（精密仪器及机械专业论文）光学数码坐标测量精度改进研究.pdf

摘要 光学数码坐标测量系统是建立在数字近景测量技术基础上的一种新型精密 测量系统。它具有便携性好、精度高、测量范围大、受环境干扰小等优点，适合 工业工程的现场测量，具有重要的研究应用价值。 光学数码坐标测量系统中标记点的选取，标记点的中心提取，标记点的三维 空间位置的解算是影响其精度的关键技术。本论文在标记点的选取，如何提高标 记点的性能，如何精确提取成像图像中心坐标，以及相机的标定技术等方面做了 深入细致的研究。 论文的主要研究内容如下： 1 分析了数字近景摄影测量技术的发展过程及其现状，并对光学坐标测量系统 的工作原理，及其从标记点的选取，标记点的中心提取，到最后标记点的三 维空间位置的解算等关键技术进行了详细的分析和研究。 2 对红外l e d 光源的特性进行了详细的研究，对于提取框大小对提取光斑中心 点精度的影响、电源影响、物距影响和视场角影响用实验数据进行了说明。 3 对质心提取算法进行了研究，并提出了一利，新的带阈值的质心法，并且分析 了噪声对于定位精度的影响，并得出实际测量定位精度应该可以控制在 0 0 3 1 像素之内。 4 研究了原有的相机标定方法，并分析了其中的不足，在此基础上提出了一种 新的多站位相机标定方法，详细介绍了其标定过程，分析和比较了两种标定 方法的精度水平，新的标定方法可以保证系统整体的成像精度在3 r e x3 m 3 m 的空间内控制在0 0 6 r a m 之内。 关键词：数字近景摄影测量光学坐标测量系统精度标记点质心法相 机标定 a b s t r a c t o p t i c a ld i g i t a l c o o r d i n a t em e a s u r i n gs y s t e mi san e wt y p eo fp r e c i s e m e a s u r e m e n ts y s t e m ，b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lc l o s e - r a n g ep h o t o g r a m m e t r y i th a sp l e n t yo fa d v a n t a g e ss u c ha sg r e a tp o r t a b i l i t y ，h i g hp r e c i s i o n ，l a r g em e a s u r i n g r a n g ea n dn o te a s i l yt ob ei n t e r f e r e db ye n v i r o n m e n t ，w h i c hm a k e si ts u i t a b l et ob e u s e di nt h ef i e l dm e a s u r e m e n to fi n d u s t r i a le n g i n e e r i n g a n di ti so fg r e a tv a l u ei n r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c ha f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h eo p t i c a ld i g i t a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n gs y s t e ma r et h es e l e c t i o no ft h em a r kp o i n t s ，t h ee x t r a c t i o no ft h ec e n t e r l o c a t i o no ft h em a r kp o i n t s ，a n dc a l c u l a t i n gt h es p a t i a ll o c a t i o no ft h em a r kp o i n t s i n t h ep a p e rt h e r ea r es o m ei n t e n s i v er e s e a r c h so nt h es e l e c t i o no fm a r kp o i n t s ，h o wt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em a r kp o i n t s ，h o wt oe x t r a c tt h ec e n t e rc o o r d i n a t e so f i m a g e se x a c t l ya n dt h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo f t h ec a m e r a t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 。 