（航空宇航制造工程专业论文）基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究.pdf

1 a t h 船i s i n a e r o n a u t i c a l 肌da s 仃o n a u t i c a ls c i e i l c ea n dt e c l l l l o l o g y b y z h a n gy u a l l ) m 趾 a 嘶s e db y p r o f e s s o rz h a l l gl i y a l l s u b n l i t t e di np a r t i a lf u l f i l l n l e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rm e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e 嘶n g m a r c h ，2 0 l o 一 ， 气 承诺书 本人声明所呈交的硕士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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：鍪型型 日期： 丝三：堡 。_ _ _ 。1 一 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 便携式视觉坐标测量系统是近年来测量领域的研究热点之一，与传统的三坐标测量机相比， 具有重量轻、便携性好、组建灵活、测量过程简单、测量空间大等优点，非常适合于工业现场 测量以及大尺寸测量，可广泛应用于汽车、航空、航天、风电等制造行业。目前，国外在该领 域的发展十分迅速，已经有了商用产品，但价格昂贵且核心技术被垄断，因此，开展这一领域 的研究具有重要意义以及广阔的应用前景。 本文对以双目立体视觉为基础的无线柔性坐标测量技术进行了研究，利用两台c c d 相机、 一台电脑以及贴有标记点的测笔组成测量系统，通过手持测笔使其测球接触待测目标点，双 c c d 相机监控测笔上的标记点，进而通过一系列的图像处理和三维重建算法解算出测球的三维 坐标，从而实现目标点三维坐标的测量。在这一基本方法中，测笔上的测球在测笔坐标系中的 坐标这一结构参数随着测针的更换而改变，是影响精度的重要因素。因此，对测笔进行标定是 视觉坐标测量中的一个关键问题；另外，由于相机视场的有限性，对于大尺寸物体，相机不可 能在一个位置上将所有目标点测量完毕，因此，拼合测量在视觉坐标测量中必不可少。本文着 重针对测笔标定以及视觉坐标测量方法进行研究，主要内容包括： 1 提出了一种简单有效的测笔标定方法。该方法只需要将测笔的测球放入一个圆锥孔内， 然后转动测笔，并用双目立体系统对多个不同转动位置上的测笔进行拍摄，算法利用不 同转动位置处，测球球心不变的约束条件，自动确定出测笔上各标记点以及测球球心在 测笔坐标系中的坐标。 2 讨论了双目立体相机与被测对象相对位置不变的单站式测量的原理和方法，同时为了克 服相机视场的有限性，通过粘贴拼合标记点的方式，实现了相机在多个位置上的拼合测 量，借助于拼合标记点，亦可将本系统与三维曲面测量系统相配合，进行复杂曲线、曲 面综合测量。 3 对直线、平面、空间圆、球面、圆柱等基本几何元素的拟合问题进行了研究，并在研发 的系统中实现了拟合算法，从而使视觉坐标测量系统具备了基本形位特征测量的功能。 本文在自主知识产权的双目立体测量系统r e c r e a t o r 的基础上，开发了基于手持式测笔的视 觉坐标测量软件，同时通过配置一套遥控装置，实现了无线遥控测量功能，从而单人即可进行 测量，提高了测量的便捷性和测量效率。应用研发的原型系统进行了一系列测量实验，对测量 精度和测量效率进行了验证，效果良好。 关键词： 视觉坐标测量，双目立体视觉，测笔，测笔标定，拼合测量，几何元素拟合 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 a b s t r a c t s i o n b a l s e dp o r t a b l e3 dc o o r d j n a t ei n e 蕊u 血gs ) ，s t e mh a sb e e na 1 1e m e 唱i 1 1 9h o tt o i ) i ci i lt l l e m e 弱u 血gr e s e a r c ha r e ai i lr e c e n ty e a r s c o r n p a r e d 诵t