专利名称：一种狭窄空间双目视觉测量定位装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种双目视觉精确测量定位装置及方法，特别适用于狭窄空间目标测量定位，可用于狭窄空间的装配、故障分析等相关技术领域。
背景技术：
视觉测量定位技术以图像为信息的载体，和计算机技术紧密结合，具有非接触、全方位快速測量定位、高精度等特点，己被广泛应用于各种測量任务中。双目视觉测量定位是通过由两台摄像机组成的立体视觉系统，模拟人的视觉方式，根据三角測量原理，利用对应点的视差，对获得图像进行变换、匹配与重构，可反求出视野范围内物体的立体信息。由于被动立体视觉反求系统具有设备简单、操作方便、物体空间尺寸限制少等特点，为国内外学者专家所关注，并在立体视觉标定技术、影像中立体匹配技术等方面进行了大量的研究。在狭窄空间双目视觉中，双目摄像机的立体标定以及对应点的精确匹配问题，一直受到广泛 关注，是狭窄空间双目视觉中的技术关键与难点所在。因此研究ー种能直接在狭窄空间内对双目摄像机的立体标定和精确匹配的双目视觉测量定位方法对狭窄空间中测量、检测、装配等实际操作的具有重要意义。

发明内容
针对现有技术中狭窄空间摄像机标定困难，图像质量差、匹配精度低，处理速度慢的问题，本发明提出ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置及方法。通过将视觉测量終端安装在四自由度測量平台的转动轴上，平台活动自由，测量终端安装灵活，能进行狭窄空间图像获取，本发明的測量定位方法能应用于成像环境差的特殊环境，更适用于狭窄空间的目标测量，是ー种有效的视觉测量实现方法。本发明提出ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置，包括双目视觉平台和视觉测量終端，其中双目视觉平台选择基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台，视觉测量終端共有两组，每组视觉测量終端均有摄像机、激光器和伸缩标定板构成，两组视觉测量終端分别轴向対称的安装在双目视觉平台的两个运动转动轴上；基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台四个自由度分别为平台回转运动、平台俯仰运动的2个自由度以及视觉测量终端转动轴转动的2个自由度。视觉测量终端的最下端通过固定件固定摄像机，摄像机的上方通过固定件固定激光器，激光器的上方通过固定件安装伸缩标定板，伸缩标定板由收缩支撑杆、收缩旋转杆和棋牌格标定板组成，其中收缩支撑杆一端与固定件固定，使收缩支撑杆垂直于摄像机的镜头方向，另一端通过电机转轴与收缩旋转杆的一端连接，收缩旋转杆的另一端通过电机转轴与棋牌格标定板连接；摄像机、激光器和伸缩标定板通过固定件固定在钢片上；两组视觉测量終端分别安装在相应的钢片上，两个钢片再分别与基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台的转动运动轴相连接，实现视觉测量終端与视觉平台的连接。本发明提出ー种狭窄空间双目视觉测量定位方法，具体包括以下几个步骤
步骤一、摄像机实时标定(I)标定图像的获取当视觉测量終端在狭窄空间中进行视觉测量定位时，通过对伸缩棋牌格标定板的收缩旋转杆折叠展开的控制，将收缩旋转杆展开，同时展开棋牌格标定板，激光器和摄像机工作，激光器发出激光投射到棋牌格标定板上，摄像机获取有激光投射的棋牌格标定板图像；根据摄像机成像几何关系，O点为摄像机光心，Xc轴和Y。轴与图像的坐标系中的X轴和Y轴相平行，Z。轴为摄像机光轴与直角Xw，Yff, Zff坐标系中的Zw轴重合，光轴与图像平面的交点O'为图像坐标系的原点,Xw, Yff, 2￥构成的坐标系为世界坐标系,X。，Yc, Z。，O组成的坐标系为摄像机坐标系，X，Y, O'构成的坐标系为图像坐标系，O'与O的连线长度为摄像机的焦距f ；狭窄空间视觉測量中摄像机成像模型为针孔模型，棋牌格标定板面上的点在測量 选定的世界坐标系中的表示为Pi (Xw, yw, Zw) (i = I, 2,...), i表示是棋牌格上的第几个点，w表示该点是以世界坐标系为參考坐标系；Pi (u, V) (i = 1，2，...)表示对应的Pi (xw, yw, zw)(i = 1，2，...)在成像面上的所成相的像素，其中每一点的坐标(U，V)分别是该像素在整幅图像中所处的行数和列数，待标定的摄像机和激光器工作，激光器发出激光投射到棋牌格标定板上，摄像机获取有激光投射的棋牌格标定板图像；(2)世界坐标系中的点与该点在摄像机坐标系中的点的关系设空间中某一点在世界坐标系的位置为Pw= (xw，yw，zw)τ，在摄像机坐标系中的坐标为P= (X，y，ζ)τ，则有关系式
权利要求