1 a n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h es t a t u sq u oo ft h et e c h n o l o g yo f d i g i t a lc l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r y ，a n dr e s e a r c ho nt h es e l e c t i o no fm a r kp o i n t s ， t h ee x t r a c t i o no ft h ec e n t e ro ft h em a r kp o i n t s ，a n dc a l c u l a t i n gt h es p a t i a ll o c a t i o n o ft h em a r kp o i n t s 2 t a k ec o n s i d e r a b l ea m o u n to fr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e dl e dl i g h t s o u r c e b e s i d e s ，i ta l s oe x p l a i n st h ee f f e c t s o nt h ep r e c i s i o no ft h ee x t r a c t i o no f t h ec e n t e rl o c a t i o no ff a c u l a ，c a u s e db yt h ed i f f e r e n ts i z eo ft h ee x t r a c t i n gb o x w h a ti sm o r e ，t h ee f f e c to ft h eo b j e c td i s t a n c e ，a n dt h ef i e l da n g l eh a v eb e e n a n a l y z e dw i t ht h ed a t ao f t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s 3 w eh a v ed o n es o m er e s e a r c h e so nt h em e t h o d sa b o u tt h ee x t r a c t i o no ft h ec e n t r o i d ， a n dn a m e dan e wk i n do fm e t h o dw h i c hi n v o l v e st h r e s h o l d s f u r t h e r m o r e ，t h e e f f e c to nt h ep o s i t i o na c c u r a c yc a u s e db yn o i s e i sa n a l y z e d m o r e o v e r ，w ec a n c o n t r o lt h ep o s i t i o na c c u r a c yo ft h ea c t u a lm e a s u r e m e n tt ol e s st h a n 士o 0 31p i x e l s 4 w eh a v es t u d i e dt h eo r i g i n a lt e c h n i q u eo fc a m e r ac a l i b r a t i o na n da n a l y z e di t s d i s a d v a n t a g e s b a s e do nt h a t ，w eh a v ep r o p o s e d an e wm e t h o do fc a m e r a c a l i b r a t i o n ，i n t r o d u c e dt h ec a l i b r a t i o np r o c e s si nd e t a i l ，a n dd i s c u s s e dt h el e v e lo f t h ea c c u r a c yo ft h et w om e t h o d s a n dw ef i n dt h a tt h en e wm e t h o dc a ng u a r a n t e e 2 t h ea c c u r a c yo f t h ei m a g eo f t h es y s t e mt ol e s st h a n0 0 6 m mi n3 m x 3 m x 3 m k e yw o r d s ：d i g i t a lc l o s e r a n g e p h o t o g r a m m e t r y ，o p t i c a l c o o r d i n a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a c c u r a c y ，m a r kp o i n t ，c e n t r o i dm e t h o d ，c a l i b r a t i o no fc a m e r a 独创性声明 本a 声明所呈交的! 