双摄像机线结构光测量技术研究

1、北京信息科技大学硕士学位论文双摄像机线结构光测量技术研究姓名：刘枝梅申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：邓文怡20081224摘要摘要近年来，随着结构光技术和近景摄影测量技术的飞速发展，基于线结构光的面形测量与目标重建已经成为视觉测量的重要组成部分，工业、医疗等行业对其提出了迫切的需求。利用线结构光和双摄像机可以简单、快速地获取待测物体表面点的空间信息。本文对双摄像机和线结构光测量系统进行了研究，主要包括系统的标定、结构光图象处理及特征点匹配等部分。在测量过程中，待测物体不动，采集系统作相对运动，即每次采集的空间坐标系在变化，因此，在待测物体的背景上贴个标记点，用于得到不同空间

2、坐标系之间的转换关系。在线结构光视觉测量系统中，采用平面黑白棋盘格为定标靶的非线性摄像机模型，利用张下友标定方法对摄像机标定。基于图像特点，研究分析了图像去噪、二值化和线结构光光条中心线提取方法。结合实际，采用了中值滤波方法，有效地去除了孤立噪声；选用全局阈值和动态阈值相结合的方法选取阂值对图像二值化，便于利用模板法检测出背景中的标记点，并求取其中心点坐标；由于光条中心的提取精度直接影响到整个系统的测量结果，而光条宽度不同、光照不均匀及待测物体表面性质的差异，使得精确地提取光条中心线存在一定难度。因此，根据线结构光的特点提出了两种提取算法，分别采用了二值形态学细化和高斯曲线拟合两种算法，很好地

3、恢复出目标的空间信息。并对两者进行比较，后者提取效果更好。实验结果表明，标定所用靶标及标定结果可靠，具有可行性；两种线结构光光条中心线提取方法均可在实际中应用，只是高斯曲线拟合算法精度比较高，对待测目标点的空间信息恢复更有利。本文设计的系统适于各种曲面及反射率较低的物体面形，最大测量范围是左右。关键词：线结构光；双目视觉；光条中心定位；摄像机标定，。，；，；，；，（了，：，学位论文版权使用授权书本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手

4、段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向中国科学技术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：参乍侮吲年具妒经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。（注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字）指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文题目为双摄像机线结构光测量技术研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本

5、学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者繇印修穆呻年玛弓日第章引言课题背景及意义第章引言随着现代工业的发展，过去传统的测量方式已不能满足高精度制造及加工工业发展的需要，工业产品如模具外形、产品外观等的三维数据高精度获取，己成为人们在测量领域中一个新的、重要的研究方向，它对加工数据的设计、加工结果的检验、产品对比分析以及对后续的加工提供数据依据都具有重大的现实意义。因此如何能够大量、快速、高精度地对加工产品的三维数据进行采集已成为现代加

6、工工业中一个亟待解决的重要问题。近年来，随着结构光和近景摄影测量技术的发展，基于线结构光的面形测量与目标重建已经成为视觉测量的主要趋势，也是目玎三维测量学领域的研究热点。在三维曲面轮廓测量中，大致可分为接触式与非接触式两种。接触式测量通常是以探针或探头直接接触待测物表面，并配合一套运动控制软件，逐点触发或扫描量测之方式，测得待测物表面形貌信息。在微型组件形貌量测中，因许多组件非常脆弱，若用接触式测量，可能会使组件遭到探针破坏；而非接触式几何光学量测法，不仅能避免破坏到组件，其测量精度、分辨率办不低于探针接触测量，而且当运用结构光投射方式作为测量方法时，具有实时性、高效率的优点，同时其测量系统成

7、本比探针式量测系统低，因此若将此测量系统发展完善必定可为物体形貌测量带来高效率与低成本的优势。线结构光测量法是视觉测量中用来获取待测物体表面轮廓信息的常用方法。与传统的三坐标测量机相比，线结构光测量法具有非接触、测量速度快、精度高等优点口，因此在社会上得到了越来越广泛的应用。计算机视觉。”，这门学科的产生与发展已有几十年的历史，它是通过图像或视频数据研究周围世界的学科，主要以摄像机采集的图像或视频为原始数据，提取出图像或视频中有用的目标信息。常用的是立体视觉中的双目视觉原理，通过拍照获取待测对象的三维信息。电子、光学、计算机技术同趋完善以及人们在图像处理、模式识别、人工智能技术等领域取得了巨大

