（控制理论与控制工程专业论文）大视场线结构光两轴测量系统.pdf

大视场线结构光两轴测量系统 于茼要 为了实现逆向工程中对于中小型复杂几何形体大视场、高精度、低成本的完 整测量，本文以图像处理和机器视觉理论为基础，采用结构光三维测量技术为主 要手段，提出了一种由c c d 摄像机、线激光投射器和两个数控回转台构成的大视 场线结构光两轴测量系统。首先对该系统的工作原理、坐标转换模型以及标定等 问题进行了深入的研究和探讨，然后通过测量实验与误差分析，证明了其具有较 高的测量精度。本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 利用已有的线结构光传感器标定技术，建立了考虑畸变的摄像机透视成像 模型，并实现了基于三坐标测量机与单齿靶标的系统内参数标定。 2 建立了由二维摄像机像面坐标系向被测物体转台坐标系变换的数学模型， 实现了二维到三维数据的转换。 3 提出了基于标准球的系统外参数标定方法，即获取“共轭对作为标定信 息求解系统外参数的方法。利用标准球作为标定器具，通过控制两转台协同转动， 使线结构光平面通过标准球球心，获取“共轭对 ，利用多组“共轭对”求出系 统模型中的未知参数，从而根据两个数控回转台分别转动的角度和c c d 二维图像 可获得线结构光平面上点的三维数据。 ， 4 在w i n d o w sx p 系统平台上，运用v i s u a lc + + 6 0 软件开发环境，结合各 硬件驱动程序开发了系统的标定测量控制软件，并进行了一系列的标定、测量实 验。 本文的创新之处在于提出了两转台协同转动的两轴结构光测量结构，以及从 二维摄像机像面坐标系向三维被测物体转台坐标系变换的模型和获取“共轭对” 标定系统外参数的方法。 关键词：逆向工程；大视场；线结构光；两轴测量系统；共轭对 t w o a xism e a s u r e m e n ts y s t e mwit hlar g ef ieldo fvie w b a s e do n iir es t r u c t ur e diig h t a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z et h eh i 功一p r e c i s i o na n dl o w - c o s tm e a s u r e m e n to ft h ef u l lv i e w o fc o m p l e xm e d i u m a n d s m a l l s i z e do b j e c t ，at w o a x i sm e a s u r e m e n ts y s t e mw i t h l a r g ef i e l do fv i e wb a s e do nl i n es t r u c t u r e dl i g h tt h a ti sm a i n l yc o m p o s e do fac c d c a m e r a al i n es t r u c t u r e dl i g h tg e n e r a t o ra n dt w on u m e r i c a lc o n t r o l l e dr o t a r yt a b l e si s p r o p o s e d ，b a s e do nt h et h e o r yo fi m a g ep r o c e s s i n ga n dm a c h i n ev i s i o n f i r s to fa l l ， t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o o r d i n a t e c o n v e r s i o nm o d e la sw e l la sc a l i b r a t i o n m e t h o d o l o g yo ft h es y s t e mi si n t e n s i v e l ys t u d i e d t h e n ，t h es y s t e mp m v e st op o s s e s s c o m p a r a t i v e l yh i g lp r e c i s i o nb yt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tr e s u l t t h em a i nw o r k a c c o m p l i s h e da n dp r e s e n t e di nt h i st h e s i sc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 w i t ht h eu s eo fe x i s t i n gc a l i b r a t i o nm e t h o df o rl i n es t r u c t u r e ds e n s o r , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec a m e r a ，i nw h i c