引眵论文是本人在导师粕铲下进行的研究工作和取得的 研究酶器，赊了文中特鄹加醴标注和致谢之处外，沦文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研壳成果，也不包含为获 寻。墨盗塞室或其他教育机构的学位或征 书而使用过的材料。与我一同工作的f i j j 志列本研究所做的任何员献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 童声勤 签字同期；玉口零气 年气月) ，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 都勤 导师签名： 签字同期：粥年月同 警囟 签字同期：2 口。芦年7 月2 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代制造工业的进步，其对于精密检测技术也提出了越来越高的要求， 无论测量的方式、方法都要求其向着多样化发展。对于几何量的测量来说，测量 尺寸正在向小尺寸和大尺寸两个方面发展，小尺寸正在进行微米测量和纳米测量 的研究1 ；大尺寸主要指对几米到几十米、甚至几百米范围内物体的尺寸形状、 运动轨迹、空间方位等的测量n 1 。 目前，在工业检测中，传统的大尺寸的测量仪器的代表是三坐标测量机 ( c m m ) ，但受到直线型导轨运动的限制，一般只能用于专用的测量环境，不 能应用于制造现场。为适应制造技术的进步，近年来发展多种不同类型的大尺寸 测量技术和设备：经纬仪工业测量系统、激光跟踪干涉测量系统、以及近景数字 摄影视觉测量系统。 经纬仪工业测量系统以空间交汇三角测量原理为基础，当前电子经纬仪的角 度测量精度已达0 5 ”，采用多个经纬仪组合，结合精密定向技术，理论上可以实 现优于1 0 “m m 的测长精度。经纬仪系统有很好的便携性，可以在工业现场组建， 但存在一定的局限性：测量效率低、需人工瞄准，工作强度大、测量精度易受人 为因素影响，不适合大工作量的现场测量1 。 激光跟踪干涉测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上 的极坐标测量系统，具有测量空间大、精度高的优点，其不足之处在于便携性不 理想、价格昂贵、效率一般一1 。 对于现在的测量系统需要有测量速度快、工作效率高、便携性好，能够在工 业现场进行测量等优点。光学坐标测量技术是一种先进的测量手段，其是建立在 近景摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的一种新型精密测量 技术，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 常适合工业现场在线测量与质量监控，可满足大部分工业现场精密测量的要求5 1 1 2 数字近景摄影测量 1 2 1 数字近景摄影测量概述 摄影测量是测绘学科其中的一个分支，它是由摄影机摄取影像( 二维) ，然 l 第一章绪论 后对影像进行测量，从而测定被测物在二维空间内的位置、形状、大小，乃至其 运动轨迹。摄影测母在近可年的发展史中经j 打了：模拟、解析与数字摄影测最三 个阶段“1 。 近景摄影测量是指对近距离( 般指小于1 0 0 米) 非地形目标拍摄的图像 测定被摄目标几何特性的技术。它的优点是像片信息量高而且摄影与像片的摄 影测量处理可分阶段进行，不受时间的限制：适合于不规则物体的外形测量、动 态目标的测量，以及不可接触物体的测量。随着计算机技术和数据处理技术的发 展，作为一种测量手段它被广泛应用于建筑j = 程、机械制造、牛物学、医学、采 h “、冶金、地质、地理、考古和海洋等领域。 随着数字传感器技术的发展，尤其是c c d 器件和c m o s 器件的迅速发展，利用 c c d ( 或c m o s ) 像机不需要腔片就可直接获得被测物的数字影像，这种直接基丁 数字影像的近景摄影测量称为数字近景摄影测量“。 a ) 单台缘机脱机测晕系统( b ) 多台像机联机测量系统 圈卜1 数字近景工业摄影测帚系统 数字近景工业摄影测量系统一般可分为单台像机脱机测量系统和多台像机 联机测量系统，如图1 一i 所示。数字近景工业摄影钡l 量系统不仅具有其它类系统 一样的精度高、非接触测量和便携等特点，还具有测量现场工作量小、操作简便、 快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰等其它系统所无法比拟的 优点。 近年来，随着微电了和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵列像机和计算 机硬件的发展，使得近景摄影测量在经过模拟摄影测量和解析摄影测量两个阶段 后，进入了全数字近景摄影测最时代。数字近景摄影测量也称为非地形数字摄影 测量或数字近景测量，其实质就是数字摄影测量在各个学科中的应用”，作为 一种先进的测量手段它被广泛应用于建筑丁程、机械制造、牛物学、医学、采矿、 冶金、地质、地理、考古和海洋等领域。 