8、成就，以工业化的摄像机、半导体激光器及电子产品为基础的物体三维外形轮廓非接触、快速测量技术成为国内外研究发展的热点和重点。由于其具有检测速度快、测量精度高、数据处理易于自动化等优点，各个领域、各个行业表现出了急切的需求并已经开始了广泛的应用。三维形貌测量技术是一系列获取物体表面三维数据的方法，大致分为结构光式第章引言和非结构光式。在结构光方面，依照结构光图案形式不同，目前主要有点结构光，线结构光，面结构光；根据应用的不同，选择不同的技术方法。点结构光的优点是，单点测量精度较高，但速度较慢；面结构光扫描速度较快，测量的效率较好，但数据处理的方式较为复杂，对物体表面结构有一定的要求；线结构光问于两

9、者之问，可以测量复杂的、离散的结构，但速度稍慢心。基于线结构光的三维测量能够快速、非接触式地获取被测目标的三维信息，能够实现在线测量，对一些特殊的测量目标如重要文物、弹性塑性材料、人体等，结构光测量方法能够很好的完成传统的测量方法所不能完成的任务；同时，结构光测量能够为目标重建提供大量的三维数据。本文对双摄像机线结构光测量技术的研究是基于以上背景提出的，具有重要的研究意义和实用性。立体视觉和线结构光测量的研究现状及发展趋势立体视觉测量从世纪年代至今，在的理论框架下，立体视觉的研究者们对立体视觉的各个层次和视觉系统的各个阶段中的各种功能模块进行了大量的研究，取得了一大批科研成果肺。但是，随着计算

10、机视觉研究的不断深入，人们发现了理论的局限性，这些理论、方法、算法在实际应用中并没有产生能完全取代人的视觉系统。无论是从视觉生理的角度，还是从实际应用方面来看，现有的立体视觉技术还处在十分不成熟的阶段抽刊，计算机立体视觉系统的研究面临着一系列技术难点：立体匹配作为立体视觉的核心，在理论上和技术上都还不完善。例如，如何选择合理的匹配特征，以克服匹配准确性与恢复视差全面性间的矛盾；如何选择有效的匹配准则和算法结构，以解决存在严重灰度失真、几何畸变、噪声干扰、特殊结构及遮挡景物的匹配问题；如何建立更有效的图像表达形式和立体视觉模型，降低立体匹配的难度等。目前也还没有一种可靠的通用的匹配方法。人类对自

11、身视觉机理还不十分了解，人类是如何精选、获取和分析理解视觉知识的，至今还未充分搞清楚。立体视觉系统所需的计算量是非常庞大的，对于一幅标准的航空摄影照片（）只用一个的算子对其进行一次卷积运算就相当于次乘法运算。然而实用的系统对时问的要求是有一定限制的。在现阶段集成电路和特殊功能部件的发展还不能满足实时性的要求，这为立体视觉系统完全变为实用的通用系统设置第章引言了一大障碍。从当前的发展来看，计算机视觉的发展动向可以归纳如下：以全面的观点将立体视觉系统的各个模块联系起来，充分挖掘内在信息。向智能化发展，研究基于知识的、模型的和规则的立体视觉方法。算法向并行化发展，采用并行流水线机制和专用的信号处理器

12、件，增强系统的实用性。强调场景与任务约束，针对不同的应用目的，优化选择各部分，建立有目的的和面向任务的立体视觉系统。双目立体视觉技术由于直接模拟人眼视觉的处理过程，具有快速、准确、灵活等特点，因此正广泛地应用于各个方面，特别是在许多人类视觉无法感知的场合，如在精确定量感知、危险场景感知和不可见物体感知等场合，计算机视觉更能显示其无可比拟的优越性。双目立体视觉的应用领域包括：零件识别与定位由于工业环境的结构、照明等因素可以得到严格的控制，因此立体视觉在工业生产和装配中可以成功地用于产品零件的识别和定位。产品检验立体视觉目前已经用于产品外形检验、表面缺陷检验，比如，滑块及滑槽的外形检验以及装配后的