ht h ea b e r r a t i o ne r r o rh a sb e e n c o m p e n s a t e d i sb u i l t a n dt h ei n t r i n s i c p a r a m e t e rc a l i b r a t i o no ft h es y s t e mb a s e do n c m ma n ds i n g l es a w t o o t ht a r g e ti sf i n i s h e d 2 t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt ot r a n s f o r mt h e2 dd a t ai ni m a g e p l a n ec o o r d i n a t es y s t e mi n t ot h e3 dd a t ai nw o r l dc o o r d i n a t es y s t e md e f i n e da s m e a s u r e d o b ie c t n u m e r i c a l c o n t r o l l e d r o t a r y t a b l ec o o r d i n a t e 3 t h ee x t r i n s i c p a r a m e t e rc a l i b r a t i o nm e t h o d o l o g yo ft h es y s t e mu s i n gas i n g l e s t a n d a r db a l lt a r g e ti sp r e s e n t e d b ym e a s u r i n gt h eb a l lc e n t e ra td i f f e r e n ta n g l e so f t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dr o t a r yt a b l e s s o m e “c o n i u g a t ep a i r s ”a r ei d e n t i f i e df o r s o l v i n gt h ee x t r i n s i cp a r a m e t e r s ；h e n c et h et h r e ec o o r d i n a t e so fap o i n to nt h el a s e r p l a n ec a nb ec o m p u t e da c c o r d i n gt ot h es t r i p eo nc c di m a g ea n dt h er o t a t i o na n g l e s o ft w or o t a r yt a b l e s 4 as o f t w a r e t h r o u g , hw h i c ht h ec a l i b r a t i o na n dm e a s u r e m e n tp r o c e s sc a nb e i m p l e m e n t e da n dh a r d w a r ec a nb ec o n t r o l l e d i sd e v e l o p e di n v i s u mc + + 6 0 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to nw i n d o w sx pp l a t f o n i l a n das e r i e so fe x p e r i m e n t sa r e c o n d u c t e d t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i sl i e s i nt h et w o a x i ss t r u c t u r e ，t h e2 dt o3 d c o o r d i n a t es y s t e mt r a n s f o r m a t i o nm o d e l ，a sw e l la st h ee x t r i n s i c p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n m e t h o d o l o g yu s i n g “c o n j u g a t ep a i r s ” k e y w o r d s ：r e v e r s ee n gin e e rin g ； ia r g e iig h t ；t w o a xism e a s u r e m e n ts y s t e m ； f i e i do fv i e w ；ii n es t r u c t u r e d c o n j u g a t ep air s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 l 洼! 