崞村多 第一章绪论 1 2 2 数字近景摄影测量国内外的应用 数字近景撮影测最应用范围很广，如变形摄影测母建筑摄影测量考古 摄影测量，工程摄影测壤，上业摄影测量等等。本文着重于数字近景摄影测量在 j 一业上的应用”， 目前数字近景摄影测量的研究及其应用已相当成熟。国外已经有很多公 吲拥有了成型的数字近景摄影删精产品，如挪威m e t r o n o r 公司的m e t r o n o r 系统 ( 蚓12 ) 、德国g o m 公司的a t o s 系统( 图1 - 2 ) 、瑞l c l c a 公司的v - s t a r s 系统( 图 卜1 ( a ) ) 和台湾智泰科技有限公司的e m o n s l e r 便携式三维扫描仪等等“”。 爿前，在国内，天津人学、武汉人学、解放军信息工程人学、同济大学等 院校在数字近景摄蟛测量方面都有深入的研究并广泛应用于并琐t 程与工业生 产中，如应用数字近景摄影测量进行无锡灵山人怫的施丁测量与整体安装，特殊 建筑物的变形测量等等”“。 其一n 挪威m e t r o n o r 公司的m e t r o n o r 系统是类似j 一本文的光学坐标测罱系 统它由两台摄相机，测量靶标和计算机组成。测量物体时测量靶标与被测物 相接触，两台相机同时对靶标上的标记点进行图像采集从而解算出被洲点的二维 坐标。其测量精度分别为00 2 0 m m 25 m 、00 3 0 舢 6 m 、00 6 0 m m e l o m 其 测量的视场角为3 8 。x 3 2 。 所有这些数字近景工业摄影测量系统与其他测量系统相比都具有测量精度 高，便携性好。测量现场t 作量小、快速、高效等优点，且= f = 易受环境温度变化 振动等外界l 圳豢的r 扰“。 圈卜2m e t r o n o r 1 3 本论文的意义及主要工作内容 1 3 1 意义 图卜3a t o s 便襁式二维扫描 三维物体几何量的测量在实际生活一扣和工业， ，有着较为广泛的麻i , j 。嗬使 片j 传统的接触式坐标测量机进行测罱，虽然精度高，但只能剐硬质且比较规则 3 第一章绪论 的物体进行测量，而且测量地点无法变更，增加了实际测量的难度。而随着计算 机技术和摄影技术的不断发展，基于数字近景摄影视觉测量原理的光学数码柔性 坐标测量机系统具有便携性好、精度高、测量范围大、受环境干扰小等优点，可 以解决三坐标测量机在实际应用中的问题，具有很重要的开发价值和研究意义。 光学坐标测量系统的研究及开发包括原理分析、系统设计、硬件设计、软 件开发等几个方面，这几方面在前期已基本完成，并且测量精度已达到0 i m m m 。 然而在系统测量过程中又不可避免的存在系统误差，如：光源的不稳定性，建立 的系统模型与真实系统间存在一定的差异，光斑质心提取过程中的误差，实验环 境对标定过程的影响等，所有这些环节都影响了系统的测量精度。之前虽然也对 这些影响精度的方面有过一定的分析，但是都只是停留于分析阶段，并没有提出 更加有效地解决方法。 因此，在保持较大的测量范围的条件下，如何更有效的提高测量精度，是提 升系统使用价值，确保制造质量的关键因素。本文通过大量理论分析和实验数据， 分析系统中的关键技术，以寻求提高系统测量精度的方法，并最终取得较好的效 果，提高了该系统的实用性。 1 3 2 主要工作内容 本论文在原有的基础上，针对光学坐标测量系统中的一些关键技术，进行了 详细的分析和研究，并提出了一些合理的解决方法，进一步的提高了系统的测量 精度，提升其使用价值，其具体内容如下： 1 研究了红外l e d 的特性，对于红外l e d 的提取框尺寸和电源稳定性、 不同距离和视场角对于光斑成像精度的影响做了一系列的分析。 2 通过理论和实验对不同质心提取算法的精度进行了比较和分析，并提出 了一种带阈值的质心法的阈值计算方法，还分析了c c d 噪声对于质心提取精度 的影响，进一步提高了测量系统的测量精度。 3 研究了原有的相机标定方法，分析了其中的不足，并且在原有基础上提 出了一种新的相机标定方法，通过理论和试验分析了两种标定方法的精度差别和 标定结果。 4 第一章光学坐标测量系统 2 1 工作原理 第二章光学坐标测量系统 传统的三坐标测量机在测量速度、效率和灵活性上已经不能满足日益发展的 工业需求。如今，对于现代工业检测中大尺寸工件的测量，不但需要坐标测量机 的测量速度快，测量效率高，而且还需要在工业现场进行测量。本文所研究的光 学坐标测量系统正是这样一种先进的测量手段，具有系统组成灵活、测量精度高、 t 作空间大、自动化程度高、不受测量环境影响等特点，非常适合现代的工业现 场用于在线测量与质量监控。 光学串标测量系统是基于双相机的数字近 景摄影测量，井应用于工业现场的一种三坐标 测量系鲈，它是由数字近景摄影测量与计算机 视觉中的影像特征自动提取、识别、匹配以及 相机标定等技术相互交叉发展而来的。 光学坐标测量系统所采用的是类似下经 纬仪系统的空间交会：角测量模型，所不同的 是它采用高性e 数字成像器件作为传感元件， 由两台相机在不同的位置对同一物体进行拍 摄，获取被测目标的两张不同角度的像片，如 图2 - 1 所示，结合图像处理及模式识z 技术实 现对目标物体( 被钡i 点) 的自动识别、瞄准和 角度测量。 