专利名称：一种用于视觉坐标测量的手持式光学靶标及其测量方法
技术领域：
本发明属于视觉检测技术，具体涉及一种用于视觉坐标测量的手持式光学靶标及 其测量方法。
背景技术：
三维视觉坐标测量系统作为一项高新技术，广泛应用于航天航空，机械制造，工 业检测和临床医学等领域。按照测量原理的不同，三维视觉坐标测量系统可以大致分为5 种①固定点光学坐标测量系统；②目标跟踪光学坐标测量系统；③多视点光学坐标测量 系统；④三维扫描光学坐标测量系统；⑤靶标成像光学坐标测量系统。其中只有靶标成像 视觉坐标测量系统可实现空间不可见点的测量。该测量系统通常由多个CCD摄像机，一块 靶标，一台电脑及相关软件组成。靶标上一般设计有具有鲜明特征的标记来产生标记点，例 如十字交叉点，圆心，方块的角点等，测量时通过采集靶标上标志点的图像信息，利用视差 原理和坐标变换理论求出待测点三维坐标。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，其中无光源靶标利用靶标上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，此种靶标受环境光影响较大。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 椭圆拟合法所提取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。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可供靶标成像视觉坐标测量系统使用的能够精确提 取出标志点中心坐标，提高测量精度的手持式光学靶标及其测量方法。为达到上述目的，本发明用于视觉坐标测量的手持式光学靶标包括一个承载标志 点的靶标壳体，测头安装在靶标壳体上，靶标壳体还设有三个以上非共线标志点，所有标志 点在同一平面上，每个标志点包含四个LED，四个LED成正方形分布，靶标壳体内装有供LED 使用的电源，且每个标志点四周以不透光材料填充。所述的靶标壳体上设有手握凹槽；测头通过延伸杆安装在靶标壳体上。本发明的测量方法如下1)先对多摄像机立体视觉系统进行标定，确定各相机内部参数和立体视觉系统结 构参数；2)对靶标进行标定，确定在靶标坐标系下各标志点中心和测头坐标；3)测量时，令测头接触被测点，由多摄像机立体视觉系统采集标志点图像；4)对立体视觉系统所采集图像进行图像校正，消除镜头畸变的影响；5)先采用平方加权重心法计算每个LED光点中心图像坐标，再利用每个标志点所 包含的4个LED光点构造四边形，四边形对角线交点即为标志点中心；6)图像匹配建立的图像匹配关系仅为靶标上标志点在不同图像上的对应关系，根据标志点的布局特征，采用基于极径，极角排序的算法建立其对应关系，靶标上共有5个 标志点，对于每幅图像，先求出5个标志点的重心坐标，以重心为原点0，建立极坐标系，然 后分别求出各标志点相对于重心的极径P和极角θ，到点4距离重心最近，极径最小，首先 提取出来，接下来，在0° 360°范围内，对剩余四个标志点1，2，3，5，按照极角大小，从大 到小排序，通过对每幅图像上标志点排序，即可完成对应标志点匹配；7)标志点中心图像坐标，不同图像间对应关系均已知，通过视差原理即可求得其 三维坐标；8)通过标志点中心在世界坐标系下坐标和靶标坐标系下坐标，求出靶标坐标系到 世界坐标系的旋转，平移矩阵，从而可求出测头的世界坐标。本发明的优点在于1、由于摄像机拍摄的是靶标上标志点的图像而不是触测点处的图像，所以测量不 受被测物体表面的几何形状和材质的影响；2、标志点采用红外LED，易于与背景光源相分离，采用平方加权重心法计算LED光 点中心坐标，加强了离光斑中心较近的较大灰度值像素点对中心位置的影响，通过每个标 志点所包含的4个LED光点中心两两连线交点计算标志点中心，保证了靶标不同姿态成像 时，所提取出的标志点中心对应于空间中同一点，从而提高了测量精度，在Im3的测量空间 内，测量精度可达0. 1mm；3、靶标轻便，使用灵活。


图1为本发明的主视图和侧视图；其中的标号分别表示1 5为5个标志点，6、测头，7、手握凹槽，8、不透光填料， 9、电池盒，10、靶标壳体；图2为一系列不同尺寸和形状的延伸杆示意图；图3为多摄像机系统的计算模型图。其中xlylzl，x2y2z2, x3y3z3代表三个摄像机坐标系，XtYtZt代表靶标坐标系；图4为靶标标志点在极坐标系下布局图。其中原点0为五个标志点的重心，标志点极坐标分别为Pl(p 1，θ 1), Ρ2(Ρ2， θ 2), Ρ3(ρ 3, θ 3), Ρ4(ρ 4, θ 4), Ρ5(ρ 5, θ 5)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图1，本实施例包括一个承载标志点的靶标壳体10，测头6通过延伸杆连接在 靶标壳体10上，靶标壳体10还设有5个非共线圆形沉孔1-5，每个圆形沉孔内装有四个红 外LED，组成标志点，所有标志点在同一平面上，四个LED成正方形分布，靶标壳体10内装有 供LED使用的电源9，且每个标志点四周以不透光材料8填充，靶标平面上还设有方便手持 的三个圆形手握凹槽7，安装时保证LED上表面与靶标平面共面，沉孔内填充黑色硅胶，保 证只有LED上表面透光，测头6为红宝石测头，靶标壳体和延伸杆均由碳钢材料制成。