垫遗查墓丝盂要缱剔虚盟的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王觇签字日期：1 口叶年r 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：互观 导师签字： 签字日期： 。? 年r 月羽e t签字日期：1 呷年月。日 大视场线结构光两轴测量系统 1 绪论 1 1 引言 在当前的工业环境中，产品的设计和加工通常都是由设计图纸、c a d 建模， 再经过c a m 或r p 系统加工完成的。但在有些情况下，由于产品图纸没有或不完 整，或者产品形状很复杂，很难建立c a d 模型。例如，对已有零件的复制， 再现原产品的设计意图；当原始设计不可得时，用于对已有产品的改型或仿型 设计；在设备维修中对个别损坏或磨损零件的复制；在美学设计特别重要的 领域，通常采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，再通过对模 型的复制得到理想的产品；当设计需要实验才能定型的工件模型时，例如，在 航天航空领域，为了满足空气动力学等要求，需要进行风洞实验的产品模型； 数字化模型的检测，如检验产品的变形分析、焊接质量以及零件实物与c a d 模 型的比较等。 在这些情况下，就需要按照现有零件的实物，利用3 d 测量系统获取数字化 信息，再通过c a d 技术重新构造实物c a d 模型，从而加工制造，这种方法被称 为逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。利用逆向工程技术可使产品周期缩短4 0 以上，极大的提高生产率。 逆向工程又称反求工程，主要包含2 项内容：一是实物模型的数据采集；二 是数字模型的建立。数据采集是逆向工程的首要环节，是反求建模的理论依据， 采集数据的精度和速度直接影响产品的质量和开发效率等。准确、快速、完备地 获得产品的三维几何数据，是逆向工程的一项关键技术。 常用的数据采集技术主要分为两类，即接触式和非接触式。接触式测量使用 三坐标测量机，能达到很高精度，但其缺点是成本较高、操作复杂，而且速度很 慢，并且对于许多易变形的物体无能为力。目前，机器视觉领域中的非接触激光 测量方法已逐渐成为主流。在非接触测量方法中，线结构激光视觉检测具有量程 大、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中等优点，广泛应用于三维模型重建、 物体表面轮廓三维信息测量等领域。伴随着计算机技术、现场总线技术的发展， 机器视觉技术目臻成熟，在现代加工制造业发挥着举足轻重的作用，广泛应用于 建材和化工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。随着机器视觉技术 自身的成熟和发展，可以预计它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应 用。 1 1 1 机器视觉在工业检测中的应用 机器视觉检测系统就其检测性质和应用范围而言，分为定量和定性检测两大 大视场线结构光两轴测量系统 类，每类又分为不同的子类。机器视觉在工业在线检测的各个应用领域十分活跃， 如印刷电路板的视觉检查、金属板材的精度检测乜1 、容器容积或杂质检测、机械 零件的自动识别分类和几何尺寸测量等。机器视觉的应用正越来越多地代替人工 去完成许多工作，这无疑在很大程度上提高了生产自动化水平和检测系统的智能 水平。下面是一个应用于汽车行业的光学三维传感器检测站口3 的例子： 一种以结构光学三维传感器为基础的高效、高精度检测站已在车身骨架、大 型覆盖件1 0 0 的在线检测中显示出独特的优越性。被测工件首先由输送机构自 动推入生产线上的测量工位，定位传感器将工件的真实位置送入计算机控制系统 中，后者根据已经编制好的测量程序，自动控制在框架上的众多三维光学传感器 中的每一个对工件上的各关键部位进行三维检测。一般固定的传感器数量在 1 0 3 0 个，完成测量仅需2 0 s 左右，真正体现了高效率、高精度的测量。 另外，机器视觉系统还广泛应用于文物测量管理系统h 1 、地质勘探1 、医学 整形美容哺1 、瓶装啤酒生产流水线检测系统等检测系统中。 1 1 2 结构光三维测量方法 在目前测量物体三维形貌的装置和方法中，结构光三维视觉测量方法以其大 量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点， 近年来在工业环境中得到了广泛的应用。 结构光三维视觉是基于光学三角法测量原理。激光投射器将一定模式的结构 光投射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的三维光条。该三 维光条由处于另一位置的摄像机探测，从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变 程度取决于激光投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面轮廓。当激光投射器 与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面 三维形状和轮廓。由激光投射器、摄像机和计算机系统即构成了结构光三维视觉 系统。