13、位置检验，以决定它们能否装配在一起，并且准确无误地完成装配任务。医学图像分析立体视觉在医学图像诊断方面有两方面的应用，一是对图像进行增强、标记染色等处理来帮助医生诊断疾病，并协助医生对感兴趣的区域进行定量测量和比较；二是利用专家知识系统对图像（或一段时间内的一系列图像）进行自动分析和解释，给出诊断结果。其它立体视觉已经用于各种球类运动分析、人体测量、食品、农业、心理学、电视电影制作、美术模型、远程教育、多媒体教学等场合。线结构光测量结构光测量是一种既利用图像又利用可控光源的测量技术。其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。结构光图像的处理和计算是整个测量任务的关键环节之一

14、，对于这种技术的研究在国内外已取得不少的研究成果。根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式可以分为点结构光模式、线结构光模式、面结构光模式等。第章引言点结构光模式点结构光方法，是结构光方法中最简单的方法，也是结构光方法中的基础。如图所示，投影器发出的光束投射到被测物体表面上产生一个光点，光点经透视投影成像在摄像机的像平面上，形成一个二维像点。摄像机的视线和光束在空问中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的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坐标系中的空间位置。线结构光模式线结构光模式，又称为光带模式。如图所示，投影器产生的激光束经柱面镜变成一

15、个较窄的光平面，当此光平面投射到待测物体形成一亮的激光条，光条携带反映物体的表面信息。用面阵摄像机采集光条图象，从而获得待测物体表面被照区域的截面形状或轮廓信息。测物体摄像机图点结构光模式图线结构光模式图为单目结构光模式，除此之外还有双目结构光法国，即系统中采用两台摄像机，如图所示。标定两摄像机和光平面之间的位置关系，通过对光条图像的处理，就可求出光平面上的空间点坐标。双目结构中，也可以不标定摄像机与光平面之间的关系。图双目线结构光测量法示意图线结构光视觉传感器结构简单、测量精度高、测量速度快，光条图像信息易于提第章引言取，因此得到了广泛的应用。此测量系统一般安装在坐标测量机的探头位置，随测量

16、臂的移动对物体进行扫描。如华中科技大学塑性形成模拟及模具技术国家重点实验室研发的商品化系列的三维激光线扫描测量系统，应用在反求工程中，系统精度可达以内。结构光三维视觉在工业中的应用可以分为两大方面：视觉检测与视觉导引。视觉检测主要是使用图像或图像的部分与设定的标准进行比较，以达到检测的目的。视觉检测己成功地应用于电子、汽车、纺织、机械加工等现代工业中。视觉导引主要是使用图象处理的方法来导引机器入克服故障及发现最佳的路径。“”。在汽车制造过程中，白车身上有许多关键点的三维尺寸需要检测，如车窗、车门等。若不符合设计要求，整车就会封闭不严，出现漏风、漏阿等现象。传统的人工靠模法检测效率低，检测精度受

17、人为因素影响大。大型的三坐标测量机测量精度大幅度提高，但只能实现离线定期抽样检测，效率低，不能全面反映白车身总成的制造质量，更不能满足在线检测要求。而汽车车身视觉检测系统的测量效率高，净度适中，测量工作在计算机的控制下，全部自动完成。通常情况下，一个包含几十个被测点的系统能在几分钟内测量完毕，检测精度可达，很好地满足了现代气车制造对检测速度和精度的要求。还有其它的工业应用，如无缝钢管直线度的测量和汽车车轮激光视觉定位等。随着结构光三维视觉检测技术的不断发展与完善，这项技术在更多的领域内得到应用。课题来源及本文主要研究内容在市场上，虽然已有商业化程度较高的、用于物体三维形貌测量的产品出现，但多数