l l 缸a d i t i 伽融3 dc o o r d 岫c em e 弱u r i i l g i m c l l i = n e s ( c m m ) ，访s i o n - b 觚e dc o o r d i n a t em e a s u 血gs y s t e mh 硒m 锄ya d v a i 】妇g e s ，s u c h 弱l i g h t w e i g h t ，9 0 0 dp o 衄b i l i 戗n e x i b l ec o 璐臼m c 6 0 玛s 呻l i c i t ) ro fm e 雒u r e m e l l t 锄dl a 玛em e 踟d n gs p a c e i ti sv c 巧s u i 诎1 1 ef o ro n s i t e l e a s l 鹏m e n ta n d1 a r j 萨s c a l em e a s l l r e 涨m ti n 硫h l s t 啦柚dc 觚b e 丽d e l y 璐e di na u t o m o t i v e ，撕a t i o i l ，r o s p a c e 觚do d l e rl a r g ee q u i p m e n t 舢m f a c 蛐gi l l d l l s 臼啪s 伽 c 伽衄舱r c i a l lp r o d u c t so f 、由i o n - b 弱e dc m m l l a _ v ee m e 玛e da b r o a d h o w e v 廿l ec o 他t e c h i l i q u e s 姗 删m 叩0 1 i z c d 慨f o 陀，i t so fg r e a ts i 舯i f i c a i l c et 0d 0 鹏s e a r c hi n 1 i sf i e l da n di tw m 1 l a v eb r o a d a p p l i c a d o np r o s p e c t s a c o n c i s ep o r t a b l ec o o r d i i i a 把i n e 瓠u 面唱s y s t e mb 弱e do nb i i l o c u l 盯s t e r e o 、租i o ni sp r c s e n t e di i l t h i st h e s i s t h es y s t e mi sm a j n l yc o r n p o s e do f 锕oc c dc a n 埘御( i e m eb 证c u l a rs t e 他oc 锄e m ) ，a c 0 吣锄dah 锄d - h e l d 舭删曲gp e n 谢mc 疵u 1 盯f e a n 鹏s 砌c h 眦e 笛yt 0r e c o g i l i z e t h e c c dc 孤n e r 弱s u p e i s et h ec i r c u l a rf e a t u r e sw l m e 也em e 邵u r i i l gb a l lo f 也em e 弱u 面唱p e nt o u c h e s m et a 略e tp o i n tt ob em e 雒u r e d 豇l e3 dc 0 0 r d i i l a t e s f h em e 笛l l r i n gb a n ，a n d 幡e q u e 玎【t l yt 1 1 a to f m et 缸g e tp o 缸，a r ec a l c u l a t e db ya 衄l y z i n g 也e 锕oi n m g e so ft 1 1 em 船锄咖gp t h es 臼眦：t u m l p 觚如舱t 盯o ft h em e 罄u 血gp i e n ，觚dc 0 i 塔e q u e ：i l t l ym ec 0 0 r 出m 胞o fn l em e 弱u r i i l gb a l l i nt h e m e 笛u r 吨p e nc o o r d i i l a t es y s t a 咀 i s 觚i i i l p o n 觚tf a c t o f 吐l a t 世e c t sm e c m c y o f 吐l i ss ) ，s t e m t h i s p a r a m e t e r 、砘ub ec h a n g e dw h e nt h ep r o b e i sr e p l a c e d t h e r e f o 他，m ec a l i b r a l i o no fm em e a 