專利名稱：單目視覺系統(tǒng)及其使用的便攜式球靶標(biāo)及其測量方法
單目視覺系統(tǒng)及其使用的便攜式球靶標(biāo)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可用于單目視覺測量系統(tǒng)快速標(biāo)定、測量和數(shù)據(jù)拼接的便攜式球靶標(biāo)。
背景技術(shù)：
隨著工件外形檢測需求的增多，視覺測量技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。較之需要多臺(tái)攝像機(jī)的立體視覺系統(tǒng)，單攝像機(jī)無需攝像機(jī)同步設(shè)備和保持?jǐn)z像機(jī)相對位置的機(jī)械裝置，因此使用方便、價(jià)格低廉、便于實(shí)現(xiàn)。然而單純利用單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)無法恢復(fù)三維物體的深度信息，往往需要借助線激光等額外條件構(gòu)成三角約束、約束測量物體在特定的位置成像或者使用標(biāo)記點(diǎn)或標(biāo)定面約束待測量面等方法來確定三維深度信息，測量過程十分復(fù)雜，應(yīng)用受限。同時(shí)標(biāo)定相機(jī)內(nèi)、外部參數(shù)的過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于工件快速測量。另外，單目視覺系統(tǒng)測量范圍有限，在測量大型工件時(shí)往往只能測量局部信息，采用拼接靶標(biāo)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)拼接成為擴(kuò)大測量范圍的有效途徑。目前常用的拼接靶標(biāo)主要是平面靶標(biāo)，存在相機(jī)移動(dòng)視角過大時(shí)畸變過大甚至觀測不到的不足。

發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有單目測量系統(tǒng)的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種更加靈活簡便、且視角不受靶標(biāo)單面約束的單目視覺系統(tǒng)及其使用的便攜式球靶標(biāo)及其測量方法，實(shí)現(xiàn)單目測量系統(tǒng)快速標(biāo)定、測量和數(shù)據(jù)拼接。由于球具有外輪廓連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)360度空間視場無視角限制、便捷標(biāo)定，消除了平面靶標(biāo)在攝像機(jī)移動(dòng)視角太大時(shí)畸變過大甚至觀測不到的不足。本發(fā)明采用球體作為拼接靶標(biāo)和標(biāo)定靶標(biāo)，將標(biāo)定過程和拼接過程使用球靶標(biāo)同步完成。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種用于單目視覺系統(tǒng)快速標(biāo)定和測量的便攜式球靶標(biāo)，主要由球體、連接塊和一系列不同形狀和長度的探針組成；所述連接塊用于支撐每個(gè)球體以及連接探針，所述探針由連接長桿和測頭組成，設(shè)計(jì)不同的連接桿以適應(yīng)不同的測量場合；所述球體部分由三個(gè)以上非共面圓球組成，所述球體通過螺桿與連接塊連接。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述連接塊為球體形狀。一種基于所述的便攜式球靶標(biāo)的單目視覺系統(tǒng)，所述單目視覺系統(tǒng)包括便攜式球靶標(biāo)及攝像機(jī)，所述攝像機(jī)能看見完整的球靶標(biāo)球體部分。一種基于所述的單目視覺系統(tǒng)的測量方法，(I)由單目視覺系統(tǒng)拍攝一幅球靶標(biāo)圖像，根據(jù)攝像機(jī)透視成像模型和球體投影模型基于絕對二次曲線成像幾何標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K，所述攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K包括攝像機(jī)光心(U(l，v0)，焦距f以及傾斜因子s ; (2)利用標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和球透視成像幾何模型確定各個(gè)球心在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；(3)求取球靶標(biāo)中每個(gè)圓球球心到測頭的距離；(4)根據(jù)球靶標(biāo)圓球和測頭的位置關(guān)系確定測頭的位置，即待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，上述步驟(I)的具體方法包括以下步驟:(5.1)采用圖像處理方法和邊緣檢測算子提取每個(gè)圓球在攝像機(jī)內(nèi)所成的橢圓輪廓，然后采用最小二乘法擬合對應(yīng)橢圓輪廓的曲線方程Ci,其中，i為圓球的個(gè)數(shù)；(5.2)根據(jù)球體透視投影成像模型，攝像機(jī)坐標(biāo)系OcIcTc^與第i個(gè)圓球的球坐標(biāo)系OsiXsiYsiZsi之間的單應(yīng)性矩陣為=Hi=KRiCliag{I, 1，Aj，其中，Ki=Ijri, Zi0為第i個(gè)圓球的球心到攝像機(jī)光心之間的距離為第i個(gè)圓球的半徑，圓球在攝像機(jī)內(nèi)成像橢圓的二次曲線方程Ci在對偶空間中表示形式為:
權(quán)利要求
1.一種用于單目視覺系統(tǒng)快速標(biāo)定和測量的便攜式球靶標(biāo)，其特征在于:主要由球體、連接塊(5 )和探針組成；所述連接塊(5 )用于支撐每個(gè)球體以及連接探針，所述探針由接長桿(2)和測頭(I)組成，所述球體由三個(gè)以上非共面圓球組成，所述球體通過螺桿(4)與連接塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式球靶標(biāo)，其特征在于:所述連接塊(5)為球體形狀。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的便攜式球靶標(biāo)的單目視覺系統(tǒng)，其特征在于:所述單目視覺系統(tǒng)包括便攜式球靶標(biāo)及攝像機(jī)，所述攝像機(jī)能看見完整的球靶標(biāo)球體部分。
4.一種基于權(quán)利要求3所述的單目視覺系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:(1)由單目視覺系統(tǒng)拍攝一幅球靶標(biāo)圖像，根據(jù)攝像機(jī)透視成像模型和球體投影模型基于絕對二次曲線成像幾何標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K,所述攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K包括攝像機(jī)光心(Uci, Vci),焦距f以及傾斜因子s ; (2)利用標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和球透視成像幾何模型確定各個(gè)球心在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；(3)求取球靶標(biāo)中每個(gè)圓球球心到測頭的距離；(4)根據(jù)球靶標(biāo)圓球和測頭的位置關(guān)系確定測頭的位置，即待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
5.如權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于:步驟(I)的具體方法包括以下步驟: (5.1)采用圖像處理方法和邊緣檢測算子提取每個(gè)圓球在攝像機(jī)內(nèi)所成的橢圓輪廓，然后采用最小二乘法擬合對應(yīng)橢圓輪廓的曲線方程Ci,其中，i為圓球的個(gè)數(shù)； (5.2)根據(jù)球體透視投影成像模型，攝像機(jī)坐標(biāo)系OJAZ。與第i個(gè)圓球的球坐標(biāo)系OsiXsiYsiZsi之間的單應(yīng)性矩陣為=Hi=KRiCliag{I, 1，Aj，其中，Ki=Ijri, Zi0為第i個(gè)圓球的球心到攝像機(jī)光心之間的距離，r,為第i個(gè)圓球的半徑，Ri為旋轉(zhuǎn)矩陣，圓球在攝像機(jī)內(nèi)成像橢圓的二次曲線方程Ci在對偶空間中表示形式為: C 二 HiCnH: = KR沖ag(\X-A^)R; Kr = KK1 -op],公式(5.1) 其中，Oi=J(A1IV)K1.',是第i個(gè)圓球的球心成像坐標(biāo)，r3i為相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri的第3列，Ri為旋轉(zhuǎn)矩陣，K為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)形成的矩陣。
6.如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于:所述步驟(5.2)中，求解攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K時(shí)，引入絕對二次曲線，該絕對二次曲線在單應(yīng)性矩陣下的圖像為W=(KKt)-1,在對偶空間中表示為=^=KKt ;球靶標(biāo)中的每兩個(gè)圓球的成像橢圓曲線方程之間的單應(yīng)性矩陣為Hab = CbCa，A, B=I, 2，3且A古B，其中，C為圓球A的成像橢圓曲線方程Ca在對偶空間中的表示形式，Cb為圓球B的成像橢圓無線方程；根據(jù)視圖幾何理論，每一對成像橢圓的單應(yīng)性矩陣均包括一個(gè)穿過相應(yīng)的橢圓對的特征向量，稱為單應(yīng)性矩陣的極線，表示為Iab，其中，A, B=I, 2，3且A古B，每個(gè)特征向量對應(yīng)的特征值稱為極點(diǎn)，表示為Vab, A, B=I, 2，3且A^B.1ab、vAB以及w滿足以下公式(6.1):[1AB] Xwvab=O (6.1) 根據(jù)奇異值分解得到w，進(jìn)而根據(jù)公式Z=KKt 正交分解即得攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)K。