根据激光投射器所投射的激光束的不同，结构光三维视觉测量方法又可以 分为点结构光方法、线结构光方法、多线结构光方法口，。 在点结构光方法中，激光器发出的光束投射到物体表面上产生一个光点，光 点的部分反射光通过摄像机镜头，在摄像机的c c d 像面上成像。摄像机的视线和 光束线在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过标定可以得 到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知世界坐标系中的 空间位置。该方法作为一种独具特色的非接触式测量方法，从光源制作到图像算 法都比较简单，能够满足在线检测中快速、实时的要求。但其不足是信息量少， 每次只能获得物体表面一个点的信息，故测量效率低，不适合大规模快速测量。 如果要得到被测物体的整体三维数据，需要配备复杂的三维扫描装置，才能从多 个角度对物体进行测量。 线结构光方法采用线光源代替点光源，这样可以减少对被测物体表面的扫描 2 大视场线结构光两轴测量系统 时间。该方法只有一条光条，不存匹配问题，图像处理算法比较简单，一次能够 获取一条光条上所有点的三维信息，与点结构光方法相比，测量信息量大大增加， 而其实现的复杂性并没有增加。 多线结构光方法抽1 是向物体表面投射了多条光条，可以采用幻灯投影仪投影 产生光栅图样，也可以利用激光扫描器来实现。后者可以利用可控的激光平面扫 过视场，旋转镜的每个位置上都可得到光条图像以供分析，通过该过程即可获得 覆盖视场的激光线栅。将光栅图样投影在被测物体表面上后，由变形的光栅图像 的形变量与高度的关系就能确定被测物体的三维信息。这种方法一次光栅图样投 影可以测量被测物体的小部分表面，分别测量被测物体的各个小部分可以得到若 干小数据块，再利用现有的数据拼合技术将小块数据拼合就可以得到整个被测物 体的测量数据。这种方法因为没有测量的范围限制，所以能测量大尺寸物体，但 是由于每一部分的测量数据是由两到三幅光栅图像的信息计算得到的，因此精度 不高，再加上数据拼合存在误差，仅能测量简单的物体表面。 综上所述，基于线结构光的测量方法与点结构光方法相比，提高了测量速度 和效率；与多线结构光方法相比，被测物体的信息是由很多幅图像提供，每幅图 像仅对应一条光条，提取到的图像信息精度高，因此求得的光条的三维世界坐标 精度也高，能实现高精度测量。所以线结构光的测量方法是一种非常实用的非接 触测量方法，目前已被广泛应用于逆向工程中的三维数字化测量。 1 2 线结构光视觉测量系统研究现状 1 2 1 线结构光视觉传感器的三维测量原理 线结构光视觉传感器由线激光投射器、摄像机、图像采集卡、计算机和图像 处理软件等几部分组成，其三维测量原理如图1 - 1 所示。线激光器投射的光束通 过柱面镜在空间中形成一窄的激光平面，当与被测物体的表面相交时便在物体表 面产生一亮的光条。该光条由于物体表面深度的变化以及可能存在的间隙而受到 调制，表现在图像中则是光条发生了畸变和不连续，畸变的程度与深度成正比， 不连续则显示出了物体表面间的物理间隙。线结构光视觉的任务就是从畸变的光 条图像信息中获取物体表面的三维信息。 3 大视场线结构光两轴测量系统 线激光投射器摄像机 图卜1 线结构光视觉测量原理 线结构光视觉传感器的透视投影模型如图1 - 2 所示四3 。线结构光视觉传感器 主要由线激光投射器和c c d 摄像机构成，将c c d 摄像机系统视为一个小孔成像模 型，建立摄像机坐标系d r z ，y ，z 、图像坐标系 ，在光平面内以d ，为原点建c 0x y 立光面坐标系q 工，y ，z ，。线激光投射器发射出的光平面与空间被测物体表面相 交，产生一个反映物体轮廓的截面曲线，曲线上的点就是被测点，它们将成像于 摄像机的像平面上。光平面与摄像机的像平面可以建立透视对应关系，利用此关 系就可以由像点计算出其对应被测点的空间坐标n 们h 。 线激光投射器 图1 - 2 线结构光透视投影模型 线结构光视觉检测具有量程大、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中等 优点，广泛应用于三维模型重建、物体表面轮廓三维信息测量等领域。线结构光 视觉传感器的参数包括摄像机的内部参数( 焦距、主点以及畸变系数等) 及线结构 4 犬视自线结构* 两轴耐量系统 光视觉传感器的结构参数( 摄像机坐标系相对于光面坐标系的位置和方向) ，由标 定获得，称为“系统内参数标定”。因此，系统内参数标定分摄像机参数标定和 结构参数标定两个阶段。摄像机参数标定利用标定靶标上已知特征点及其对应图 像坐标，由线性或者非线性方法来估计摄像机参数。 122 线结构光视觉测量系统的研究现状 基于线结构光的三维视觉测量技术是非接触测量方法中发展较为成熟应用 较为广泛的一种。 由于线激光投射器投射出的结构光平面与被测物体只交于一条线，所以要想 实现对物体的整体测量，必须借助外部驱动设备带动线结构光传感器运动扫描物 体。因此线结构光视觉测量系统通常由线结构光传感器与外部驱动设备组成。线 结构光视觉测量技术是一种依据摄影测量和三角法测量原理为基础，既利用图像 作为信息载体又利用可控光源的测量技术。 