嘶n gp 饥 i sak e yi s s u ei l lm ev i s i o n b 够e d3 dc o o r d i l l a t e 鹏觞u 渤gs y s t e m d u et 0m eh i i l i t a t i o no fc 删 f i e l do fv i e w ，f o rl a r g es i z eo b j e c t s ，a l lt l l et a 玛e tp o i l l t sc 姐tb em e 嬲u r e d 谢i l i l e 也eb i l l o c u l 盯s t e r e o c 锄e mi s p u t0 1 1 1 y i no n ep o s i t i o i l ，t h e r e f o r e ，m e 弱u i 瓠n e n t 他百s 觚i o ni se s s e n t i a l f o rt 量l e v i s i o n b 硒e dc o o r 血1 a t em e 雒疵l gs y s 钯吐n l i st h e s i sm a i 【l l yf o c 邯e so nm ec a l i b 枷o no ft l l e m e 勰耐n gp e na n dt l l em e f h o do f 、r i s i o n b 弱e dc o o r d i n a _ t em e 弱u r e m e n t t h em 出c o n t r i b u t i o n so f t i l i st l l e s i sa r es u n l m a z e da sf b l l o w s ： f h s t l y ，as i l n p l ea 1 1 de f f e c t i v em e t l l o df o rt h em e 嬲u r i i 唱p e nc a l i b 删0 ni sp r o p o s e d t h e c a l i b r a t i o nc 锄b ea c h i e v e dw i mac o i l i c a lb o r e p u t 也em e 嬲u 血坞b a l lo ft 1 1 em e 弱啦! gp i i l t om e c o l l i c a lb o r ea n dr o t a t et h em e a s 响gp e n ，t a k es t e 咒oi i l l a g e so fm em e 舔l l r i i l gp e ni nam m l b e ro f d i 伍：r e n tl o c a t i o i l s ，吐l e nt 1 1 ec o o r d i i l a t e so f 也ec i r u l a rf e a t u r e s 觚d 也em e 硒u 血gb a u sc e n t e ri i l l e m e a s 嘶n gp e nc o o r d i 越t es y s t 锄c a i lb eo b t a i n e da c c o r d i n gt om e o b s e n ，a t i o nm a t 血ec e n t e rl o c a t i o n ， ， 南京航空航天大学硕士学位论文 o fn l em e a s u r i n gb a nk e 印su n c h a n g e di n 吐l ep r o c e s s s e c o n d l y ，t l l ep r i n c i p l ea 1 1 dm e t h o do fs i n g l e p o s i t i o nr 眦a s u r e m e mi sd i s c u s s e d ，i nw h i c ht t l e r e l a t i v ep o s i t i o no f 缸1 eb i n o c u l a rs t e r c oc 锄e r aa l l dt h eo 巧e c tr e m a i n su n c h 龃g e d t bo v e r c o m en l e l i i l l i t a t i o no fn l ec a i n e r a s 矗e l do fv i e w ，吐1 eb i n o c u l 盯s t e r e oc a m e r ai sa u o w e dt ob ep u ti i ld i 丘l e r e n t p o s i 廿0 1 1 s ，觚d 