多传感器视觉测量系统坐标统一技术研究.doc

多传感器视觉测量系统坐标统一技术研究 第卷第期传感技术学报?月，（，），；多传感器视觉测?系统坐标统一技术研究张洪涛，段发阶，王学影，叶声华（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津）摘要多传感器视觉测?系统中的每个传感器都有各自局部的三维测?坐标系，传感器在其自身的坐标系下完成相对测?，为了处?测?结果，必须把它们统一到一个总体世界坐标系中，求出传感器坐标系与总体世界坐标系之关系。 本文详细介绍了以经纬仪空间坐标测?系统与靶标为中介实现多传感器视觉测?系统坐标统一技术，具体论述了两种坐标统一方法直接坐标统一法与间接坐标统一法，并利用实验结果对其进?了验证。 关键词视觉传感器；坐标统一；经纬仪；靶标；（）采用视觉检测技术开发出来的测?系统，通常?范围，在各自的坐标系（传感器坐标系）下和自已是多传感器测?系统，尤其对于大型零部件的视觉的测?范围内测?被测物体上特征区域（点、线、面）检测系统，往往是由几个到几十个甚至上百个视觉的坐标数据，但是，为了描述被测对象的几何特性，传感器组成，如无缝钢管在线视觉检测系统由二十必须把各个传感器的测?数据统一到一个总体世界多个视觉传感器组成，汽车车轮视觉检测系统由坐标系中对测?数据进?处?，也就是说必须知道十二个视觉传感器组成，每个传感器模型参数通各个传感器坐标系相对这一总体世界坐标系的位置过局部标定后，就可以分别完成相对测?，这时与方向，即旋转矢?和平移矢?。 这种位置与方向它们就象一个个小的三坐标测?机，有其特定的测关系很难通过传感器安装来获知，必须通过特定的基金项目国家自然基金资助（）及跨世纪优秀人才支持计划资助作者简介张洪涛（一）男，博士研究生，主要从事计算机视觉、激光测?技术及嵌入式系统开发，；段发阶（一）男，学院教授，主要从事计算机视觉、光纤检测技术；王学影（一）女，博士研究生，主要从事计算机视觉、三座标测?技术；叶声华（一）男，博士生导师、中国工程院院士，主要从事激光及光电检测及机器视觉技术的研究。 传感技术学报生手段在测?现场求得，本文讨论两种坐标统一方法，并在文后给出实验结果。 坐标统一基本方法现有针对多传感器视觉测?系统的坐标统一标定方法?多，传统的方法是利用一个已知精确工件时常插入系统作为坐标统一时的标定依据，这种方，法称为“金规校准”（）。 还有一种是。 “银规校准”（）法，该方法是使用一已知的但?必精确的工件作为标准件定期标定系统，该标准件是将一般加工件送到坐标测?机（）中精确测?后生成的。 这两种方法均采用标准件作为坐标统一标定工具，标定后系统正式测?的数据均是相对标准件的偏差数据。 然而，在定期标定过程中防止标准件?受损害是相当困难的。 到上世纪八十?代末，由于电子经纬仪测?站这种用于工业现场的高精度坐标测?系统的出现，为实现快速、有效、高精度坐标统一提供了有?的工具。 如图所示，由两台经纬仪组成的坐标测?系统，很容?精确建立视觉测?系统的总体世界坐标系，在测?系统的坐标统一时，各传感器有其自身的坐标系，测?系统有一个总体世界坐标系，经纬仪本身也有一个坐标系，只需要一个标定靶标，通过传感器与经纬仪对靶标上的控制点在各自的坐标系中进?测?，就可以把传感器坐标系统一到经纬仪坐标系中。 然后经纬仪再测?总体世界坐标系中的控制点，将其自身坐标系标定到总体测?坐标系中。 这样就可以把各传感器坐标系统一到总体世界坐系中。 如果总体世界坐标系?需要建立在实体上，只是给测?系统建立一个空间虚拟坐标系，这时以经纬仪自身坐标系作为总体世界坐标系就可以了。 通常坐标统一有三种方法传感器模块坐标系通过一靶标实体体现出来，经纬仪确定出实体在总体测?坐标系中的位置和方向，即完成传感器模块坐标系的统一。 