线结构光视觉测量系统的测量过程主要包括两个过程：首先，线激光投射器 根据测量需要，投射可控制的线结构光到物体表面形成特征点，并由c c d 摄像 机摄取图像；然后，根据被控的线结构光的运动情况与c c d 摄像机得到的光条 图像，利用三角法原理就能求得特征点的三维坐标。 根据线结构光传感器中c c d 摄像机与结构光光源的数量不同，可以采用单 目、双目、多目( 见图卜3 ) 的方式。多目可以从一定程度上解决测量中的物体 遮挡问题，可仍然无法测量一周全貌。 图13三目线结构光传感器 根据外部驱动设备的不同结构，又产生了不同功能与适用范围的线结构光视 觉测量系统： 大视场线结构光两轴测量系统 目前，技术最成熟、应用最广的是基于三坐标测量机的线结构光视觉测量系 统。常用的有三轴测量机构和四轴测量机构，近几年也出现了对于五轴测量机构 的研究。三轴测量机构n 羽是目前国内外最常见的扫描测量机构，它能在三个垂直 的方向做直线扫描运动，但只能测量激光能照射到的部位，无法测量到物体的侧 面和背面n 朝；四轴测量机构在三轴测量机构的基础上增加了一个数控回转台( 见 图1 - 4 ) ，通过被测物体在转台带动下的转动，该机构能测量被测物体的一周全 貌n 3 1 ，精度很高，能达到平均误差0 0 3 m m ；五轴测量机构在三轴测量机构的基 础上增加了两个轴线互相垂直的数控回转台( 见图1 - 5 ) ，通过控制两个数控回 转台协调转动，能实现被测物体一周和顶部的完整测量。但视场小，只能测量小 物体，而且因为依附于三坐标测量机，所以结构复杂，成本很高。 三坐标测量机 图1 - 4基于三坐标测量机的四轴测量机构 数控回转台2 图1 - 5基于三坐标测量机的五轴测量机构 6 标测量机 大视场线结构光两轴测量系统 此外，也出现了一些便携式的线结构光视觉测量系统，例如基于振镜装置的 线结构光扫描测量系统n 引。虽然通过控制振镜转动可以带动结构光平面扫过被测 物体在摄像机视场内的区域，但视场小的问题仍然没有解决，因此一般只能高精 度测量小物体。 当今市场上线结构光视觉测量系统全球知名的主要几个品牌有比利时的 m e t r i s 公司、英国3 ds c a n n e r s 公司、德国l e i c a 公司、美国p e r c e p t r o n 、法 国k r e o n 和瑞士t e s a 公司等。m e t r i s 公司收购了世界最早开发三维激光测量系 统的著名制造商3 ds c a n n e r s 公司后，成为光学测量领域最大品牌，其产品是 市场上最优秀的激光扫描系统之一。t e s a 公司和l e i c a 公司的产品也达到世界 一流的性能，三维测量精度可达0 0 6 m m 。p e r c e p t r o n 公司是世界最著名的三维 激光测量系统制造商之一，其几乎垄断了全球线光学测量产品市场。k r e o n 是法 国产品，其新推出的激光扫描头比其上一代产品有很大的改进，也是目前市场上 比较好的产品。这些公司的产品价格十分昂贵。对于线结构光扫描技术，国内有 许多高校及研究机构进行此方面的研究，如浙江大学、清华大学、华中科技大学、 天津大学、北京航空航天大学等，也取得很多可喜的成果，但商品化的产品还不 是很多。 1 3 本课题的研究意义及主要研究内容 线结构光视觉检测因其具有大量程、非接触、速度快、系统柔性好、精度适 中的优点而被广泛应用于三维数字化测量领域。但现有的线结构光视觉测量系统 视场小，只能测量小物体，且很难测量物体一周全貌、结构复杂、成本高。 为了克服现有测量方法的缺陷，本课题设计了一种大视场线结构光两轴测量 系统，采用安装有线结构光传感器的测头数控回转台和被测物体数控回转台的两 轴转动设计方案，实现了对被测物体3 6 0 。全貌的扫描测量，视场大，能够测量 中小型物体，从而扩大了线结构光测量系统的适用范围；线结构光测头的转动使 线结构光的空间位置调整更加方便、准确，有效的减少测量死角、扩大视场、提 高效率和测量速度；被测物体转台转动的过程中可以自动将测得的所有点的三维 坐标转换到同一坐标系，实现了数据的自动拼合，免去了后期多片数据拼合的工 作。此外，考虑了系统本身存在的机械误差，并将该误差因素体现在模型的参数 中，降低了对机械精度的要求，使该测量系统具有低成本、高精度的优点，便于 推广使用。 本课题得到了国家自然科学基金复杂几何形体结构光真三维测量技术的研 究的资助。 主要研究内容及解决的关键技术如下： 一、基于三坐标测量机与单齿靶标的系统内参数标定 7 大视场线结构光两轴测量系统 由c c d 摄像机像面坐标系到线结构光平面坐标系二维n - 维的转换关系，是 二维摄像机像面坐标到三维被测物体数控回转台坐标转换的第一步。该转换只由 线结构光传感器本身决定，与外部驱动设备无关。转换关系矩阵中的参数称为“系 统内参数”。 首先，建立了理想摄像机成像模型，又在考虑了摄像机径向畸变的基础上建 立了从摄像机像平面向结构光三维坐标系转换的数学模型，并根据此模型直接建 立摄像机像平面坐标系与结构光平面坐标系之间的转换关系。 然后，提出了基于三坐标测量机的获取标定点序列的方法。为了方便在光平 面中获取标定点，采用了单齿靶标，将靶标放置在三坐标测量机的工作台上，通 过移动工作台，使靶标处于光平面中的不同位置，利用光条中心提取、直线拟合 的技术获取了标定点的摄像机像面坐标及结构光光面坐标，即获取了标定序列。 