也em e 弱u r e m e n tr c g i s t i a t i o ni sa c m e v e db ys t i c k i i 培s o m ema r ! k e r s ，c a l l e d9 1 0 b a l p o 缸s ，也em e 觞u r e do b j e c t w i mt l l e 百0 b a lp o 衄s ，t l l es y s t e mc a nb eu s e dt o g e m c r 丽t l lt 1 1 e3 d s u r f k em e 嬲u r i n gs y s t e mt ot a k eac o 唧r c h s i 、，cm e 勰m 切n e n t0 fc w sa n d 鲫矗a c e s 1 1 l 硼y ，血e 1 e 1 0 d sf o rf i 锄g b a s i cg e o m 咖ce l e n 圮鹏，i i l c l u d i l l gl m s ，p l a i l e s ，3 dc l e s ， s p h e r e s 锄dc y l i l l d e l l s ，h a v eb e e nr e s e a r c h e d 孤di r i | p l e m e i l t e di i ln l ed e v e l 叩e ds ) ，s 钯【i l ，s o ，血i s s y s t e mh 笛m e c d o n so fm e 硒u r i n g 也ef 0 n n 粗ds i t et 0 1 啪n c e b 觞e do nt i l ec o p y r i g h tr e s e r 、他db i i l o c l l l 缸s t e r e os y s t e mr e c r e a t o r t h es o 脚a 他o f 、，i s i o n _ b 勰e d c o o r d i n a t em e 勰u r i i l gs ) ，s t e mi sd e v e l 叩e d h la d d i t i o 玛t h ew i r e l e s sm e 弱u r i n gc o m r o li sa c l l i e v e ! d b y 幽g 惦eo fa 撒n o t ec o n 加1 1 s o ，o n es i l l 百e0 p e m t o rc 孤d 0 血em e 蚓l r e m e n ta n dt h e m e 嬲u 陀m e n te 伍c i e n c yi si i 玎畔o v e d as 砸e so fe x p d m e 船l l a v eb e 髓d o m 谢t ht h ed c v e l 叩e d s y s t e i n 也er e s l l l t so f w l l i c hs h m ，也a tm em e a s l l r e m ta c c u r ya n de 任k i e i l c ya r eg o o d k e y w o r d s ：、r i s i o n b 嬲e d3 dc o o r d i l l a t em e 弱u 1 1 e r m n t ，b i n o c u l a rs t e 心o 、，i s i o n ，i m 弱u r i n gp e n i n e 蕊u 而n gp e nc a l i b a r a 石o n ，m e 嬲u r e m e n t 咒g i s 的n o n ，g e o m e t r i ce l e m 朋晦m t i l 坞 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 目录 第一章绪论一l 1 1 引言1 1 2 便携式坐标测量技术综述2 1 2 1 关节臂测量机2 1 2 2 基于激光跟踪的坐标测量系统。3 1 2 3 视觉坐标测量系统4 1 3 课题研究目的和内容6 1 3 1 课题研究目的6 1 3 2 课题研究内容7 1 3 3 论文组织。