18、产品来自国外，如德国公司的、同本美能达的系列三维扫描仪，其扫描精确度可以达到，而国内该类测量产品的实际应用还比较少见，大多是存在于科研院所实验室中。本文在广泛收集和查阅相关资料的基础上，瞄准双目立体视觉和线结构光的前沿发展动态，以及北京市教委人才强教项目“三维视觉测量系统中的测量数据分析处理”的支持，提出一种基于双摄像机线结构光技术的测量系统。本文中重点对双摄像机线结构光测量系统的设计、双摄像机系统内外参数的标定、线结构光光条图象处理等作了详细介绍。本课题的主要研究目标是设计种双摄像机线结构光测量系统，双摄像机结构配合半导体激光线结构光扫描，首先获取各个扫描光条处的物体三维信息，通过设定公共空

19、间坐标系，把所有扫描光条的三维坐标统同一个空间坐标系下，得到扫描范围内的物体三维形貌，再把不同视场下得到的面形数据点云进行拼接，得到物体整体的三维重建。本文中提出了测量系统中贴参考标记点的方法，作为不同空间坐标系统一的依第章引言据。根据每幅图像上计算出的标记点的空间坐标，把各光条的三维信息统一到同一个空间坐标系下。并且把不同视场下获取的三维数据点云进行图像拼接。主要研究工作安排如下：第章首先，概述了线结构光和双摄像机测量技术研究的背景和意义；其次，回顾了结构光和双目立体视觉测量技术的研究现状和发展趋势；最后，介绍了课题的来源及本文主要研究内容。第章介绍测量系统的工作原理和测量方法以及总体方案设

20、计，另外还对系统的组成作了详细介绍。第章介绍摄像机的标定模型和标定方法，并设计了系统在非线性模型下的标定算法和具体实现。第章针对测量系统的特点，对线结构光光条图像进行处理与分析。其主要有图像去噪、二值化、标记点的识别与中心点求取、光条中心线的提取算法以及标记点中心和光条中心线的特征点的各自匹配算法及实现过程。第章搭建了双摄像机线结构光测量系统实验装置，进行了摄像机标定，利用标定后的结果测量实物的表面尺寸，并对测量所得数据进行分析。第章对本论文所做的研究工作进行了总结，并展望了今后可改进、扩展的功能及以后的研究方向。第章判姑原理及测韫系统第章测量原理及测量系统本文设计了一种双摄像机线结构光测量系

21、统主要由信息输入（视觉传感器）、数据采集和数槲处理输出设备组成。泼系统芒要是对物体的三维面形进行测量，如规则物体的尺寸。对待测物体的表面有一定要求，山十测量过程中在物体表面投射激光线，因此物体表面不能是强反光材料。另外，拍摄的网像为扶度图光条反映物体表面的几何信息，且结构光条为白色条纹故物体表面小能是白色或接近白色，否则很难识别井提取光条信息。系统总体方案设计物体三维轮廓的测盘有多种疗法。由于双目立体视觉传感器结构设计简单，同时结构光能使被测物体特征明显、易于识别结合两者的优点对传统的视觉传感器结构进行统一。本文设计了一种双摄像机线结构光测量系统。双摄像机线结构光测量系统是以非接触式几何光学法

22、测量待测物体的形貌轮廓，再以摄影机获取图像，配合三角测量原理便可得到待湖物三维形貌轮廓。校正部分如镜头所产生的影像畸变现象光源是否理想与影像处理的误差等的测量系统。该系统主要山运动控制、扫描采集、数据处理、三维重建等部分组成。测量精度较高，速度较快，对待测物体无损伤，主要应用于工业曲面测量等工程中，能够太大缩短产品开发周期和提高产品的质量。如图所示测量系统原理图。幽取摄像机结构光测琏系统原理图在测量系统中般摄像机和半导体激光器是周定在预先设计好的支架上，而支架再安装至滑块上。这样，测量过程中只要沿平移台导轨逐步移动滑块，即可对待侧物体进行全面扫描拍摄。激光器发射出的线结构光投射在空间待测物体表

