一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置的製作方法

2023-11-06 15:18:32 5

專利名稱：一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於機器視覺測量領域，是一種大尺度立體視覺測量系統。該裝置可廣泛 應用於工業中的工件檢測、場景的深度感知、物體三維掃描和反向工程等領域。
背景技術：
計算機視覺是用計算機實現人的視覺功能——對客觀世界的三維場景的感知、識 別和理解。機器視覺是建立在計算機視覺理論基礎上，偏重於計算機視覺技術的工程化。隨 著電子、計算機和信號處理等相關技術的發展，機器視覺得到了迅速發展，並且由於其具有 非接觸、實時性好、可視化好、自動化和智能性高等優點，在經濟建設、科學研究和國防建設 等重大領域得到廣泛地應用。目前，立體視覺測量的方式主要有固定式雙目視覺測量、浮動式測量和旋轉式柔 性雙目測量。雙目視覺測量是利用兩個已知內參數CCD相機從不同角度同時拍攝物體，再 用這兩幅圖像重構被測物體。固定式雙目測量是指先利用場景中若干已知空間坐標的控制點標好CCD相機的 外參數，然後利用被測物體的像面信息來重構被測物體。若要改變視場，就必須整體移動固 定式雙目測量系統，在移動過程中很難保證左右CCD相機的相對位置固定不變，這就會影 響到該系統的測量精度。因此，這種測量方法比較繁瑣，而且對測量環境有較高的要求。浮動式測量可以分為浮動式單目測量、浮動式雙目測量和浮動式多目測量。浮動 式測量可以利用場景中的若干已知空間坐標的控制點來標定CCD相機的外參數。但是，如 果要擴大或改變視場就必須重新利用場景衝的控制點來標定CCD相機的外參數，這就給測 量帶來了許多額外的環節，使得測量的效率並不高。

發明內容
為了解決現有技術存在的問題，本發明針對大範圍內坐標測量的需求，提出了一 種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置及方法。實現上述目的的技術解決方案如下一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置該裝置包括兩臺視覺測量部件和數 控轉臺4、機架5、網絡數據線6以及計算機7 ；所述視覺測量部件和數控轉臺4分別通過網絡數據線6與計算機7連接，視覺測 量部件輸出被測物體的二維圖像信息；數控轉臺4輸出空間姿態信息；視覺測量部件包括面陣CXD相機3和工業定焦鏡頭2，面陣CXD相機3安裝在數控 轉臺4;所述數控轉臺4是用於支撐視覺測量部件，並控制視覺測量部件運動，使視覺測 量部件根據被測物體ι的空間姿態轉動各個不同工位，獲取數控轉臺4空間姿態信息；所述計算機7用於接收、存儲視覺測量部件獲取的被測物體1圖像信息和數控轉 臺4空間姿態信息；並將被測物體1圖像信息和數控轉臺4空間姿態信息融合處理，重構被測物體1的空間坐標。所述數控轉臺是三維旋轉工作檯，具有6個自由度，用於支撐視覺測量部件，並控 制視覺測量部件運動，使視覺測量部件根據被測物體的空間姿態轉動各個不同工位，獲取 數控轉臺空間姿態信息；兩臺數控轉臺之間的距離為0. 8米 500米，視覺測量部件距離被 測物體之間的距離為0. 9米 200米。所述面陣CCD相機3的有效像素範圍為1000像素X 1000像素 4096像素X 4096像素，工業定焦鏡頭2的選用焦距範圍為16毫米 1000毫米。一種使用目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置的測量方法包括整個測量系統 的標定操作和實際測量操作兩部分。