7.如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于:步驟(2)的具體方法為:對步驟(5.2)中的公式(5.1)進(jìn)行變形得到: PiK ]C；K r =RiJia^],其中，P t為第i個(gè)圓球的成像比例因子； 將等式左邊的表達(dá)式通過奇異值分解得到與等式右邊一致的形式，從而，得到旋轉(zhuǎn)矩陣民和Ai,得到各個(gè)球心的三維坐標(biāo)。
8.如權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于:所述待測點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y，z)根據(jù)以下計(jì)算: (X1-X)2+ (y^-y)2+ (Z1-Z)2= ((Ii)2,公式(8.1) 其中，i為圓球的個(gè)數(shù)，(xi； Y1, Z1)為第i個(gè)圓球球心坐標(biāo)，(Ii為圓球與測頭之間的距離，i個(gè)圓球即得i個(gè)公式(8.1)，聯(lián)合即得待測點(diǎn)的位置坐標(biāo)(x，y, z)。
9.如權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于:測量之前，首先對球靶標(biāo)進(jìn)行自標(biāo)定，得到圓球與測頭之間的距離，自標(biāo)定的方法為:令測頭固定在一點(diǎn)不動(dòng)，球靶標(biāo)繞測頭旋轉(zhuǎn)多個(gè)角度拍攝m幅圖像，利用同心圓半徑不變的約束聯(lián)合所有球心建立誤差最小化函數(shù)，通過最小化總距離誤差得到待測點(diǎn)空間位置，最后即得得到每個(gè)圓球的球心與待測點(diǎn)之間的距離。
10.一種基于權(quán)利要求3所述的單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)定和數(shù)據(jù)拼接的方法，其特征在于:(10.1)首先將球靶標(biāo)放置在合適的位置，保證攝像機(jī)能夠看到球靶標(biāo)球體部分；(10.2)建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw，按照順序選取球靶標(biāo)的三個(gè)圓球，其中，世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)Ow為第一個(gè)圓球的球心，世界坐標(biāo)系的Xw軸為第二個(gè)圓球的球心到第一個(gè)圓球的球心的向量,世界坐標(biāo)系的Zw軸為:OwZw =OfilXOpl，世界坐標(biāo)系的Yw軸為 =(10.3)由步驟(10.2)即得攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系[Rw-1； TW_J，當(dāng)攝像機(jī)移動(dòng)到其他非第一位置時(shí)，攝像機(jī)在該位置的坐標(biāo)系與世界系之間的關(guān)系為[Rw+ Vi]，設(shè)定攝像機(jī)在第一位置時(shí)的坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，將其他所有位置時(shí)測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到參考坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單目視覺系統(tǒng)及其使用的便攜式球靶標(biāo)及其測量方法，球靶標(biāo)由球體、連接塊和一系列不同形狀和長度的探針組成，探針由接長桿和測頭組成，連接塊用于支撐每個(gè)球體以及連接探針，球形連接塊表面打有均勻的14個(gè)螺紋孔，與接長桿和球之間采用螺桿連接。設(shè)計(jì)不同的連接桿以適應(yīng)不同的測量場合。球體部分由三個(gè)以上非共面圓球組成，單個(gè)相機(jī)拍攝一幅圖像即可快速標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、確定球心位置，從而得到待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，為單目測量系統(tǒng)下的深度信息獲取提供了一種可行途徑。相機(jī)移動(dòng)后，根據(jù)球靶標(biāo)的球體部分單幅圖像即可快速標(biāo)定相機(jī)移動(dòng)外參，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)拼接，有效擴(kuò)大測量范圍和測量速度。
文檔編號G01B11/22GK103162622SQ20131006402
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者趙宏, 谷飛飛, 馬躍洋, 卜鵬輝 申請人:西安交通大學(xué)