23、面，光条反映物体表面的几何信第章测餐原理及测餐系统息。由于在物体扫描过程中，整个扫描系统在沿导轨运动，其运动方向与世界坐标轴之问存在不确定关系。因此，每个线结构光光条的三维坐标是建立在不同的世界坐标系下，且不能通过光条间距进行坐标平移变换。为了把各光条在不同世界坐标系下的三维坐标统一到同一个世界坐标系下，借助参考标记点解决这一问题。在物体周围的背景处贴上个圆形标记点，保证每次拍摄光条图像时，两个摄像机都能同时拍到标记点。因为每幅图像是在不同的世界坐标系下获得的，根据各图像上标记点中心的世界坐标之阳的转换关系，把各光条的三维坐标转换到同一个世界坐标系下。另外，标记点采用激光打印机打印的白色圆形贴

24、片，并保证标记点直径大于光条的宽度。下面是测量实现过程：首先，对固定好的两台摄像机进行标定，求得其各自的内、外参数；其次，在待测物体背景周围贴个圆形标记点，保证扫描过程中至少个可以同时被相机拍到；再次，将线结构光投射在待测物体上，用两台摄像机同时采集图像，每采集一次图像后通过位移控制台移动测量系统一次，继续操作直到把整个物体扫描完为止；接下来，对采集的图像对进行预处理，包括图像去噪、标记点识别与中心提取及匹配；然后处理经预处理后包含结构光光条的图像，主要有光条中心线提取、中心线上特征点的匹配、匹配点的空间坐标计算和三维数据点云重建等。最后，通过实验对系统进行评价。在测量过程中，待测物体及其标记

25、点是不动的，而采集系统作相对运动，即采集系统的空间坐标是变化的，亦即光条中心线特征点的空间坐标是不同的，为了对其统一才引入了标记点。通过标记点的空间坐标可以求得系统空间坐标系问的转换关系，从而可以将各特征点统一到同一坐标系下，以便三维重建的实现。测量系统硬件框图见图所示，软件处理框图如图所示。固定器件位置双摄像机标定上图像采集图像预处理标记点中心结构光光条提取中心线提取鬻物体表面点云数据处理结果评价图双摄像机测量系统硬件框图图双摄像机测量系统软件处理框图第章测鼙原理及洲精系统双摄像机测量系统的基本原理用双眼从稍有不同的两个角度去观察客观的三维世界中的景物，由于几何光学的投影，离观察者不同距离的

26、像点在左右两眼视网膜上就不是在相同的位置上。这种两眼视网膜上的位置差就称之为双目视差（），简称视差阳，它反映了客观景物的深度。人能有深度感知，就是因为有了这个视差，再经过大脑的加工形成的。基于视差理论的双目立体视觉，就是运用两个相同的摄像机对同一景物从不同位置成像，获得景物的立体图像对，通过各种算法匹配出相应像点，从而计算出视差，然后采用基于三角测量的方法恢复深度信息。现有的绝大多数双目立体视觉系统均采用这一原理。双摄像机测量系统的基本原理是：基于人眼视差理论的。一般采用的方法是用两个摄像机从不同角度同时获取待测物体及其周围景物的信息图象，在摄像机位置关系已知的条件下，恢复出待测物体的三维空间

27、信息，并进步重建待测物体的表面形状和空间位置。图为立体视觉成像原理图。假设完全相同的左右摄像机已标定，且光心都在图象中心。图中为基线距，即摄像机投影中心连线距离。图立体视觉成像原理图设左右摄像机的坐标系分别为，、，像平面坐标系分别为，、，焦距分别为五、。与凰，轴组成的直角坐标系为空间世界坐标系，分别为左右摄像机的光心，摄像机坐标系中的工轴与轴分别同对应的图像坐标系五轴平行，刁，轴分别为左右摄像机光轴，它与相应的图像平面垂直，并且光轴与图像平面的交点即为图像坐标系的原点。两摄像机投影中心的连线为基线距离，左右摄像机在同一时刻观察空间物体上的点。第章测鼙原理及测鼍系统在空间环境中选择一个基准坐标系