光学坐标测量系统利用空间点在两相机 像平而上的透视成像点坐标来求取空间点的 三维坐标。其最简模型如图2 - 2 所示。物点p 在两台相机上的像点分别为p l 、p 2 ，由双口立 体视觉传感器的三维测量模型町知，通过相机 图像上像点p 1 ，p 2 的二维坐标( x l ，y 1 ) ( x 2 ， y 2 ) ，及两相机之间的旋转矩阵r ，平移向量关 系矩阵t ，从而可阻解算出空间物点p 的空间 = 维坐标。从上述测量原理刊以看出，光学坐 1 ，心 l ：一， 图2 - 2 最简模型 第二章光学牮标测量系统 标测量系统中物点p 的选取，p 1 和p 2 的获取，相机的三维测量模型的技得和两 相机之间的r 、t 矩阵的解算是整个系统的几个关键部分也是影响系统精度的 关键部分。 2 2 系统组成 如图2 - 3 所示，本文所研究的光学坐标测量系统的基本组成如f ( 1 ) 两台c c d 摄像头 ( 2 ) 计算机系统 ( 3 ) 基准尺 ( 4 ) 靶标测头 c c d 相机 手持靶标 计算机 基准尺 图2 - 3 光学坐标i 量系统组成 其中c c d 摄像头采用了m e g a p l u s 63 i ( 3 0 6 6 2 0 4 8 象素) ，并安装了s i k o n 2 8 m 广角镜头，用来采集特征点图像。计算机系统中安装了图像采集卡、测量 软件，具有控制丰 i 机、数据解算、处理图像等功能，是光学坐标 9 1 0 量系统的核心 设备。此系统中的基准尺与经纬仪测量系统中的基准尺功能相同，用来确定两台 相机之间的位置关系。为方便图像的采集、处理和特征点的匹配，在基准尺及手 持靶标中的特征点全部采用点状激光器。 如图24 ( b ) 所示手持靶标卜除三个激光点外，在前段还有个陶瓷球， 用于与被测物体接触。 第二章光学坐标测量系统 a ) 拦艘相机b ) 靶标测量 圉2 - 4 系统测量演示 在光学坐标测量系统测量物体时( 如图24 所示) ，首先将两台c c d 摄像头 放于稳定的平台上或架在稳定的三角架上。然后，手持基准尺破置于两台相机的 公共视场中6 个位置，通过测量软件对基准尺在不同位置进行图像采集。并由此 解葬出两台c c d 相机位置关系( 其中包括旋转矩阵及平移向量，此过程，以下章 节称之为“定向”) 。最后，在测量物体时，由手持靶标使陶瓷球与被测物体表血 相接触。两台相机同时对手持靶标进行图像采集分别得出三个激光点的空间三维 坐标。之前已经将于持靶标上三个激光点与陶瓷球之间的相对位置关系进行精确 标定过因此，由三个激光点的空间三维坐标便得m 物体表面上的三维点坐标。 2 3 影响精度的关键技术 从光学坐标测量系统工作原理中分析，对于整体系统精度影响比较大的应 该有如下几个方面： 一、 标记点的选择。 二、 标记点中心的提取。 三、 标记点= 三维空问的解算。 2 3 1 标记点的选取 标记点是指标定靶标i i i 具有明显特征且容易求得其图像坐标的点，一股为 孔中心、直线交点、黑白相问块的顶点及球等如罔2 - 5 所示： 第二章光学坐标礴最系统 扎中心 弗陌 血线立点相问块顶点 罔2 - 5 特征点 而光学坐标测量系统中所使用的标记点，通过比较、分析和实验选用了 生动光源( 点状激光器) 作为标记点。 i 点状激光器 0 ) 定向反光标志成像放大o ) 点状激光器成像放人 图2 定向反光标志与点状激光器成像比较 圈2 - 6 中为定向反光标志与点状激光器的成像比较，( a ) 图巾定向反光标志 的成像边缘的过渡线性虽然较好，但是在成像圆形的内部很明显的就可以看出亮 度并不均匀，并且有些象素点都已经饱和，这对我们进行亚象索提取有很大的精 度影响，造成这样现象的土要原因是定向反光标志本身并不是发光光源，它的成 像主要是靠反射其他光源的光线，所以受照明光以及杂散光影响比较大还有就 足作为反光材料它也不能完全保证自己的平滑度以及反射光线的均匀性，所蚍 在成像中不会规律的呈现象豢值完全均匀的图像。从( b ) 图中点状激光器的成 像不难看出，它的象素值成比较明显的线性过渡由于点状檄光器的发光点比较 小单纯发光点的成像应该在图像r 不会超过一个象素，但是在实际成像中有镜 头分辨串等其他原网的影响在实际的图像中会呈现如图所示的中间亮并向四周 平滑过渡的现象这样对我们进行亚象素中心点的提取无疑是一个根理想的情况 1 1 w 乍，球 o oo o 第一章光学一”标洲蜃系统 点状半导体激光器如罔2 - 7 抽) 所示使用其作为罔像的标记点其有如下的 一些优点： ( i ) 体积小。如| 冬i 所示其外观截而半径只有2 r a m ，在靶标以及孳准尺上 占 丁安姨固定， ( 2 ) 亮度可调节并且稳定：点状半导体激光器本身作为发光光源不l _ j 于其 他人上标志容易受其他光源的影响并且以稳流电路作为其驱动电源不仅亮度 可被电流凡小控制，而h 可在电流稳定的情况下亮度也1 。分稳定。 ( 3 ) 有蚓定玻k 。选用一定波长的点状半导体激光器可以利用滤光片滤掉 其他杂散光。 ( 4 ) 发光点小。点状半导体激光器的发光点仪有05 m m 左右在c c d 的 成像斗r ( 如图2 - 6 ，b ) 豫紊的灰度值线形好，在亚象索提取巾可获得较高的精度。 