1.ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置，其特征在于包括双目视觉平台和视觉测量終端，其中双目视觉平台选择基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台，视觉测量終端共有两组，每组视觉测量終端均有摄像机、激光器和伸缩标定板构成，两组视觉测量終端分别轴向対称的安装在双目视觉平台的两个运动转动轴上；基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台四个自由度分别为平台回转运动、平台俯仰运动的2个自由度以及视觉测量终端转动轴转动的2个自由度； 视觉测量终端的最下端通过固定件固定摄像机，摄像机的上方通过固定件固定激光器，激光器的上方通过固定件安装伸缩标定板，伸缩标定板由收缩支撑杆、收缩旋转杆和棋牌格标定板组成，其中收缩支撑杆一端与固定件固定，使收缩支撑杆垂直于摄像机的镜头方向，另一端通过电机转轴与收缩旋转杆的一端连接，收缩旋转杆的另一端通过电机转轴与棋牌格标定板连接；摄像机、激光器和伸缩标定板通过固定件固定在钢片上；两组视觉测量终端分别安装在相应的钢片上，两个钢片再分别与基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台的转动运动轴相连接，实现视觉测量終端与视觉平台的连接。
2.根据权利要求I所述的ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置，其特征在于所述的摄像机进行标定时，使收缩支撑杆与收缩旋转杆之间的转轴对应的控制电机正转，使收缩支撑杆与收缩旋转杆展开即收缩支撑杆与收缩旋转杆趋向平行方向转动，直至收缩旋转杆至与收缩支撑杆平行时展开完毕；然后控制收缩旋转杆与棋牌格标定板之间连接的转轴所对应的控制电机正转，棋牌格标定板平面由与收缩旋转杆的轴线平行旋转为与收缩旋转杆的轴线有一定的角度，当棋牌格标定板的平面旋转至垂直于收缩旋转杆的轴线时，棋牌格标定板展开完毕；标定完毕后，先控制收缩旋转杆与棋牌格标定板之间连接的转轴所对应的控制电机反转，棋牌格标定板平面由原来与收缩旋转杆的轴线垂直旋转为与轴线不垂直，当棋牌格标定板的平面旋转至与连接杆的轴线平行后，控制收缩支撑杆与收缩旋转杆连接之间连接的转轴所对应的控制电机反转，收缩旋转杆旋转收缩，收缩旋转杆旋转至与收缩支撑杆重叠时，棋牌格标定板收缩完毕。
3.根据权利要求I所述的ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置，其特征在于所述的摄像机与激光器之间的间隔距离为摄像机的最上端与激光器的最下端之间的距离，该距离为 5mm ο
4.根据权利要求I所述的ー种狭窄空间双目视觉测量定位装置，其特征在于所述的激光器与伸缩标定板的收缩旋转杆之间的垂直间隔间距根据摄像机參数和激光器尺寸參数进行选择。
5.ー种狭窄空间双目视觉测量定位方法，其特征在于具体包括以下几个步骤 步骤一、摄像机实时标定 (I)标定图像的获取 当视觉测量終端在狭窄空间中进行视觉测量定位时，通过对伸缩棋牌格标定板的收缩旋转杆折叠展开的控制，将收缩旋转杆展开，同时展开棋牌格标定板，激光器和摄像机工作，激光器发出激光投射到棋牌格标定板上，摄像机获取有激光投射的棋牌格标定板图像； 根据摄像机成像几何关系，ο点为摄像机光心，Xc轴和Y。轴与图像的坐标系中的X轴和Y轴相平行，Z。轴为摄像机光轴与直角Xw，Yw，Zw坐标系中的Zw轴重合，光轴与图像平面的交点O'为图像坐标系的原点,Xw, Yff, 2￥构成的坐标系为世界坐标系,X。，Yc, Z。，O组成的坐标系为摄像机坐标系，Χ,Υ,ο'构成的坐标系为图像坐标系，o'与ο的连线长度为摄像机的焦距f ； 狭窄空间视觉測量中摄像机成像模型为针孔模型，棋牌格标定板面上的点在測量选定的世界坐标系中的表示为Pi (xw, yw, zw) (i = I, 2,...), i表示是棋牌格上的第几个点，w表示该点是以世界坐标系为參考坐标系;Pi (u, V) (i = 1，2，...)表示对应的Pi (xw, yw, zw) (i =.1,2,...)在成像面上的所成相的像素，其中每一点的坐标(U，V)分别是该像素在整幅图像中所处的行数和列数，待标定的摄像机和激光器工作，激光器发出激光投射到棋牌格标定板上，摄像机获取有激光投射的棋牌格标定板图像； (2)世界坐标系中的点与该点在摄像机坐标系中的点的关系 设空间中某一点在世界坐标系的位置为Pw = (xw, yw, zw)T，在摄像机坐标系中的坐标为P= (X，y, ζ)τ,则有关系式
全文摘要
本发明提出一种狭窄空间双目视觉测量定位装置及方法，适用于狭窄空间的装配、故障分析等相关技术领域，该视觉测量定位装置包括双目视觉平台和视觉测量终端，其中双目视觉平台选择基于空间四自由度的双目摄像机的视觉平台，视觉测量终端共有两组，每组视觉测量终端均有摄像机、激光器和伸缩标定板构成，两组视觉测量终端分别轴向对称的安装在双目视觉平台的两个运动转动轴上。本发明提出的一种狭窄空间双目视觉测量定位装置及方法，将视觉测量终端安装在四自由度测量平台的转动轴上，平台活动自由，测量终端安装灵活，能进行狭窄空间图像获取；且能应用于成像环境差的特殊环境，更适用于狭窄空间的目标测量，是一种有效的视觉测量实现方法。
文档编号G01C11/02GK102692214SQ20121019101
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者吴发林, 张少辰, 杨奎, 苏庆华, 赵剡 申请人:北京航空航天大学