激光测量技术第五章激光视觉三维测量技术课件

1、2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术1第五章 激光视觉三维测量技术党学明 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术2引言眼睛是信息的重要途径: 获取信息90%以上 获取信息主要有: 颜色 大小 远近 明暗程度 几何光学中的测量 几何光学的透镜成像系统2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术3引言随计算机技术与ccd技术的发展出现:计算机视觉(computer vision)又称机器视觉(machine vision)应用: 航空航大、生物医疗、物体识别、工业自动检测视觉检测(visio

2、n inspection)技术: 在计算机视觉理论基础上发展起来的, 利用光学成像特性,应用测量领域.特点: 非接触、速度快、精度适中、可实现在线,全场应用: 工业产品的在线检测。2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术4引言视觉检测技术分类视觉检测技术分类: 按照明方式和几何结构关系的不同可以划分: 主动视觉检测(active vision)结构光, 结构光在物体上的准确定位获取信息被动视觉检测(passive vision)非结构光, 不同像面上的相关匹配关系激光视觉检测技术激光视觉检测技术: 利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测2006年3月6日星期一激光测量

3、技术第五章 激光视觉三维测量技术5第一节 激光三角法测量原理激光三角法是激光视觉检测技术的基础其原理: 数学基础数学基础: : 空间某一平面上的两条直线的方程已知, 非平行时, 交点可以求出.2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术6第一节 激光三角法测量原理激光三角法的结构: 1. 直射式 2. 斜射式1. 直射式 sincossincos sincossincosxbxbaaaoaaaaoaxbxbxaxxaxaxaxx xbxbx 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术72. 斜射式根据几何光学成像特点: 1 12 21 12 21 12

4、 21 12 21 11 11 12 21 12 2 s si in n( () ) c co os s( () ) s si in n( () ) c co os s( () ) c co os s c co os ss si in n( () ) c co os s( () )x xb ba a a aa ao oa ax xb bo oa aa ao oa aa ax xo oa ab bx xa ax xx xo oa ab bx x 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术8直射式与斜射式比较项目直射式斜射式 测量公式接收的光散射光反射光或者散射光, 信号好测

5、量位置同一点不同点(可能有误差)分辨率低较高精度/测量范围/体积低 大 小高 小 大1 11 12 21 12 2 c co os ss si in n( () ) c co os s( () )a ax xx xb bx x sincossincosaxaxx xbxbx 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术9第一节 激光三角法测量原理根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位激光三角位移传感器移传感器.其结构组成: 一般采用半导体激光器(ld)作光源，功率在5mw左右光电位置探测器对采用psd或ccd, psd为非分割型位置探测器，分辨力高，动态响应快，后续处

6、理电路简单，但线性差，需要精确标定2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术10传感器的形状及主要特性2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术11激光三角位移传感器应用应用于: 厚度, 变形, 形貌, 位移等, 缺点: 点扫描,速度慢2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术12第二节 激光视觉测量的基本原理激光视觉检测技术激光视觉检测技术: 利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测激光视觉传感器激光视觉传感器: 由结构光和ccd摄像机组成的测量装置.结构光的类型: 结构光 点线多线传感器 点结构光传感器线结构光传感器多线结构

7、光传感器产生2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术13第二节 激光视觉测量的基本原理激光视觉传感器的主要结构激光视觉传感器的主要结构: 点结构光传感器 线结构光传感器 多线结构光传感器2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术14工作原理成像特点： 像的大小，由透镜的焦距， 物体的远近决定 像的方向，与物体的方向相反。1. 若已知像的大小， 和透镜到成像面的距离， 则物体的最高点的位置为某一条直线上（过光学中心）若采用主动视觉技术， 照射光源的方向（线， 面，多面的方程）已知）， 可连立方程，求出实际的物体的位置大小视觉传感器的核心： 其数学模型

8、 即 ： ccd像面坐标与测量参考坐标之间的关系 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术15数学模型的建立分类：分类：1)完全利用投影变换理论，通过无任何物理意义的中间参数，将图像坐标系与测量参考坐标系联系起来。 2)通过具有明确物理意义的几何结构参数，如光学中心、焦距、位置以及方向等，建立图像坐标系与测量参考坐标系的关系：这类方法的模型参数一般分为摄像机内部参数和传感器结构参数两部分，摄像机内部参数指摄像机内部的几何和光学特性，传感器结构参数指图像坐标系相对于测量参考坐标系的位置参数2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术16一、摄像机理想透

9、视变换模型三维测量: 三维空间坐标二维图像坐标 p=g(h) p 为空间坐标 h为图像坐标 g为变换矩阵变换过程:物空间坐标 摄像机坐标摄像机坐标ccd像面坐标ccd像面坐标计算机图像坐标(像素点位置)2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术17物空间坐标 摄像机坐标1 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 3c cw wc cw wc cw wx xy yz zc cw wc cw wc cw wx