二、提出了系统二维到三维转换模型与基于标准球的系统外参数的标定方法 线结构光传感器安装在转台驱动设备上之后，在数控回转台的带动下结构光 平面扫过被测物体一周。根据已知的转台驱动设备的运动特征，可以建立线结构 光平面坐标系与被测物体数控回转台坐标系二维到三维的转换关系，是二维摄像 机像面坐标到三维被测物体数控回转台转换的第二步。该转换与外部驱动设备有 关，因此转换关系矩阵中的参数称为“系统外参数 。 首先，建立了适用于转台系统的三维坐标系，又在考虑了转台系统机械误差 的基础上建立了从结构光平面二维坐标系向被测物体数控回转台三维坐标系转 换的关系。 然后，提出了基于标准球的系统外参数的标定方法，即获取“共轭对”作为 标定信息求解系统外参数的方法：采用了单标准球靶标，将靶标放置在被测物体 数控回转台上，通过控制两转台协同转动，使结构光平面与靶标交与不同位置， 利用光条中心提取、圆拟合的技术计算出了标定点( 即标准球球心) 的位置，将 测头数控回转台转动到此位置就能得到“共轭对”，通过改变被测物体数控回转 台的转角获得多个“共轭对 ，求解系统外参数，从而避免了手动采集标定信息 所带来的误差。 三、物体三维测量数据的获取 在完成系统二维到三维坐标变换和系统内、外参数的标定过程后，本测量系 统即可用于测量物体。先使被测物体数控回转台固定不动，仅测头数控回转台转 动扫描，再改变被测物体数控回转台的角度，使被测物体的另一部分表面处于摄 像机视场内被结构光平面扫描，随着两转台的协同转动，结构光平面扫过被测物 体一周，获取了物体的全貌三维数据，从而为还原物体的三维模型提供了高精度 的测量数据。 8 大视场线结构光两轴测量系统 2 大视场线结构光两轴测量系统概述 2 1 系统组成和工作原理 如图2 - 1 所示，本系统主要由c c d 摄像机、线激光投射器、两个数控回转台 组成。 传感器系统主要由一个c c d 摄像机、线激光投射器组成，如图2 一l 中的1 、 2 ，以下简称为“线结构光测头。线激光投射器投射出的线结构光平面与被测物 体相交得到能反映其轮廓的光条，c c d 摄像机拍到该光条的图像，为后续的处理 提供视觉信息。但线激光投射器投射出的结构光平面与被测物体只交于一条线， 所以要想实现对物体的整体测量，必须借助外部驱动设备带动其运动扫描物体。 本系统是通过两个数控回转台协同转动，带动线结构光测头转动，使光面扫 过c c d 摄像机视场内的被测物体的。如图2 - 1 所示，两个数控回转台测头数 控回转台3 和被测物体数控回转台4 是结构完全相同的数控回转台，转动是采用 步进电机驱动蜗轮蜗杆机构实现的。测头数控回转台3 的转台面上固定有线结构 光测头，被测物体数控回转台4 的转台面是用来放置被测物体的。 4 卜c c d 摄像机2 一线激光投射器3 一测头数控回转台4 一被测物体数控回转台 5 一基座平板 图2 - i两轴测量系统结构简图 本系统的三维测量是通过控制两个数控回转台协同转动，使光面扫过c c d 摄像机视场内的被测物体的一周来完成的。线激光投射器发出的光面投射到被测 9 大视场线结构光两轴测量系统 物体的空间内，和被测物体相交形成一个光条，c c d 摄像机获取该光条的图像后， 利用建立的数学模型和两个数控回转台的转角就可求出该光条的三维坐标。根据 这个原理，一幅光条图像对应两个数控回转台在各自某一特定角度下的光面与被 测物体相交产生的光条。分别对两个数控回转台在不同角度下得到的光条进行处 理n 胡n 6 1 就可得到整个被测物体的完整三维数据。 本系统在用于测量前需要先进行标定。标定主要经历两个阶段传感器系 统的标定( 即系统内参数标定) 、系统外参数标定。这两部分会在后面的章节分 别详述。 。 2 2 系统硬件构成 大视场线结构光两轴测量系统的硬件主要有c c d 摄像机、光学镜头、滤光片、 图像采集卡、线激光投射器、光学编码器及读数盒、转台。系统的测量精度受诸 多因素的影响，如摄像机本身的光学物理参数、光学投射器特征参数、图像的采 集精度及外界干扰源等等，因此，要实现精确的测量，硬件设备的质量是重要因 素。 一、摄像机的选择。摄像机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的 功能就是将光信号转变成为有序的电信号，选择合适的摄像机也是机器视觉系统 设计中的重要环节。工业摄像机的选取原则是采集速度快、噪声低、分辨率高、 对比度高、工作稳定且控制功能强大。其主要性能指标包括有效像素、清晰度、 最低照度、同步方式等。 有效像素数是在镜头变焦倍率下所换算出来的值，是指真正参与感光成像的 像素值。清晰度是衡量摄像机优劣的一个重要参数，是由摄像器件像素多少决定 的，显然摄像器件的像素越多，得到的图像越清晰，反之亦然。最低照度是当被 摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值 时的景物光亮度值。最低照度越小，摄像机档次越高。摄像机的同步方式一般有 内同步、电源同步和外同步。内同步是利用摄像机内部的晶体振荡电路产生同步 信号来完成操作。电源同步是利用摄像机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄 像机和电源零线同步。外同步利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄 像机的外同步输入端来实现同步。 