：7 第二章双目立体视觉模型及标定8 2 1 引言8 2 2 摄像机成像模型9 2 2 1 图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系9 2 2 2 针孔成像模型l o 2 2 3 摄像机非线性模型1 l 2 3 双目立体视觉模型1 2 2 4 双目立体视觉系统参数标定1 3 2 4 1 摄像机标定分类1 3 2 4 2 基于平面靶标的两步标定法1 4 2 4 3 三步标定法1 6 2 5 本章小结一1 8 第三章视觉坐标测量系统的测笔标定1 9 3 1 引言1 9 3 2 刚体运动参数估计1 9 3 2 1 奇异值分解法2 l 3 2 2 正交分解法一2 2 3 2 3 单位四元数法2 3 3 3 测笔标定2 6 r 5 2 直线拟合4 2 5 3 平面拟合4 4 5 4 空间圆拟合4 6 5 4 1 投影法拟合空间圆4 6 5 4 2 球面拟合法拟合空间圆4 7 5 4 3 空间圆拟合实验：4 8 5 5 球面拟合4 9 5 6 圆柱拟合5 1 5 7 本章小节5 3 第六章系统构建及测量实验5 4 6 1 系统软件概述5 4 6 2 无线遥控技术实现5 6 6 3 测笔测量实验：5 8 6 4 本章小节6 1 第七章总结与展望6 2 7 1 研究工作总结6 2 7 2 工作展望6 3 参考文献“ 致谢6 8 攻读硕士期间发表的论文6 9 v 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 图表清单 图1 1 关节臂测量机2 图1 2 激光跟踪仪原理4 图1 3t p r o b e 测量系统4 图1 4 光笔测量仪5 图1 5a c t i 五s 3 5 0 测量系统5 图1 6 本文测量方式6 图2 1 图像坐标系9 图2 2 摄像机坐标系与世界坐标系。1 0 图2 3 双目立体成像示意图。1 2 图3 1 单位圆上的点的旋转角表示法。2 4 图3 2 测笔示意图一2 6 图3 3 测笔在标定示意图2 6 图3 4 测笔转动示意图2 7 图4 1 坐标系变换示意图一3 5 图4 2 拼合测量示意图一3 6 图4 - 3 摄影测量全局定位方法测量示意图3 7 图4 4 测量时测笔的姿态一3 8 图5 1 直线拟合实例4 4 图5 2 平面拟合实例4 6 图5 3 空间圆拟合实例4 9 图5 4 球面拟合实例5 1 图5 5 圆柱拟合实例5 3 图6 1 测笔测量界面图5 5 图6 2 测笔标定界面图5 5 图6 3 空间圆测量对话框5 6 图6 4 电脑遥控器5 7 图6 5 标准球测量实例5 8 图6 6 标准球测量结果5 8 图6 7 多站测量实例5 9 ， 卜 南京航空航天大学硕士学位论文 图6 8 曲线、曲面综合测量实例。6 0 表3 1 质心单独球面拟合法的测球球心标定结果3 l 表3 2 多标记点球面拟合法的测球球心标定结果。3 2 表3 3 旋转轴求交标定法的测球球心标定结果。3 2 表4 1 测球球心坐标计算结果3 5 表6 1 每组测量中的采点个数5 8 r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 众所周知，测量一直都是工业领域中的重要内容，从产品的研制、加工、到装配，各个环 节都需要测量。传统的测量方法都是基于“比较式测量”，如采用高度尺和量规等通用量具在平 板上测量，以及采用专用量规、心轴、验棒等量具测量孔的同轴度及相互位置精度。这种方法 劳动强度大、效率低、精度不易保证，另外，专用量规制造成本高，使用麻烦，即使是熟练的 测量人员也难以获得稳定、精确的测量结果；另一种方法是采用坐标镗床测量，即在镗床上利 用它的三坐标机构，在轴( 镗头) 上安装测微仪( 指示表或传感器) 对工件进行三维测量。这些传统 的测量方法既费力又费时，也不易达到精度要求。 1 9 5 6 年，英国f e m m 廿公司首先提出“坐标测量”的全新概念并开发出了第一台现代意义 上的三坐标测量机( c 0 0 r d i n a t em e 雏u 曲gm a u c h i i l e ，c m m ) ，这在世界几何量测量领域中引起了巨 大的轰动。这是传统测量基础上的重大飞跃，把测量从单纯的“比较式测量”引申到“模型化 测量”的新领域。“坐标测量技术”的出现，对测量领域的影响有下述几个方面【1 】。 1 ) 解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、模具 的外廓尺寸检测。 2 ) 提高了三维测量的测量精度。高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1 加1 以 内，三维空间精度可达1 州i 【m 。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也达 3 肛叫肛l 。 3 ) 采用“模型化测量”，与q d 结合紧密，在零部件的加工过程中，可根据工件轮廓曲线 的测量数据编制加工程序，可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线和柔性制造系统，从 而促进了自动生产线的发展。 