10、 xx xy yr ry yt tz zz zr rr rr rt tr rr rr rr rt tr rr rr rt tx xr rr rr rx xy yr rr rr ry yz zr rr rr rz z 1 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 1x xy yz zw wc cx xw wc cy yw wc cz zt tt tt tx xx xr rr rr rt ty yy yr rr rr rt tz zz zr rr rr rt t 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术18摄

11、像机坐标ccd像面坐标ccccuuuuccccxyxyxfyfxfyfzzzz0 00 000000 00 0c cucucucucc cucucf fz zxxxxf fyyyyz zzzzz f fx xz zy yo ox xu uzuzuyuyus s0 00 000000 00 0ucucucucucucxxxxf fyfyyfyzzzz 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术19ccd像面坐标计算机图像坐标(像素点位置)图像坐标与ccd坐标关系 像素点距：dx, dy采集时, x向为高速采集,y向慢速采集, x方向一般采用间隔采集ccd上坐标可表示为:0

12、00 0( () )( () )u ux xx xu uy yx xs s d du uu uy yd dv vv v 0 00 01 10 01 10 01 11 10000 xxxxu uu uy yu us ds dx xu uvvyvvyd d 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术20摄像机理想透视变换模型0 为比例因子,与相通,与物坐标zc有关0 01 11 11 12 21 13 30 02 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 10 00 0 0 01 10 00 00 01 10 0 0 00 00 0w wx xx

13、 xx xw wy yy yz zu ux xs s d dr rr rr rt tu uf fy yv vv vf fr rr rr rt td dr rr rr rt t 1 1w wz z 0 00 0111213111213313233313233212223212223313233313233()()()()uxxuxxuyuywwwxwwwxu uwwwzwwwzwwwxwwwxu uwwwzwwwzxs duuxs duuydvvydvvr xr yr ztr xr yr ztxfxfr xr yr ztr xr yr ztr xr yr ztr xr yr ztyfyfr xr

14、 yr ztr xr yr zt 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术21二、实际摄像机模型1、镜头的存在的畸变摄像机镜头是非理想光学系统，存在加工误差和装配误差，物点在摄像机像面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变误差主要的畸变类型有三种：径向畸变、偏心畸变薄棱镜畸变径向畸变：仅使像点产生径向位置偏差偏心畸变和薄棱镜畸变：使像点既产生径向位置偏差，又产生切向位置偏差2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术22径向畸变（radial distortion）径向畸变主要是由镜头形状缺陷造成的，它是关于摄像机镜头主光轴对称的。分类: 正向畸变

15、又称枕形畸变 负向畸变又称捅形畸变2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术23(2)偏心畸变(decentering distortion)起因起因: :它主要是由于光学系统光学中心与几何中心不一致造成的，即镜头各器件的光学中心不能严格共线. 这类畸变既含有径向畸变又含有摄像机镜头的主光轴不对称的切向畸变.其数学模型为其数学模型为: :式中，a0为最大切向畸变与x轴正向夹角2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术24(2)偏心畸变(decentering distortion)将极坐标转化为笛卡尔坐标cossincossinsincossinco

16、sxdxdrdrdydydrdrd 1 11 10 02 21 10 0s si in nc co os si if fp pj jp pj j p1 p2 为切向畸变系数2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术25(3)薄棱镜畸变(thin prism distortion)起因：起因：它是由于镜头设计缺陷与加工安装误差所造成的，如镜头与摄像机像面有小的倾角等。这类畸变相当于在光学系统中附加一个薄棱镜，不仅引起径向位置偏差，而且引起切向位置偏差。其数学模型为其数学模型为1 11 11 12 21 11 1s si in nc co os si if fs si is

17、si i 式中，a1为最大切向畸变与x轴正向夹角22221 122222 2().().(518)(518)().().xpddxpddypddypddsxysxysxysxy 2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术262. 实际摄像机模型综合以上畸变： ( (5 51 19 9) )u ud dx xr rx xd dx xp pu ud dy yr ry yd dy yp px xx xy yy y 各种畸变一般只考虑前两项： 除广角和精度较高场合： 机加工、制造、安装设计精度高，薄透镜畸变可以忽略 非高精度，切向畸变可以忽略，只考虑径向畸变的前两项 参数太多，5

18、-19可能产生不稳定2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术272. 实际摄像机模型所以实际的摄像机数学模型：2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术28三、点结构光视觉传感器模型取光线传播方向为物坐标系的xw，则光线的任意一点的坐标为（ xw ，0，0）2006年3月6日星期一激光测量技术第五章 激光视觉三维测量技术29四、线结构光视觉传感器模型线面为xw，yw平面， zw垂直于xw，yw平面,则光线上的任意点的坐标为(xw,yw,0)0 00 02 21 11 11 12 21 13 31 13 32 22 22 21 12 22 21 13 31 13 32 2( () )( () )( (5 52 26 6) )( (1 1) )( (1 1) )u ux xx xu uy yw ww wx xu uw ww wz zw ww wx xu uw ww wz zx xs s