整個測量系統的標定操作步驟如下標定步驟1 啟動設備並進行初始化，使設備進入穩定運行階段；標定步驟2 把九個以上已知空間坐標的控制點放置在被測物體1空間內，使控制 點均勻地分布在兩臺視覺測量部件的視場中；兩臺視覺測量部件的視場對準被測物體1的 同一區域；標定步驟3 分別調整兩臺視覺測量部件的工業定焦鏡頭2，通過計算機7控制視 覺測量部件拍攝被測物體1上的控制點；視覺測量部件獲取控制點的二維圖像信息通過網 絡數據線6轉送到計算機7終端進行圖像處理；標定步驟4 利用計算機視覺方法標定視覺測量部件的內參數；所述視覺測量部 件的內參數，是由視覺測量部件獲取被測物體1空間內的控制點的二維圖像信息，來標定 視覺測量部件的內參數；標定步驟5 計算機7驅動數控轉臺4，使視覺測量部件隨數控轉臺4作運動，視覺 測量部件從三個不同姿態拍攝被測物體1空間內的控制點，並且記下數控轉臺4在每一個 工位的空間姿態；標定步驟6 視覺測量部件獲得的二維圖像信息和數控轉臺4的空間姿態信息一 起通過網絡數據線6傳送到計算機7 ；標定步驟7 利用機器人手眼標定的方法計算數控轉臺4坐標系與視覺測量部件 坐標系之間的空間變換矩陣RTx ；所述的空間變換矩陣RTX，是通過計算機7驅動數控轉臺4，使視覺測量部件隨數 控轉臺4作運動，視覺測量部件從三個不同不同姿態拍攝被測物體1空間內的控制點，記錄 數控轉臺4在每一個工位的空間姿態，計算數控轉臺4坐標系與視覺測量部件坐標系之間 的關係，得到空間變換矩陣RTX。實際測量操作步驟如下測量步驟1 利用兩臺視覺測量部件分別獲取被測物體的二維圖像信息；所述的二維圖像信息，是利用數控轉臺4分別控制兩臺視覺測量部件對準被測物 體1，拍攝被測物體1，分別獲取被測物體1的二維圖像信息；測量步驟2 獲取系統在當前工位測量時兩臺數控轉臺4的空間姿態矩陣RTp ；所述的數控轉臺4的空間姿態矩陣RTp，是利用數控轉臺4分別控制視覺測量部件 轉到合適的測量工位，對準被測物體1，拍攝被測物體1，並記錄下兩臺數控轉臺4在該工位 的坐標參數，從而得到數控轉臺4的空間姿態矩陣RTp ；
測量步驟3 計算視覺測量部件的外參數RT。= RTx · RTp ；所述計算視覺測量部件的外參數，是利用測量步驟2獲取的空間姿態矩陣RTp和 整個測量系統的標定步驟7得到的矩陣RTX，根據空間坐標系的轉換關係RT。= RTx-RTp,計 算得出視覺測量部件在物體坐標系中的外參數RT。；測量步驟4 調用測量步驟1獲取的被測物體1的二維圖像信息以及整個測量系 統的標定步驟4得到的視覺測量部件內參數和測量步驟3得到的視覺測量部件外參數；測量步驟5 利用空間點重構方程，來計算被測物體1的空間三維坐標；測量步驟6 輸出被測物體1的空間三維坐標。本發明的有益技術效果柔性立體視覺測量是利用可知運動的數控轉臺來計算視 覺測量部件的外參數。那麼每次轉動視覺測量部件都不用重新標定外參數，只需要記錄轉 臺的空間姿態，然後計算視覺測量部件的外參數。柔性立體視覺測量不僅具有較高的測量 精度，還可以解決測量範圍的局限性。


圖1是本發明裝置的結構圖。其中標號1為被測物體，2為工業定焦鏡頭，3為面陣CCD相機，4為數控轉臺，5為 機架，6為網絡數據線，7為計算機。圖2是本發明視覺測量部件坐標系與世界坐標系的關係圖。圖3是本發明基於數控轉臺的柔性立體視覺測量的坐標系轉換圖。圖4是本發明所述標定方法的流程圖。圖5是本發明所述測量方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明技術方案中所涉及的各個細節問題。參見圖1，本發明目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置包括兩臺視覺測量部件 和數控轉臺4、機架5、網絡數據線6以及計算機7。視覺測量部件和數控轉臺4分別通過網 絡數據線6與計算機7連接，視覺測量部件輸出被測物體的二維圖像信息；數控轉臺4輸出 空間姿態信息。視覺測量部件包括面陣CXD相機3和工業定焦鏡頭2，面陣CXD相機3安裝在數 控轉臺4上，工業定焦鏡頭2安裝在面陣CXD相機3上；兩臺數控轉臺4相隔一定距離安裝 在機架5上；視覺測量部件、數控轉臺和計算機均採用220伏電源。根據被測物體大小、遠 近，兩臺數控轉臺距離可以從0. 8米變到500米，視覺測量部件距離被測物體0. 9米到200 米，兩臺視覺測量部件光軸在被測物體交匯於一點，每臺視覺測量部件的視場在被測物體 上重合，根據視覺測量部件與被測物體的距離遠近不同，被測物體區域大小不同，所採用的 視覺測量部件的有效像素大小可以從1000像素X 1000像素到4096像素X 4096像素，工 業定焦鏡頭的焦距可以從16毫米到1000毫米，視覺測量部件的有效視場大小也不同，視覺 測量部件的有效視場可以從0. 2米X0. 2米到40米X40米，被測物體區域大小可以從0. 4 米X0. 2米到500米X500米，計算機通過網絡數據線分別與視覺測量部件和數控轉臺相 連接，可以實時地採集圖像信息和控制轉臺的運動姿態信息。