4 ) 随着三坐标测量机精度的不断提高，自动化程度不断发展，促进了三维测量技术的进步， 大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成c n c 的控制功能，可缩短测量时间达9 5 以上。 坐标测量技术经历了近5 0 年的发展，研究的重点主要集中在框架式三坐标测量机上，其在 设计、制造、标定、误差修正、自动化与智能化等方面都达到了很高的技术水平【2 1 。三坐标测 量机由于通用性强、精度高、与c a d 结合紧密等优点，在工业产品检测中发挥了重要作用， 它作为一种高效的精密测量仪器被广泛应用于机械制造、电子、汽车和模具等工业中。然而， 随着生产与科学的不断发展，传统的框架式三坐标测量机的局限性逐渐显现出来。首先是对大 型物体的测量，如对大型飞机、航天飞机等测量，不可能将这些产品搬到三坐标测量机上进行 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 测量，因而三坐标测量机主要适用于中小尺寸的测量，在大尺寸测量方面，它的应用受到了限 制。目前，最长的三坐标测量机行程为4 0 m ，最宽约为6 m 。其次，它的体积一般较为庞大， 不便于携带，并且测量时对环境条件要求苛刻，不能满足零部件的现场测量或在线测量。 由于三坐标测量机的局限性，便携式三坐标测量机( p a n a b l ec m m ) 逐渐兴起。便携式测量机 具有重量轻，便于携带等优点，可进行零部件的现场测量，在结构上突破直角框架的形式，测 量更加灵活，可进行大尺寸测量以及较隐藏部位的测量。随着科技的进步，便携式测量机得到 了迅猛发展，测量精度越来越高，在工业领域中得到了越来越广泛的应用。 1 2 便携式坐标测量技术综述 便携式测量机是近十几年来发展起来的一类轻便、可移动的坐标测量仪器，主要产品包括： 关节臂测量机、基于激光跟踪的坐标测量系统以及视觉坐标测量系统。主要应用于航空、航天、 汽车等领域，用于大型机器、设备的精密定位、结构的检查、调整、装配和安装等。上述技术 在国外发展比较成熟，已有商用产品投入市场，但一些核心技术并未公开，国内在这方面还处 于深入研究阶段，因此开展这一领域的理论和学术研究具有重要的意义。 1 2 1 关节臂测量机 关节臂测量机3 】【4 1 是近2 0 年发展起来的一种便携式坐标测量系统，它依据仿生运动学原理 设计而成。测量机由三根刚体臂、六个活动关节和一个测头组成，如图1 1 所示。三根臂相互 连接，其中一个为固定臂，它安装在任意基座上，以支撑测量机所有部件，另外两个活动臂可 运动于空间任意位置，以适应测量需要，其中一个为中间臂，一个为末端臂并在此尾端安装测 头。第一根固定臂与第二根中间臂之间、第二根与第三根末端臂之间、第三根与接触测头之间 均为关节式连接，可作空间回转，而每个活动关节装有相互垂直的回转角传感器，可测量各个 臂和测头在空间的位置。每个关节的回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统，回转角即 2 囡 基 ( a ) 结构图 图1 1 关节臂测量机 ( b ) 实物图 。1 。1 一 南京航空航天大学硕士学位论文 极角，由传感器测量，而活动臂两端关节回转中心距离为极坐标的极径长度，可见该测量系统 是由三个串连的极坐标系统组成，当测头与被测件接触时，测量系统根据三个极坐标系的坐标 变换算出测头在测量坐标系中的坐标。 关节臂测量机具有机械结构简单，运动灵活，测量范围大，便携性好等特点。但是其精度 比传统的框架式测量机要低，精度一般为l o 肛1 级以上，另外，关节臂测量机可能有测量死角 或精度特别差的区域。目前在国际上，美国姗公司生产的铂金系列关节臂测量机单点精度 可达0 0 0 5 姗，空间长度精度可达0 0 2 m m ，重量最轻可不超过9 o k g 。随着科技的进步，关节 臂测量机已经向着高精度且更加灵活便携的方向发展。 1 2 2 基于激光跟踪的坐标测量系统 自从1 9 9 1 年瑞士k i c a 测量系统股份有限公司发明并制造出第一台激光跟踪仪以来，激光 跟踪测量技术在航空航天、汽车制造等行业得到了广泛的应用【5 】【6 】。通过每秒几千点的采点速 率，跟踪仪对内部安装有棱镜反射镜的跟踪球进行精确的实时跟踪。跟踪球移动时，跟踪仪会 自动跟踪反射镜的球心位置。把跟踪球放在被测位置上，记录下测量值，这样就得到了该点的 三维坐标。激光跟踪仪是一个球坐标测量系统，通过测量1 个极径和2 个方位角来确定被测点 的空间坐标。测量原理如图1 2 所示。