此外，摄像机的价格、体积也是考虑的因素。本实验对要求摄像机分辨率在 百万像素以内即可、具有低照度、体积小、重量轻，价格适中。综合考虑以上因 素，选择的摄像机是日本w a t e c 公司的w a t - 9 0 2 b 。它的c c d 尺寸为1 2 英寸， 信号制式为p a l ：7 5 2 ( h ) * 5 8 2 ( v ) ；最低照度为0 0 0 3 l u x ，为星光级摄像机，在很 暗的环境依然能进行正常拍摄；体积为3 5 5 m m x4 3 6 m m 5 8 m m ，重量仅为9 0 9 ， 在工业摄像机中属于非常轻巧的型号。各项技术指标均符合要求。 1 0 大视场线结构光两轴测量系统 二、镜头与滤光片的选取。镜头的选取原则是透光率高、视场大、畸变小、 重量轻、体积小、焦点和光圈可调。镜头用的是8 m m 固定焦距的c o m p u t a r m 0 8 1 4 一m p 镜头。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所 观察的范围也大，但畸变也相对变大。所以虽然使用8 m m 焦距镜头精度会比传统 的大焦距镜头的测量系统低一些，但能够在兼顾成像清晰的同时，满足大视场的 系统测量要求。而且通过在摄像机标定中引入畸变参数，可以很大程度地减少因 畸变引起的误差。 为了减少环境光对测量的影响，选用带通滤光片来滤除环境光，仅让6 5 0 n m 红色激光通过。所选滤光片为沈阳汇博公司的激光波长滤光片，它的中心波长是 6 5 0 n m ，峰值通过率是5 0 ，半宽4 0 n m 。并且定做固定半径的滤光片，使其可以 安装到镜头上。 三、图像采集卡的选取。摄像机采集的图像信息是模拟信号，并不能被计算 机直接处理，要对其进行数字化才能输入到计算机。视频采集卡的选取原则是分 辨率要同摄像机搭配、工作稳定、噪声低并且控制功能强大。对于视频采集卡， 选择比利时e u r e s y s 公司的p i c o l op r 0 2 采集卡，该卡每秒钟可以采集2 5 帧7 6 8 x 5 7 6 分辨率的图像，工作稳定，噪声低，并且控制功能强大。 四、在测量系统中，对线激光投射器有非常严格的要求。由于模型推导过程 中认为光平面是理想平面，所以要求线激光投射器射出的光平面具有良好的平面 度。同时，为了在光条提取过程中获得最好的精度，要求反射光平面与所测物体 的交线非常细。激光器的选取原则是直线度好，光条在大范围内很细并且均匀。 本系统选择加拿大s t o c k e ry a l e 公司的l a s i r i s 系列线性激光器，它的输出功 率稳定，且线宽、聚焦范围等技术参数优异，射出的光平面具有良好的平面度。 五、两个转台角度的计量采用长春三峰传感技术公司生产的5 0 0 0 线光学编 码器，与读数盒外接可以最终实现通过u s b 接口与p c 机通信传输转角数据。其 中读数盒为三通道四倍频光栅尺位移读数盒( 见图2 - 2 ) 。两转台的转动是由步 进电机驱动蜗轮蜗杆机构实现的。 大祝场线结构光m 轴目i 量系统 ( b ) 圈2 - 2 三通道光栅尺位移读数盒 23 系统结构优化设计 为了能高精度地测量物体的全貌，必须综合考虑系统的结构设计。 首先，对于线结构光传感器，c c d 摄像机与线激光投射器的夹角和距离必须 在一定范围内。夹角和距离过大，会造成严重的遮挡；过小又使摄像机拍到的光 条图像不能更好地反映物体的轮廓信息，深度方向的测量误差变大。此外，线结 构光传感器、两个转台的位置关系也决定着能否高精度地测量中小型物体的一周 全貌。 因此，要获得良好的视场和精度，需要对系统结构进行优化设计。 如图2 一l 所示，线结构光传感器中，c c d 摄像机1 的光轴与线激光投射器2 发出的结构光平面的夹角为3 0 。，两者的距离为3 0 嘶1 两数控回转台都被固定在作为参考平面的基座平板5 上，且两者的转轴都近 大视场线结构光两轴测量系统 似垂直于基座平板5 。此外，两个数控回转台l 和3 转轴之间的距离为4 0 0 r a m ， 测头数控回转台3 的转轴在线激光投射器2 投射出的光面内，这样就能保证光面 转动的角度与测头数控回转台1 的角度相同；线结构光测头2 与被测物体数控回 转台3 的台面在垂直于基座平板5 的方向上的距离为2 0 0 r a m 。 1 3 大视场线结构光两轴测量系统 3 基于三坐标测量机的系统内参数的标定 本测量系统的标定主要经历两个阶段传感器系统的标定( 即系统内参数 标定) 、系统外参数标定。本章详细阐述了系统内参数标定。 首先，根据摄像机透视投影成像原理建立了摄像机理想数学模型，在综合分 析视觉误差产生机理的基础上，结合工程测量的需要，建立了考虑镜头畸变的摄 像机成像模型。然后，根据该模型建立了结构光光面坐标系与摄像机像面坐标系 之间的转换关系。最终基于三坐标测量机，利用单齿靶标进行标定，实现了系统 内参数的标定。 3 1 摄像机数学模型的建立 在摄像机标定之前必须首先建立起摄像机成像的数学模型，明确需要标定 的摄像机参数，为下一步标定方法的选取做好准备。 3 1 1 理想摄像机成像模型 假定摄像机模型为理想的针孔透视变换模型，采用理想的光学镜头，不考虑 透镜的畸变，可建立如图3 - 1 所示的摄像机模型。 