面陣CCD相機3是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它由時序及同步信號發 生器、垂直驅動器、模擬/數位訊號處理電路組成，併集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信 號讀取於一體，是典型的固體成像器件。面陣CCD相機3的突出特點是以電荷作為信號，而 不同於其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而後在 驅動脈衝的作用下轉移、放大輸出圖像信號。工業定焦鏡頭2通過螺紋連接在面陣CXD相 機3上，工業定焦鏡頭2的光軸與面陣CXD相機3的晶片垂直，通過調節工業定焦鏡頭2的 對焦可以令視場中的景物清晰成像在面陣CCD相機3的晶片上，這樣便組成了一臺視覺測 量部件。數控轉臺4上裝有控制電機、驅動控制器和光柵編碼盤，具有6個自由度，即沿X 軸、Y軸、Z軸移動和旋轉，在三維空間中做任意運動。可以通過計算機控制數控轉臺，並且 能夠輸出數控轉臺的不同的空間位置信息。兩臺數控轉臺4根據被測物體大小、遠近，二者之間相隔0. 9米 500米的距離， 通過網絡數據線連接計算機，計算機採集圖像數據並進行預處理。數控轉臺通過網絡數據 線連接計算機，計算機採集數控轉臺運動的空間姿態信息，並將處理過的被測物體圖像信 息和數控轉臺空間姿態信息融合處理，重構被測物體的空間坐標。現將柔性立體視覺測量的標定操作和測量操作實施方法和部分算法公式闡述如 下一、標定操作部分視覺測量部件的內參數如圖2所示，利用圖像中心附近點畸變量較小的性質，用 中心附近點來對針孔模型下視覺測量部件內參數進行標定。視覺測量部件的模型表示如 下
權利要求
1.一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置，其特徵在於，該裝置包括兩臺視覺測 量部件和數控轉臺、機架(5)、網絡數據線㈩)以及計算機(7)；所述視覺測量部件和數控轉臺(4)分別通過網絡數據線(6)與計算機(7)連接，視覺 測量部件輸出被測物體的二維圖像信息；數控轉臺(4)輸出空間姿態信息；視覺測量部件包括面陣CCD相機(3)，其上安裝有工業定焦鏡頭O)，面陣CCD相機(3) 安裝在數控轉臺(4)；所述數控轉臺(4)是用於支撐視覺測量部件，並控制視覺測量部件運動，使視覺測量 部件根據被測物體(1)的空間姿態轉動各個不同工位，獲取數控轉臺(4)空間姿態信息；所述計算機(7)用於接收、存儲視覺測量部件獲取的被測物體(1)圖像信息和數控轉 臺⑷空間姿態信息；並將被測物體⑴圖像信息和數控轉臺⑷空間姿態信息融合處理， 重構被測物體(1)的空間坐標。
2.根據權利要求1所述的一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置，其特徵在於 所述數控轉臺(4)是三維旋轉工作檯，兩臺數控轉臺(4)之間的距離為0.8米 500米，視 覺測量部件距離被測物體(1)之間的距離為0. 9米 200米。
3.根據權利要求1所述的一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置，其特徵在於 所述面陣C⑶相機C3)的有效像素範圍為1000像素X 1000像素 4096像素X 4096像素， 工業定焦鏡頭O)的選用焦距範圍為16毫米 1000毫米。