2 红外激光器 通过进步的比较和分析，蛀后选j _ i 】r 红外l e d 作为图像的标记点，红外 l e d 不仪具有点状激光器体积小、亮度可调节并且稳定、宵固定波眭、发光点 小的优点，而且还鼎有低功耗、耐振动、可菲性好、寿命长，亮噬高、显示清晰、 感应快等优点。此外红外l e d 较激光器还有以下2 个更明晶的优势； 一、预热时间 点状激光器即使宵稳流电路驱动，也需要大概2 0 分钟的顸热时间才会达到 稳定状态，而红外l e d 不需要预热时问即可达到稳定状态 二、成像光斑 叼匹 = = 令 日口 o b ) 红外l e d 提取光斑目 凹2 - 7 提取光斑图 一一l 第二章光学坐标测量系统 在图2 7 中，我们可以看出： ( 1 ) 红外l e d 光斑比激光器光斑，灰度值高的像点更集中于中心区域，且 中心区域灰度值与边缘区域灰度值对比明显。 ( 2 ) 红外l e d 光斑比激光器光斑，灰度值从中心向四周过渡更加均匀平滑， 线性度更好。 ( 3 ) 红外l e d 光斑比激光器光斑，整个光斑灰度值关于中心更加对称。 因此，红外l e d 以上的优势，将更有利于精确提取光斑中心点坐标。在第 三章中还会对红外l e d 光源的特性进行更加详细的分析。 2 3 2 标记点中心的提取 在任何一种近景摄影测量系统中，图像分析和处理都占有相当重要的地位。 对于本文中的光学坐标测量系统也是如此，当测量系统组成以后，对图像处理和 分析就成了系统能否进行准确测量的关键，而标记点在象素平面上成像点的精确 定位是其得以实现的前提，只有准确获得三维特征点在相机像面上的二维成像坐 标，才能进一步的进行分析和处理们。 本文中的光学坐标系统标记点中心的提取是使片j 质心法，对于质心法的研 究会在第四章中详细分析。先粗略提取础上，然后对特征点图像的中心进行迭代 式的亚象素提取，如图2 8 所示。图中( a ) 是由粗略提取所得到的坐标值为中心， 建立一个适合此区域的精提取框( 图中的白色虚线框) ，可以看出粗略坐标值在 图中并不是特征点图像的中心，而是在其边缘。基于此精提取框，利用第四章中 的质心公式计算出亮度中心，并以此中心再次形成精提取框( 如图中( b ) 所示) 进行亮度中心。以此方法迭代下去，在第三次，第四次迭代时，图像的有效区域 的亮度中心已经不再变化。这就是本文迭代质心算法的过程。其迭代公式为： ( 2 1 ) 其中c o m ( i ) 是第i 次的迭代结果，即第i 次迭代的图像中心的二维坐标。f u n 0 是第四章中的质心算法。迭代的起始值c o m ( 0 ) ，即为粗提取结果。迭代的结束条 件是，当c o m ( i ) 与c o m ( i + 1 ) 相等时，则迭代可以结束。为防止迭代无穷循环下 去，可以设置最大迭代次数o m a x ，当迭代次数超过d m a x 时，其原因包括特征点成 像效果不佳，粗提取阈值选取不合理，精提取框设置不合理等原因。这种情况需 对特征点进行重新拍照提取图像中心“5 1 。 l o 第二章光学坐标测量系统 圈2 8 成心选代过程 在利用选代质心算法进行图像中心提取时，有很多影响其精度的因素，如背 景噪声太大以至于将特征点图像淹没特征点相对于相机的倾斜角太大，距离太 远造成成像质量不佳。存提取过程中，图像饱和度粗提取阈值的选取，精提取 框的大小设鼹都会对提取精度产生很大的影响这些在后面几章都会进行详细分 析。 2 3 3 标记点三维空间位置的解算 标记点三维空间位置的解算过程就是在坐标测量系统工作原理r n 已经详细 的说明了其中最为关键的：一、获得双目立体视觉传感器的三维测量模型，即 相机标定；二、获得两相机之问的旋转矩阵r ，平移向量关系矩阵t ，即相机定 向。 l _ 相机标定 在光学坐标测量系统中，相机参数对测量精度影响很大。相机参数包括相机 内方位元素、镜头光学畸变系数统，相机问旋转、平移关系等等。其中相机内方 位元素和镜头光学畸变系数统称为相机的内部参数，旋转、平移关系等外方位元 第二章光学坐标测量系统 素称为外部参数1 。本文中相机的标定是指确定相机内部参数的过程。相机的 标定方法分为多种： 按标定中是否有参照物分为直接标定和自标定。 直接标定往往具有很高的精度，其实现前提是有一个三维尺寸已精确给出的 参照物( 标定靶) ，标定靶通常要具有10 到2 0 个标记点，这种标定方法往往具有 很高的精度，但标定靶的制造成本很高，而且标定过程中的调整很复杂。而自标 定技术则不需要精确给出的参照物( 标定靶) ，仅通过相机在几个不同位置对同一 标定靶采集的图像即可解算出该相机的内部参数，但这种方法具有很大的随意 性，因为有太多的参数要去估计，故并不总能得到可靠的结果，因而还不成熟1 7 1 o 按建模时是否考虑相机畸变分为线性标定和非线性标定。 线性标定法是通过求解线性方程组获得相机模型的内参数，无须迭代，缺点 是当相机畸变较大时不适用。非线性标定法克服了线性标定完全不考虑畸变的缺 点，使测量精度大大提高n 8 1 。 本文研究的光标测量系统采用了高精度数字相机m e g a p l u s6 3 i ( 3 0 6 6 2 0 4 8 象素) ，并安装了n i k k o r2 8 毫米广角镜头。