28、作为世界坐标系，可以用它来描述摄像机及空间中任何物体的位置。摄像机坐标系与世界坐标系之间的转换关系可以用旋转矩阵与平移向量来描述。假设空间中点在世界坐标系与左右摄像机坐标系下的坐标分别表示为：己；（。，匕，。，）、，；“，）、，（，）丁，两坐标有如下转换关系：（彳）佴，（）（）其中，（），。点易、所分别为点在左右摄像机成像平面上的像点，设点在左右图像中的坐标分别为（，）、（，），由摄像机中的透视投影关系可知，空间点的像点在成像平面的位置为光心到点的连线与图像平面的交点。因此，可得出图像坐标与摄像机坐标间的关系：用奇次坐标和矩阵表示上述透视投影关系：、五薯咒只咒乞（）上式中，。量为一比例因子，只

29、为透视投影矩阵。将式（）分别代入式（）和（）中，得到空间点的世界坐标乙）与其左右像点的图像坐标之间的关系：正，匕。（）匕乙嗜乙比匕乙匕乙乃一盈毛盟乙暑鲁，、，。，一，；、，、第章测量原理及测鼍系统由于摄像机经标定后，其内外参数都是已知的，即肘，是已知量，那么将上式可表示为方程组：。，。历慨。朋（）墨删历匕其中，珊表示，：中第行第列元素，消去得，口，譬，一，咒鼽兰篓，嚣麓寰之，这黼懒峤点的方程其中口；一埘，口；这样分别得到所、点的方程，一，一，组，联立可得，（）其中：（。，匕，。），眦，；，；一“），。解出未知数就是点的空间坐标。但此时的并不是实际的空间坐标，而是相差一个比例因子的相对坐标。由摄

30、像机的原理图可知，空间点与摄像机的光心、像点应该在一条直线上，点下好是左右两条直线的交点。我们可以通过计算两条直线的交点来计算点的空间坐标。摄像机光心的位置可以通过摄像机标定来确定，判断肼、是否为同一空间点的像点是关键，即点的匹配问题。系统组成本文设计的双摄像机测量系统主要由硬件和软件两部分组成。具体如图所示：第章测姑原理及测封系统幽洳射系统组成示意图其中，硬件部分包括摄像机、镜头、半导体檄光器、标定板、电控位移台、机等，软件部分有采集图像软件和处理图像程序。下面将各部分具体介绍一下：硬件部分摄像机、镜头及标定板系统中采用数字摄像机（大恒公司型）采集图像，其像素尺寸为，传感器类型为，可以对图像

31、尺寸、亮度、增益、帧率、曝光时间进行可编程控制。使用两台摄像机对投射在待测物体表面的结构光条同时进行拍摄根据两幅图像之间的关系，运用三角测量原理恢复出空丑物体点的三维信息。工业镜头（公司一肿），焦距，为，镜头直径与焦距之比的最大值为：，具有以下特性：低变形率（低于）焦点和光圈锁紧螺钉。在整个屏幕范围内都具有高对比度及清晰图像摄像机的标定采用自制的黑白棋盘格标定板作靶标棋盘格大小为，棋盘格总数为。半导体激光嚣半导体激光器与其它激光器相比，具有许多突出的优点“：半导体激光嚣体积小，重量轻；供电功率小和转换效率高：能通过注入电流进行直接调制：可靠性高工作寿命长发射波长从可见到红外，覆盖范围宽：价格日

32、益降低。由于半导体激光器具有上述优点，它已经广泛应用于光纤通信、光存储、光扫描、第苹测鼙原理及测鼙系统集成光学等领域。并且在国防、测量、自动控制、医疗、材料加工以及作为固体激光泵浦光源等方面发挥着越来越重要的应用。鉴于半导体激光器的优点及应用领域，在线结构光测量系统中用到的线结构光，由半导体激光器与扩束镜产生的。将半导体激光器的发光面元放在扩束镜的焦点上，使其在一个方向（光斑短轴方向）进行准直，而在另一个方向（长轴方向）让它发散，即在空间形成光平面。光平面投射在物体表面，被物体表面的形变调制成包含物体高度信息的光条线。测量系统所采集的图像上，有用信息是结构光光条和参考标记点。电控位移台电控位移