4.根據權利要求1所述的一種使用目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置的測量方 法，其特徵在於包括整個測量系統的標定操作和實際測量操作；整個測量系統的標定操作步驟如下標定步驟1 啟動設備並進行初始化，使設備進入穩定運行階段； 標定步驟2 把九個以上已知空間坐標的控制點放置在被測物體(1)空間內，使控制點 均勻地分布在兩臺視覺測量部件的視場中；兩臺視覺測量部件的視場對準被測物體(1)的 同一區域；標定步驟3 分別調整兩臺視覺測量部件的工業定焦鏡頭O)，通過計算機(7)控制視 覺測量部件拍攝被測物體(1)上的控制點；視覺測量部件獲取控制點的二維圖像信息通過 網絡數據線(6)轉送到計算機(7)終端進行圖像處理；標定步驟4 利用計算機視覺方法標定視覺測量部件的內參數；所述視覺測量部件的 內參數，是由視覺測量部件獲取被測物體(1)空間內的控制點的二維圖像信息，來標定視 覺測量部件的內參數；標定步驟5 計算機(7)驅動數控轉臺G)，使視覺測量部件隨數控轉臺(4)作運動，視 覺測量部件從三個不同姿態拍攝被測物體(1)空間內的控制點，並且記下數控轉臺(4)在 每一個工位的空間姿態；標定步驟6:視覺測量部件獲得的二維圖像信息和數控轉臺(4)的空間姿態信息一起 通過網絡數據線(6)傳送到計算機(7)；標定步驟7:利用機器人手眼標定的方法計算數控轉臺(4)坐標系與視覺測量部件坐 標系之間的空間變換矩陣RTx ；所述的空間變換矩陣RTX，是通過計算機(7)驅動數控轉臺G)，使視覺測量部件隨數 控轉臺(4)作運動，視覺測量部件從三個不同不同姿態拍攝被測物體(1)空間內的控制點，記錄數控轉臺(4)在每一個工位的空間姿態，計算數控轉臺(4)坐標系與視覺測量部件坐 標系之間的關係，得到空間變換矩陣RTx ； 實際測量操作步驟如下測量步驟1 利用兩臺視覺測量部件分別獲取被測物體的二維圖像信息； 所述的二維圖像信息，是利用數控轉臺⑷分別控制兩臺視覺測量部件對準被測物體 (1)，拍攝被測物體(1)，分別獲取被測物體(1)的二維圖像信息；測量步驟2:獲取系統在當前工位測量時兩臺數控轉臺(4)的空間姿態矩陣RTp; 所述的數控轉臺⑷的空間姿態矩陣RTP，是利用數控轉臺⑷分別控制視覺測量部件 轉到合適的測量工位，對準被測物體(1)，拍攝被測物體(1)，並記錄下兩臺數控轉臺(4)在 該工位的坐標參數，從而得到數控轉臺的空間姿態矩陣RTp; 測量步驟3 計算視覺測量部件的外參數RT。= RTx · RTp ；所述計算視覺測量部件的外參數，是利用測量步驟2獲取的空間姿態矩陣RTp和整個 測量系統的標定步驟7得到的矩陣RTX，根據空間坐標系的轉換關係RT。= RTx-RTp,計算得 出視覺測量部件在物體坐標系中的外參數RT。；測量步驟4 調用測量步驟1獲取的被測物體(1)的二維圖像信息以及整個測量系統 的標定步驟4得到的視覺測量部件內參數和測量步驟3得到的視覺測量部件外參數； 測量步驟5:利用空間點重構方程，來計算被測物體(1)的空間三維坐標； 測量步驟6 輸出被測物體(1)的空間三維坐標。
全文摘要
本發明公開一種目標空間坐標的柔性立體視覺測量裝置及方法。該裝置包括兩臺視覺測量部件和數控轉臺、機架、網絡數據線和計算機；視覺測量部件包括兩臺工業定焦鏡頭、和面陣CCD相機；兩臺數控轉臺相隔一定距離安裝在機架上，視覺測量部件固定在數控轉臺上。實際測量操作方法是在合適工位拍攝被測物體，計算機獲取被測物體的二維圖像信息以及數控轉臺在該工位的姿態參數，通過網絡數據線發送給計算機，計算機根據所獲取被測物體的圖像信息和數控轉臺的姿態參數，採用數字圖像處理算法來處理採集到的圖像信息，重構被測物體的空間坐標。本發明可以實現非接觸空間坐標測量，通過數控轉臺拓展視覺測量部件的有效視場，實現大範圍內的坐標測量。
文檔編號G01B11/00GK102042807SQ20101052861
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者張瑜, 李為民, 李曉峰, 金兢 申請人:中國科學技術大學