考虑到相机及镜头带来的精 度误差，对此相机的标定我们采用了非线性的直接标定方法。对于相机标定的研 究会在第五章中详细介绍。 2 相机定向 本文中的定向是指确定相机间旋转、平移关系的过程。定向参数包括旋转矩 阵、平移向量。 图2 - - 9 相机定向模型 空间定向即定位摄像机在空间的姿态，对于双摄像机组成的交会测量系统而 1 2 第二章光学举标测量系统 言，就是确定两个摄像机之间的空间姿态关系，建立精确的空间三角交会测量模 型，如图2 - 9 所示。 设两个摄像机坐标系分别为o , z y , z , ，泓肠，定向的目的是建立两个坐标 系之间的变换关系：旋转矩阵和平移向量“ 。 采用和摄像机自标定类似的光束定向交会约束可以很好地解决双摄像机之 间位姿关系的定向问题。在双摄像机的重合视场中任意设置控制点( 点的空间坐 标无需已知) p i ，控制点在两个摄像机中的成像光束必定在空间交会，以此为约 束条件可以精确求解摄像机之问的空间变换关系1 钉。 令控制点p i 以习，在两个摄像机坐标系中的坐标分别为( 石，e ， z ，) ，( ，匕，厶) ，在两个摄像机中成像的理想无畸变象素坐标为咖乃。， f = ， 肠，实际有畸变象素坐标为阢卉，乃，6 ，助，由摄像机透 视模型知： = 等_( 2 - 2 a ) ，2 等 x ：。，2 瓦x 2 i ，- ： ( 2 2 b ) 玩，2 丢厶 摄像机坐标系o ，x , y , z ，龇墩问的变换关系可表示为： ( x l iy l f ，z l = r ( x 2 f ，y 2 ，z 2 f ) ，+ t ( 2 - 3 ) 其中：r ：f j：竺 芝1 为3 3 的旋转矩阵，r ：f 乏1 为平移向量 l _ ，。r 9j l f 3 此外，r 中的元素满足正交约束条件： 在已知摄像机模型的前提下，可得到以旋转矩阵和平移向量为未知量的非线 性约束方程，求解可得到旋转矩阵和平移向量，实现摄像机之间位姿关系的标定。 2 4 本章小结 本章主要从以下几个方面详细介绍了光学坐标测量系统： 1 介绍了光学坐标测量系统的工作原理 2 介绍了光学坐标测量系统的系统组成 3 介绍了光学坐标测量系统中标记点的选择，并分析了各种标记点的优点 4 一 。厶 0 0 o = = = = = = ： ： ： 如“一n “ + + + + + + 2 2 2 5 8 1：如：佻 + + + + + + 2 2 2 。n“n n n 厅 “ 第二章光学坐标测量系统 4 介绍了光学坐标测量系统中标记点中心的定位方法 5 介绍了光学坐标测量系统中相机标定和相机定向的方法 通过光学坐标测量系统中工作原理和各部分过程的分析，得出了和系统测量 精度相关的关键技术，明确了后面的研究方向。 1 4 第三章红外l e d 光源的特性研究 第三章红外l e d 光源的特性研究 3 1 红外l e d 光源简介 本文中所采用的红外l e d 光源的型号为 o p 2 3 2 w ，如图3 - 1 所示，其参数如下： 公司：0 p z e kt e c h 峰值波长 p ( m ) ：8 8 0 n 光谱带宽( m ) ：8 0 n 最小输出光功率p o ( w ) ：35 m 最小输出光功率 l f ( a )1 0 0 m 相应时间t r e s p ( s ) ：5 0 0 n 正向电流 l f ( a ) ：1 0 0 m 射束孔径角( 。) ：8 0 。 材料：g a a i a s 工作温度( ) m i ”6 5 。c 工作温度( ) m a x1 5 0 图3 - i 红外l e d ( o p 2 3 2 w ) 并且在使用过程中，在c c d 相机与镜头之前加装了一片8 8 0 n m 1 0 r i m 的带通 滤光片，用于滤掉其他的杂散光，减小其他光源对测量精度造成的影响使成像 图片上仅保留测量所需的l e d 光点成像，这样也有效的避免了在光点提取时的错 点杂点的误提取。还使用了图3 - 2 所示的稳流电路作为驱动电路“”，用于调节 电流来控制l e d 亮度，以保证红外l e d 光点的成像效果。 蔓一攀 o 、兰塑! 兰! ! 图3 - 2l e d 光源电流调节电路 】5 第二章詈_ 外l e d 光源的特性研究 3 2 图像测量中提取框尺寸 3 2 1 数学模型 红p l e d 激光点投射在c c d 平阿r 的实际成像图像如下图所示最大灰度值为 2 1 - 10 2 4 。 ( a ) 中心点灰度值为9 4 4( b ) 中心点灰度值为5 1 6 图3 - 3 实环城像图像 红外l 印激光点投射在c c d 平面上的点扩散模型可以近似地表示为两维高斯 去e 坤 _ 等h 纠 公式3 一l 中( ，y 。) 为真实的激光点巾心坐标，o 。，曲高斯函数的均方差 i 。为激光点投射在像面上的全功率。 则投劓在每个像素上的能置町以近似的用公式来表示： ，“川= 篡戋e 坤 _ 等h 一芋卜叫 公式3 2 中】，j 表示像嚣在像平面上的坐标，且e i ：= i 。 根据上述公式，并通过大量成像罔像的拟合计算和分析仿真结果，可以计算 出红外l e d 成像模型的均方差o 。户18 ，因此存后面仿真计算中将a 。