33、台由系列电控位移台和系列位移台控制箱组成。系列电控位移台通过步进电机驱动，实现位移调整自动化。该系列平移台的关键零部件：滚珠螺杆、线性滑块导轨。标准接口，电机后配有手轮可进行手动调节。系列位移台控制箱是新一代轴点对点位置定位控制系统，操作简单，可以控制步进电机执行正向、反向、回原点等动作。同时，可以设置绝对位置、参考位置显示模式；速度、长度和加速度可任意设定；分别设有控制键和数字键薄膜丌关，操作与参数设置非常方便快捷。软件部分本文设计的系统软件部分主要是用于采集图象的软件和图像处理的软件。前者是大恒公司摄像机的驱动程序及其自带的采集程序（），可以选择采集图象的分辨率、采集方式等，采集的图像可以

34、存储到机指定的文件央里。后者主要是利用编写的摄像机标定程序和图像预处理、光条中心线提取以及特征点匹配等一系列文件。而特征点三维信息的求取是在已完成摄像机标定的基础上进行的。其中，摄像机标定和特征点三维信息求取的主要流程如图、图所示初始化采集靶标图像对士提取靶标上棋盘格的角点摄像机标定标定结束获取日标物体图像对图像倾处理线结构光光条细化特征点匹配上求取特征点窄问坐标图双摄像机标定流程图物体特征点空间信息提取第章测苗原理及测量系统本章小结本章首先介绍了双摄像机线结构光测量系统的功能；其次就系统的总体方案设计及测量原理作详细阐述，主要有系统整体测量方案及实现过程；最后介绍量系统的组成，包括硬件部分和

35、软件部分。第章测量系统标定第章测量系统标定计算机视觉的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发计算三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三维空间位置与其在图像中对应点之问的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程称为摄像机定标（或标定）一。标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数，摄像机相对于世界坐标系的方位。精确标定摄像机内外参数不仅可以直接提高测量精度，而且可以为后续的特征点匹配与三维重建奠定良好的基础。总体来说，现有的摄像机标定技术可以归纳为两类：传统的摄像机标定方法和

36、摄相机自标定方法。传统的摄像机标定是在一定的摄像机模型下，基于特定的实验条件，如形状、尺寸已知的标定参照物，经过对靶标进行图像处理，利用一系列数学变换和计算方法，求得摄像机的内部参数和外部参数，这个定标的精度很高，可以分为基于单帧图像的基本方法和基于单帧已知对应关系的立体视觉方法。在某些视觉系统中，例如机器人视觉系统，主动视觉系统等，都需要经常改变摄像机的位置或者调整摄像机光学系统（如光圈和焦距），在每次调整后，都需要做摄像机标定。另外，在有些情况下，在摄像机工作环境中放置一个己知的标定参照物常常是不现实的，例如对在危险场合工作的机器人，人不能进入作业现场，这时就需要一种不依赖于标定参照物的摄

37、像机标定方法，称为摄像机自标定方法别，这是目前摄像机标定研究中的一个重点，但是稳定性不太好。本文涉及到的标定属于传统摄像机标定，下面将作详细介绍。摄像机模型摄像机模型是光学成像几何关系的简化，从所用模型不同来分有线性和非线性。所谓摄像机的线性模型，是指经典的小孔模型，成像过程不服从小孔模型的称为摄像机的非线性模型。线性模型摄像机标定，用线性方程求解，简单快速，已成为计算机视觉领域的研究热点之一，目前已有大量研究成果，但线性模型不考虑镜头畸变，准确性欠佳；对于非线性模型摄像机标定引，考虑了畸变参数，引入了非线性优化，利用校下后的模型进行重建可以得到较高的精度，但方法较繁、速度慢，对初值选择比较敏