参见图2，本发明通过设计一系列不同形状，尺寸的延伸杆，适应各种测量场合，包括空间不可见点的测量；所述的延伸杆为采用“J”形结构11、“S”型结构12、“L”型结构13 或采用直杆结构14。参见图3，4本发明具体测量方法如下1、先对多摄像机立体视觉系统进行标定，确定各相机内部参数和立体视觉系统结 构参数；2、对靶标进行标定，确定在靶标坐标系下各标志点中心和测头坐标；3、测量时，令测头接触被测点，由多摄像机立体视觉系统采集标志点图像；4、对立体视觉系统所采集图像进行图像校正，消除镜头畸变的影响；5、先采用平方加权重心法计算每个LED光点中心图像坐标，再利用每个标志点所 包含的4个LED光点构造四边形，四边形对角线交点即为标志点中心；6、图像匹配。本测量系统中所需建立的图像匹配关系仅为靶标上标志点在不同图 像上的对应关系，因此可根据标志点的布局特征，采用基于极径，极角排序的算法建立其对 应关系。针对本实施例，靶标上共有5个标志点，对于每幅图像，先求出5个标志点的重心 坐标，以重心为原点0，建立极坐标系，然后分别求出各标志点相对于重心的极径P和极角 θ，注意到点4距离重心最近，极径最小，因此可首先提取出来。接下来，在0° 360°范 围内，对剩余四个标志点1，2，3，5，按照极角大小，从大到小排序。通过对每幅图像上标志点 排序，即可完成对应标志点匹配。7、标志点中心图像坐标，不同图像间对应关系均已知，通过视差原理即可求得其
三维坐标。8、通过标志点中心在世界坐标系下坐标和靶标坐标系下坐标，求出靶标坐标系到 世界坐标系的旋转，平移矩阵，从而可求出测头的世界坐标。通过上述方法计算得到测头中心在世界坐标系下三维坐标，即待测点三维坐标， 从而实现空间点的精确定位。
权利要求
1.一种用于视觉坐标测量的手持式光学靶标，其特征在于包括一个承载标志点的靶 标壳体(10)，测头(6)安装在靶标壳体(10)上，靶标壳体(10)还设有三个以上非共线标志 点，所有标志点在同一平面上，每个标志点包含四个LED，四个LED成正方形分布，靶标壳体 (10)内装有供LED使用的电源(9)，且每个标志点四周以不透光材料(8)填充。
2.根据权利要求1所述的用于视觉坐标测量的手持式光学靶标，其特征在于所述的 靶标壳体上设有手握凹槽(7)。
3.根据权利要求1所述的用于视觉坐标测量的手持式光学靶标，其特征在于所述的 测头(6)通过延伸杆安装在靶标壳体(10)上。
4.一种根据权利要求1所述的用于视觉坐标测量的手持式光学靶标的测量方法，其特 征在于1)先对多摄像机立体视觉系统进行标定，确定各相机内部参数和立体视觉系统结构参数；2)对靶标进行标定，确定在靶标坐标系下各标志点中心和测头坐标；3)测量时，令测头接触被测点，由多摄像机立体视觉系统采集标志点图像；4)对立体视觉系统所采集图像进行图像校正，消除镜头畸变的影响；5)先采用平方加权重心法计算每个LED光点中心图像坐标，再利用每个标志点所包含 的4个LED光点构造四边形，四边形对角线交点即为标志点中心；6)图像匹配建立的图像匹配关系仅为靶标上标志点在不同图像上的对应关系，根据 标志点的布局特征，采用基于极径，极角排序的算法建立其对应关系，靶标上共有5个标志 点，对于每幅图像，先求出5个标志点的重心坐标，以重心为原点0，建立极坐标系，然后分 别求出各标志点相对于重心的极径P和极角θ，到点4距离重心最近，极径最小，首先提取 出来，接下来，在0° 360°范围内，对剩余四个标志点1，2，3，5，按照极角大小，从大到小 排序，通过对每幅图像上标志点排序，即可完成对应标志点匹配；7)标志点中心图像坐标，不同图像间对应关系均已知，通过视差原理即可求得其三维 坐标；8)通过标志点中心在世界坐标系下坐标和靶标坐标系下坐标，求出靶标坐标系到世界 坐标系的旋转，平移矩阵，从而可求出测头的世界坐标。
全文摘要
一种用于视觉坐标测量的手持式光学靶标及其测量方法，由靶标壳体，测头和一系列不同形状和长度的延伸杆组成。靶标壳体上设有三个以上非共线标志点，它们可唯一确定一平面，每个标志点包含4个LED光点，由4个LED光点中心计算标志点中心坐标，可提高标志点中心提取精度，进而提高测量精度，在1m3的测量空间内，测量精度可达0.1mm。测头可直接安装在靶标壳体上，也可在测头和靶标壳体之间安装延伸杆，以适应不同测量场合的需求。
文档编号G01B11/03GK102062578SQ201010585260
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者付强, 李进军, 赵宏 申请人:西安交通大学