，定为18 。 文献【2 l ，2 2 】在假殴光斑能量为高斯分布及存在各种噪声的情况下，对各种 不同大小提取框( 分别棱盖3 3 、5 5 、7 7 和9 9 象素) 的位置估值精度进行丁 理论分析和大量仿真研究。其结果表明：在对系统误差进行校正的情况下，覆盖 n n 象素提取框的位置估值精度相对较高。由此可以看出，提取框的大小对其位 第三章红外l e d 光源的特性研究 置估值精度具有一定程度的影响。 一维高斯模型如公式3 - 3 ，对其进行分析，可以得到光斑能量分布与参数。 的关系如图3 _ 4 所示，一3 6 至+ 3 0 之间的面积占整个光斑而积的0 9 9 。而 二维高斯模型的分布关系与一维时基本一致，由此可知当提取框大小为6ox 6o 时，其能量分布也为9 9 。 ，= 丽i oe x 4 _ 譬l 。_ 3 ) 面积0 9 9 图3 - 4 光斑能量分布与参数0 之间的关系 下表就根据计算得出的均方差，且中心点没有偏移时分别覆盖3 3 、5 5 、 7 7 和9 9 象素的光斑能量大小。 表3 - 1 提取框能量分布 i 提取框大小 3 35 57 79 9 光斑能量 3 5 4 4 6 9 7 4 8 9 9 0 9 7 5 3 从上表中可以看出3 3 只包含了3 5 4 4 光斑能量，因此由其计算出的估值精 度会有很大程度的偏差：5 5 以上的提取框都包含有7 0 以上的光斑能量，其估 值精度相对比较高；从本章的后半部分和下一章的实验和分析可以得出估值的精 度和提取框的大小是成正比的，5 5 已经l l 3 3 的大了两倍多，而7 7 矛i 9 9 更是达到了3 3 的5 倍和9 倍，则其偏差应该都会超过0 0 8 像素，而其算法的定位 精度也只能保证在0 0 1 像素之内，因此选用7 x 7 和9 9 提取框的话，其噪声引起 第三章红外l e d 光源的特性研究 的偏差已经远远超过了其算法自身的精度1 0 倍左右，而且其偏差值也不是在刻意 接受的精度范围内，因此5 5 像素的提取框是一个比较合理的参数， 3 2 2 红外l e d 提取框尺寸实验 首先将相机固定好，井在距离相机25 m 处固定好红外l e d 激光点相机每 3 0 秒自动拍摄一次，并对图像进行自动的象素提取，提取l e d 光源图像的中 心点，测量其稳定性。光斑中心的提取使用的是传统的质心法并日通过调节稳 流电路和设置相机的曝光时间，使红外l e d 光斑在图像上达到适当的灰度值， 提取光斑有效像素分别设置3 3 和5 5 像素，并对这两种情况分别进行了光斑 稳定性实验，图中的坐标系横坐标为测量点顺序，纵坐标为光源图像中心点x 坐标的提取值。 3 3 的x 轴一。m x # 嬲0 2 9 ：i i i i i i i i 圈i 寓- 塑贾皇舞受鲎曼 7 0 29 4 。一。 一。= 器爱；导帛譬孟；噩宝兰兰i 墨至兰至三至兰兰量蚕蚕三誊蚕i 耋喜 5 x 5 的x 轴 一。= 器菩；导皇嚣瓮磊| 鲁兰兰童曼量兰至i 至兰兰至吾耋三誊蚕三量虽 图3 - 5 提取框 小比较 表3 - - 2 提取框大小比较 最大值( 象 最小值( 象 极差( 象素)标准差 素)素) 3 3 的x 轴 i 7 0 29 5 8 2 8 31 7 0 29 4 5 7 5 00 1 2 5 3 300 0 2 3 0 9 7 5 5 的x 轴1 3 4 08 7 1 1 6 51 3 4 08 3 3 9 4 100 3 7 2 2 400 0 9 2 3 3 从上述数据可以看出，无论3 3 还是5 5 ，在相机和激光点都固定后相对 没有运动的情况下，测量结果都会有一定程度的被动，产生这种波动的原因根多， 比如l e d 光源自身的跳动，外界震动，环境光影响，成像噪声等等，关于成像噪 第三章红外l e d 光源的特性研究 声引起的这种测量结果的偏差会在下章中详细分析。 由于5 5 的测量像素数大约为3 x 3 测最像素数的三倍，井1 7 从上述数据中 可以看出铡量的偏差也约为二倍，因此精度偏差和测量像素数成正比，提取框越 大，测量的精度偏差也会越大，为了保证精度就应该选取一个比较合适的提取框。 在尽量保证理想环境的条件下( 尽量减少外部光源和外界震动) ，测量偏差也会 有很大程度的减小，3 x3 像素在x 轴的极差00 0 6 2 3 5 像素，5 5 像素在x 轴的 极差为00 2 0 3 7 6 像素。 3 3 红外l e d 特性分析 红外l e d 光源具有点状激光器体积小、亮度可调节并且稳定、有固定波长、 发光点小的优点，而且还具有低功耗、耐振动、可靠性好、寿命长、亮度高、显 示清晰、感应快等优点。为了对红外l e d 光源的特性有进一步的了解和系统分析， 因此对红外l e d 做了一系列的特性分析，包括红外l e d 电源影响、物距影响、视 场角影响。为了减小由于成像噪声而造成的影响，因此选取的提取框为3 x 3 像 秉。 3 3 1 红外l e d 电源影响 对于红外l e d 在不同电压r ，其自身的亮度肯定会随电压而变化但是其发 光中心是否也会随之改变，是需要研究的问题；以及其断电后需要多长时间可以 恢复到最佳性能，也是需要研究的问题。 1 不同电压影响 将相机和激光点