在跟踪头内部有1 套激光干涉系统、2 套角度编码器、 电机以及光电接收器件。激光器发出的光照射到1 个跟踪转镜上，这个转镜可沿水平轴和垂直 轴旋转，经转镜反射的光照射到由猫眼或角锥棱镜构成的跟踪球上。由跟踪球反射回来的光被 分光镜分为2 路：一路进入激光干涉系统，由干涉条纹数得到跟踪球的距离；另一路照射到四 象限光电接收元件上。如果照射到跟踪球上的光偏离跟踪球的中心点，那么光电元件就有差动 信号输出。这一信号经放大后，通过伺服控制回路与电机，带动转镜转动，使射到跟踪球上的 光的方向发生变化，直至入射光通过跟踪球中心，从而实现跟踪过程。与转镜同轴装有2 个角 度编码器，分别测出转镜水平和垂直转角，通过软件转换为笛卡尔坐标，从而得到跟踪球的三 维坐标值。 由于激光跟踪仪测量时需要安置跟踪球，在某些复杂工装和部件的检测中，如在汽车制造 业，采用跟踪球测量很难定位到待测点，即使是采用某些装置，如隐藏点测量杆等，也很难满 足测量的需要。因此，k i c a 在激光跟踪仪的基础上又研制出了一种全新的t - p r o b e 测量系统【7 】。 t - p r o b e 系统采用手持探头进行接触式测量，增加了测量灵活性，显著提高了测量效率，能够实 时获得任何目标的六维空间轨迹，从而得到探测点的精确坐标。t - p r o b e 系统主要由激光跟踪仪、 高速摄像机以及p r o b e 探头组成，如图1 3 所示。高速摄像机安装于跟踪头上部，可随跟踪头 绕垂直轴转动，同时还可以绕摄像机支架的水平轴俯仰，该俯仰角由摄像机支架上的码盘输出。 摄像机只对红外光敏感，因此不会受到可见光的干扰，其帧频率高于1 0 0 h z 。p r 0 1 ) e 探头由碳纤 维材料制成，其上嵌入了1 0 个红外发光二极管、一个广角偶棱镜反射器、可更换的接触探针( 相 3 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 当于三坐标测量机的探针) 以及测量触发按钮等。在测量时，跟踪仪对角偶棱镜反射器测量获取 其三维坐标，同时高速摄像机对p r o b e 探头拍摄获取1 0 个二极管的二维图像坐标，通过计算获 取探头的空间姿态。由探头的空间姿态，对角偶棱镜反射器进行坐标补偿，计算出接触点处的 三维坐标。t p r o b e 测量系统不仅可进行逐点的静态测量，还可以进行扫描式测量，具有测量精 度高、测量范围大等优点，但其价格昂贵、核心技术被国外垄断。 反泶器 图1 2 激光跟踪仪原理图1 3t - p r o b e 测量系统 k i c a 的t - p r o b e 测量系统被称为“w 址k 胁u n dc m m ”，测量范围可达3 0 米。而且在8 5 米范围内，空间长度测量误差不超过6 0 肛l 。t - p r d b e 采用加长探针，可以根据测量需要组合探 针和加长杆完成各种复杂部件和工装的测量。 l - 2 3 视觉坐标测量系统 随着机器视觉【8 】的发展，以及c c d 固体阵列摄像机和计算机硬件技术的提高，以摄像机为 核心构件的立体视觉技术【9 】受到了国内外学者的广泛关注。特别是进入9 0 年代以来，有大量 的研究论文和专著发表。一些系统在模式识别、零件分检和三维轮廓测量方面获得了广泛的应 用。 双目立体视觉测量【l l 】是立体视觉中的一条重要分支，它基于光学三角形原理，利用两台位 置相对固定的摄像机，从不同角度获取同一场景的两幅图像，根据两幅图像中对应点的像素坐 标以及摄像机之间的位置关系重建出点的三维坐标值。双目立体视觉技术结合各种结构光投射 进行复杂物体表面形状的测量已经成为一项比较成熟的工业技术，具有非接触、精度高、能够 快速获得复杂大量点云等特点，在逆向工程中应用已比较普遍，但易受遮挡、被测物体表面光 学特性等因素的影响，尤其对物体边缘以及透明物体的测量十分困难。另外，在几何量测量等 应用中，通常只需要采集一系列关键点，而无需获取整个的外形轮廓。因而，将视觉测量与接 触式测量相结合，研制开发便携式的视觉坐标测量系统的概念应运而生。 视觉坐标测量是指利用摄像机对手持探头上的特征点进行成像，通过提取这些特征点在摄 像机成像面上对应的像点坐标，计算出特征点的三维坐标，再进一步推算出被测点的坐标，通 4 南京航空航天大学硕士学位论文 过手持探头的逐点采集，达到对被测物的坐标测量。它是建立在数字成像、图像处理、视觉测 量和接触式测量原理上的新型便携式坐标测量系统。具有系统组成灵活、测量精度高、工作空 间大、自动化程度高等特点，非常适合工业现场的在线测量与质量监控。 光笔测量仪是目前市场上应用比较广泛的一种视觉坐标测量系统，代表产品有m e 仃0 n o r 公 司的光笔测量仪以及a c t i c m 公司的a c t i r i s 测量系统等。