在视觉测量系统中，物体从三维空间到摄像机图像，成像关系复杂，变换涉 及到几个不同的坐标系n 7 1 ，其中有： 图3 - 1 理想透镜的摄像机成像模型 1 三维世界坐标系0 ，x w y 。z 。 三维世界坐标系是客观世界的绝对坐标系，也是一个假想的固定参考坐标 系，一般采用三维直角坐标系。 1 4 大视场线结构光两轴测量系统 2 摄像机坐标系q j c c 咒z c 以摄像机为中心的三维坐标系，其原点d c 定义在摄像机的光心中心，乙轴 与光轴重合，原点q 到c c d 像平面的距离为，其中，为理想成像系统有效焦 距。 3 摄像机图像坐标系0 。x y 定义在c c d 像平面上的二维坐标系，其原点d 定义为光轴与像平面的交点， x 轴、y 轴分别平行于轴”轴。 4 摄像机像面坐标系o u v 定义在c c d 像平面上的二维坐标系，坐标原点选在图像的左上角，水平轴( “ 轴) 向右为正，垂直轴( v 轴) 向下为正。其与图像坐标系0 。腰的区别是原点位置 不同，以及坐标的度量单位不同。 在以上四个坐标系中，摄像机像面坐标系的度量单位为像素，而其他三个坐 标系均为物理长度单位( 毫米) 。 从客观场景到数字图像的成像变换由以下四步组成，如图3 2 所示： a 从世界坐标系d ，x w y 。z 。到摄像机坐标系q t 咒乙的变换为： 圣 2r 蒌 + t2 兰薹兰】 蒌 + 兰】 c 3 1 ， 其中旋转矩阵r 为正交矩阵，t 为平移矢量。“，厂4 ，7 ) 、( 厂2 ，5 ，r 8 ) 、( r 3 ，6 ，r 9 ) 分别表示x 。、y 矿z w 坐标轴在o c x c y 。z c 坐标系中的单位方向矢量。 b 从摄像机坐标系o , x c y 。z c 到摄像机图像坐标系0 肼的理想透视变换关系为： p 享 。 兰 草 圣 c 3 2 ， c 从摄像机图像坐标系0 朋到摄像机像面坐标系o u v 的变换为： r2 冬苎栅。( 3 - 3 ) 1 归q y + v 。 其中( n x ，n ，) 为图像平面上单位距离像素点数，可由摄像机给定参数换算得到。 1 5 大视场线结构光两轴测量系统 把式( 3 一1 ) 、( 3 2 ) 代入式( 3 3 ) ，可得世界坐标系d 。x 。z 。中的点到摄 像机像面坐标 ， ，) 的透视变换关系为： p豳=i以n4+砜rtvo以jnr：2+r屹o以fnzr：3+r弓9uo x w y 。 z w 1 ( 3 - 4 ) 式( 3 - 4 ) 即为理想摄像机的成像数学模型，其中( r ，n ，) 为已知，旋转矩阵r 、 平移矢量t 、镜头焦距厂以及主点 。，y 。) 为待求参数。实验表明主点在3 0 个象 素范围内的偏差对整体的标定结果影响很小，在一般的工程测量中完全可以忽略 不计，故本文直接采用摄像机图像的中心作为摄像机主点的帧存坐标。 3 1 2 考虑镜头畸变的摄像机成像模型 在透视投影成像过程中，由于摄像机成像系统不能使图像与实际景物在全场 范围内严格满足针孔成像模型，使中心投影线发生弯曲，致使被测点在摄像机像 面上所成的像和理想成像之间存在着光学畸变误差。产生该几何畸变有如下几个 主要原因： 1 透镜误差 摄像机系统必须通过光学透镜组才能成像，但是由于任何光学透镜都有一定 的孔径和视场，因此实际光学透镜组都不可能使成像严格满足针孔成像的模型。 透镜像差一般可分为轴对称误差和非轴对称误差两种。轴对称误差主要有径向畸 变误差等；非轴对称误差主要有切向畸变误差和薄棱镜畸变误差等。其中径向畸 变误差是最主要的镜头误差。径向畸变可分为正畸变和负畸变两种，即分别对应 俗称的枕形畸变和桶形畸变，以拍摄平面靶标为例来演示各种畸变效果，如图 3 - 3 所示。摄像机的焦距变化对畸变误差影响较大，一般摄像机镜头在边缘处会 有较大的畸变误差，尤其是短焦距的广角镜头，镜头畸变误差会更大。 ( a ) 理想图像( b ) 透视畸变 1 6 n v 砂 + + o 乞 肿肿 大视场线结构光两轴测量系统 ( c ) 枕形畸变( d ) 桶形畸变 图3 3 摄像机系统成像畸变模型 2 考虑透镜径向畸变的小孔摄像机模型 在实际成像系统中，和其它畸变相比，径向畸变为影响工业机器视觉精度的 主要因素n 羽，为使模型简化，一般只考虑径向畸变。径向畸变的数学模型在c c d 像面内如式( 3 - 5 ) 所示，考虑透镜径向畸变的小孔摄像机模型如图3 4 所示。 图3 - 4 考虑透镜径向畸变的小孔摄像机模型 j x “= x d ( 1 + 七一鼍2 + 七z 鼍4 + 后，q 。6 + 一( 3 - 5 ) l 虼= 匕( 1 + k l q 2 + 七2 q 4 + k 3 q 6 + ) 其中僻。，l ) 为c c d 像面理想像点，只( x d ，圪) 为发生径向畸变后的像点， q 2 = x d 2 + 虼2 ，k l , k 2 ，k 3 为畸变系数。 径向畸变的数学模型在摄像机像面内可表示为： 1 7 大视场线结构光两轴测量系统 p2 ：吨) ( 1 + 饷2 + 七；9 4 + q 6 + 。) + “。( 3 - 6 ) ly 一( y 。一y o ) ( 1 + 尼；q 2 + 七；9 4 + 七；q 6 + ) + v o 。 其中 ，v ) 为摄像机像面理想像点， t ， ，) 为发生径向畸变后