38、感。第章测鼙系统标定针孔模型针孔透视模型是最简单最常用的摄像机模型，这是一种理想状态模型，它简单实用而不失准确性。图针孔缀像机模型如图所示，视点为，空间点（。，。）在摄像机坐标系下的坐标为（。，），它在摄像机成像平面上的投影点为，），相机焦距为，它们的透视投影几何关系为：州毒川考，用齐次坐标可表示为：；】曙，。（）刚，其中，、分别为图像平面中和方向单位距离上的像素数（恤），即比例系数。，）为计算机帧存图像中心的坐标。摄像机坐标系与世界坐标系的转换第章测量系统标定关系为。【锢。匕。（）式中，和丁分别为从世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，尺是一个的正交矩阵，丁是的向量。由上可得，点的空

39、间坐标与其投影点坐标，）的关系为：。【鼍【喜丢翟。三；：】匕。（）其中，。一厂已，厂，；为投影矩阵，。、分别由摄像机的内部参数、外部参数决定的。因此，在摄像机的内外参数已知的情况下，对于空间点，如果已知空间坐标就可求得其图像坐标点的位置，）；但是反过来就不一样了，空问某点的图像位置为，），其空间坐标却不是唯一确定的，而是对应空间的一条直线；那么必须通过其它辅助条件才可求得图像点的空间位置。非线性摄像机模型在实际应用中，由于摄像机镜头在制造中的缺陷以及在装配过程中的定位误差等原因，使得线性摄像机模型不能准确地描述成像几何关系，尤其在使用广角镜头时，在远离成像中心处会有较大的畸变一吼，因此必须在其

40、中引入非线性畸变参数。经光学系统成像，由物空间到像空间引入了光学畸变，主要包括径向畸变（只与物镜光学结构有关）、偏心畸变（只与光学零件的加工和装配工艺有关）和薄棱镜畸变。一般情况下，在图像边缘处存在较大的畸变误差，而径向畸变关于摄像机镜头的主光轴对称，是对边缘处存在较大畸变的种模型化。在工业视觉测量中，一般只考虑径向畸变，因引入过多的非线性参数往往不仅不能得到精确解，反而会因起解的不稳定性。下面就介绍基于径向畸变的针孔模型。设在三维世界坐标系。，中点的坐标为（，匕，。），（，）是同一点臃摄像机坐标系（定义如图所示）中的坐标，摄像机坐标系定义为中心在第章测鼙系统标定点（光学中心），轴与光轴重合。

41、图像坐标系，是：中心在点（光轴与图像平面的交点），其、轴分别平行于摄像机坐标系的、轴。有效焦距厂是图像平面和光心的距离。（。，虼）是在理想的摄像机针孔模型下点的图像坐标，（。，匕）是由透镜畸变引起的偏离点（。，匕）的实际图像坐标。（“，）是图像坐标系中点的图像坐标，单位是像素数（）。图所示的是基于径向畸变的针孔模型，它能够更准确地反映成像关系。图像坐标系的完整变换分为四步：即从（。，匕，。）到（“，）。从三维世界坐标系中的坐标（。，匕，。）到摄像机坐标系中的坐标（，）。肾肾，从摄像机坐标系中的坐标（，）到理想图像坐标系中的坐标（置，）。扛以“一；（）（）摄像机镜头畸变模型由于存在各种误差，理想

42、像点坐标值（鼍，艺）应等于实际图像坐标值（蜀，匕）与畸变误差值之和。实验证明，图像中心点处的畸变很小，而在图像边缘处的畸变较大。因此，选择研作为畸变因子，建立如下的畸变模型：第苹测苗系统标定以“埒（）（蠕）；匕“其中，。，兄为径向半径的平方，为径向畸变系数。（）实际图像坐标到计算机图像坐标的变换，即从（髟，匕）到（“，）：“一耄一（），式中，（，）为计算机帧存图像中心的坐标，外分别为图像平面中和方向单位距离上的像素数（），即比例系数。可见，需要标定的参数为：外部参数尺和丁共有个独立变量；内部参数有有效焦距厂，径向畸变系数，和方向的比例系数、，（，）为计算机帧存图像系统摄像机标定常用的标定方法有传统的摄像机标