m e 缸0 力0 r 的光笔测量仪主要由传感器 系统( 摄像机) 、采点系统( 碳纤维测量光笔及测针) 、电脑与测量软件组成，如图1 4 所示。凭借 精确的双目立体测量技术，摄像机通过测量镶嵌在光笔上的多个红外发光二极管( l e d ) 的坐标， 得到测量光笔在空间的位置和姿态。由于光笔底端的测针经过精确校准，与光笔的几何位置关 系唯一确定，于是被测点的三维坐标就可以根据发光二极管坐标精确计算出来。光笔测量仪的 测量范围为1 5 i n 1 0 m ，2 5 m 范围内长度测量精度可达3 0 衄l 。a c 垃r i s 系统类似于m e 缸d n o r 的 光笔测量仪，它由两台固定式摄像机、7 个l e d 目标点形成的光笔以及笔记本电脑组成，图1 5 为a c t i r i s 3 5 0 ，其测量范围为4 m ，可扩展成8 m ，2 m 范围内长度测量精度可达0 0 2 m m ，总重 量小于2 0 k g ，具有很好的便携性。 图1 4 光笔测量仪 图1 5a c t i d s 3 5 0 测量系统 国内在这方面还处于深入研究阶段，主要由一些院校对原型样机进行研制开发，大致可分 为单相机系鲥1 2 】【1 3 】【1 叼与双相机系统【15 】【1 叼【1 邢8 俩大类。在结构上，单相机系统更为简单，小巧； 在测量的视场上，双相机视场为两个摄像机视场的交集，因而，比单相机视场要窄一些：在对 特征点的求解上，单相机系统对特征点计算的数学理论基础是“n 点透视问题”的求解，即p l l p 问题【1 9 1 【2 0 l ，计算结果在深度方向上的误差较大。双相机系统通过双目立体视觉原理实现对特征 点的三维坐标的计算，测量精度更高。目前，国内研制的这些系统各项技术还不是很完善，还 没有形成成熟产品。 5 基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究 1 3 课题研究目的和内容 1 3 1 课题研究目的 传统的框架式三坐标测量机一直是三维坐标测量的主要工具，但受直线导轨运动的限制， 体积庞大，不能进行现场测量。近年来，无线柔性坐标测量技术成为了国内外共同关注的焦点， 代表了三维坐标测量技术的新的成果和发展方向。目前，虽然国外已经有了比较成熟的商用系 统，但是其价格昂贵、核心技术高度保密，很难在国内企业和科研单位推广应用。鉴于此，本 文研究一种基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量系统。该系统属于视觉坐标测量范畴，主要 由一支贴有标记点的测笔、两台高分辨率的c c d 摄像机( 构成双目立体相机) 和电脑组成。测量 时，只需把摄像机架设在待测物体的旁边，用测笔上的测球接触物体上的待测点，如图1 6 所 示，c c d 摄像机对测笔拍摄，图像采集卡采集c c d 摄像机所拍摄的图像，经计算机处理后便 可得知测笔上标记点的三维坐标，进而推算出接触点处的坐标。该测量系统具备如下特征： 图1 6 本文测量方式 1 便携性好。本系统主要部件仅由两台摄像机和一台计算机组成，相比其它测量仪器体积 要小很多，基本可以方便携带到任何现场进行测量。 2 精度较高。单站测量误差小于o 1 n 曲，大尺寸物体的测量精度可以通过标记点的摄影测 量全局定位技术来保证，因此能够满足多数工业测量的需要。 3 受复杂现场环境干扰较小，柔性好。在现场测量不存在类似激光跟踪仪的断光续光问题， 并且手持靶标不受其它导轨或连线的限制，可以测量隐藏点。 4 测量过程简单。可采用遥控的方式测量，当测笔与被测物接触后，只要操作遥控器即可 控制摄像机自动拍摄并完成一次测量。整个测量过程可以仅由一名人员完成。 5 测量不受被测物体表面差异影响。由于摄像机摄取的是测笔上标记点的像而不是被测物 体的像，所以测量不受被测物体表面的几何形状、表面曲率和材质的影响，而且有些难测的位 置或盲点，可以通过改变测笔中测针的长度和形状进行测量。 6 可与三维曲面测量系统配合测量。三维曲面测量系统可快速地获取复杂曲面的三维点云 数据，但对轮廓边缘、轮廓上面的曲线以及较隐藏的部位，如孔、键槽等测量困难，本系统可 6 南京航空航天大学硕士学位论文 通过粘贴拼合标记点的方式，实现和三维曲面测量系统的配合测量。 1 3 2 课题研究内容 本文以双目立体视觉为基础，研制开发了无线柔性坐标测量系统f r e e p r o b e 。其中双目立体 视觉技术前期已经完成并有了比较成熟的研究成果【2 l 】【2 2 1 ，包括摄像机标定、椭圆检测、三维重 建等技术。本文研究的重点主