab、vAB以及w满足以下公式(6.1):[1AB] Xwvab=O (6.1) 根据奇异值分解得到w，进而根据公式Z=KKt 正交分解即得摄像机内部参数K。
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于:步骤(2)的具体方法为:对步骤(5.2)中的公式(5.1)进行变形得到: PiK ]C；K r =RiJia^],其中，P t为第i个圆球的成像比例因子； 将等式左边的表达式通过奇异值分解得到与等式右边一致的形式，从而，得到旋转矩阵民和Ai,得到各个球心的三维坐标。
8.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于:所述待测点的位置坐标(x，y，z)根据以下计算: (X1-X)2+ (y^-y)2+ (Z1-Z)2= ((Ii)2,公式(8.1) 其中，i为圆球的个数，(xi； Y1, Z1)为第i个圆球球心坐标，(Ii为圆球与测头之间的距离，i个圆球即得i个公式(8.1)，联合即得待测点的位置坐标(x，y, z)。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于:测量之前，首先对球靶标进行自标定，得到圆球与测头之间的距离，自标定的方法为:令测头固定在一点不动，球靶标绕测头旋转多个角度拍摄m幅图像，利用同心圆半径不变的约束联合所有球心建立误差最小化函数，通过最小化总距离误差得到待测点空间位置，最后即得得到每个圆球的球心与待测点之间的距离。
10.一种基于权利要求3所述的单目视觉系统进行移动标定和数据拼接的方法，其特征在于:(10.1)首先将球靶标放置在合适的位置，保证摄像机能够看到球靶标球体部分；(10.2)建立世界坐标系OwXwYwZw，按照顺序选取球靶标的三个圆球，其中，世界坐标系的原点Ow为第一个圆球的球心，世界坐标系的Xw轴为第二个圆球的球心到第一个圆球的球心的向量,世界坐标系的Zw轴为:OwZw =OfilXOpl，世界坐标系的Yw轴为 =(10.3)由步骤(10.2)即得摄像机坐标系和世界坐标系之间的关系[Rw-1； TW_J，当摄像机移动到其他非第一位置时，摄像机在该位置的坐标系与世界系之间的关系为[Rw+ Vi]，设定摄像机在第一位置时的坐标系为参考坐标系，将其他所有位置时测量的数据统一到参考坐标系下实现数据的拼接。
全文摘要
本发明提供一种单目视觉系统及其使用的便携式球靶标及其测量方法，球靶标由球体、连接块和一系列不同形状和长度的探针组成，探针由接长杆和测头组成，连接块用于支撑每个球体以及连接探针，球形连接块表面打有均匀的14个螺纹孔，与接长杆和球之间采用螺杆连接。设计不同的连接杆以适应不同的测量场合。球体部分由三个以上非共面圆球组成，单个相机拍摄一幅图像即可快速标定摄像机内部参数、确定球心位置，从而得到待测点的三维坐标，为单目测量系统下的深度信息获取提供了一种可行途径。相机移动后，根据球靶标的球体部分单幅图像即可快速标定相机移动外参，实现空间数据拼接，有效扩大测量范围和测量速度。
文档编号G01B11/22GK103162622SQ20131006402
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者赵宏, 谷飞飞, 马跃洋, 卜鹏辉 申请人:西安交通大学