传感器作为一测?模块，与外部测?设备同时对控制点进?测?，通过点的坐标转换完成传感器模块坐标系的统一，这种方法称为坐标直接统一法。 以靶标坐标系与传感器中的摄像机坐标系为中介，通过对摄像机的定位来完成传感器模块坐标系的统一，称为坐标间接统一法。 其中第一种方法需要通过精确调整将传感器模块坐标系调到与靶标实体定义的坐标系相一致，因而精度低，标定劳动强度大，所以通常使用后两种方法进?坐标统一标定，下面讨论直接法与间接法的具体工作原?。 图坐标统一原?坐标直接统一法如图所示，三维空间中的一点可用两个坐标矢?表示。 一个是在传感器模块坐标系中，即，一（）为传感器的测?结果；另一个是在总体测?坐标系下，即一（），为已标定到总体世界坐标系的经纬仪系统的测?结果。 坐标直接统一法，就是根据靶标上的?干个控制点分别在传感器坐标系与总体坐标系下形成一组和矢?对，直接计算出传感器模块坐标系到总体世界坐标系的转换。 该转换通常包括平移和旋转。 设传感器模块坐标系到总体世界坐标系的转换可定义为图坐标直接统一法一?（）其中一为旋转矩阵，一（）为平移矢?。 式（）可用齐次坐标表示为，令一（）为传感器模块坐标系到总体世界坐标系的转换矩阵，它包括个参数，这?旋转矩阵是正交矩第期张洪涛，段发阶等多传感器视觉测?系统坐标统一技术研究阵，它满足正交约束一（）式（）提供了六个正交约束方程，因此式（）或（）仅有六个独立参数，至少给出三个控制点的坐标矢?对即可确定转换矩阵。 坐标间接统一法坐标间接统一法是通过多次中间坐标系转换来完成传感器到总体世界测?坐标系的坐标统一。 在视觉传感器中，摄像机坐标系与传感器坐标系之间有着确定的关系，它们之间的关系由传感器标定求出。 如图所示，只要知道靶标坐标系与总体世界坐标系以及摄像机坐标系之间的关系，就可以求出传感器坐标系与总体世界坐标系之间的关系。 间接坐标统一法的实现过程如下。 图坐标间接统一法（）确定摄像机与靶标坐标系之间的位置和方向，即一?（）式中一（）为靶标上的控制点在摄像机坐标系下的齐次坐标矢?；一（）为靶标上的相应点在靶标坐标系的齐次坐标矢?；矾一言为摄像机坐标系到靶标坐标系的转换矩阵，它由的平移矢?和的旋转矩阵组成；（）用经纬仪系统确定靶标坐标系在总体测?坐标系下的位置和方向，即一?（）式中一为靶标坐标系到总体测?坐标系的转换矩阵，（）根据摄像机坐标系与传感器坐标系之间的关系实现坐标统一。 设传感器中摄像机坐标系与传感器模块坐标系的关系为平?网格线靶标（）式中一（）为靶标上的点在传感器模块坐标系下的齐次坐标矢?，成一为传感器模块坐标系到摄像机坐标系的转换矩阵，它由传感器局部标定确定，是已知的。 由式（）、（）和（）可得一?（）令一；?巩?噬（）就是传感器模块坐标系到总体测?坐标系的转换矩阵。 由上面公式推导可知，要确定转换矩阵，需利用靶标上的控制点确定和。 但实际上，在坐标统一过程中摄像机与经纬仪系统无需测?相同的控制点，因此可用靶标坐标系定义的两组控制点分别确定和。 靶标设计在多传感器视觉系统中，测?结果精度取决于坐标系间的转换精度，由上文分析可知，靶标控制点的坐标提取精度直接影响整个系统的坐标统一精度，所以靶标要精心设计，使其控制点?仅适于经纬仪的测?而且要适于视觉传感器提取，本研究使用平?网格线靶标，如图所示，平?线间交点作为控制点，在视觉传感器中可采用平?线拟合算法高精度提起直线方程，并进而提取控制点坐标，提取精度可达到。 在计算坐标转换方程式（）和（），一般要取多个控制点，如个左右，这样可采用最乘的方法保证转换精度。 图平?网络线靶标坐标统一实验在研究中建立了一台无缝钢管直线度在线准直测?实验装置，如图所示，它由个线结构光视觉传感器组成，每两个一组，分别放置在钢管的两侧，同时测?一个外圆截面的中心三维坐标，图中只画出了钢管一侧的三个视觉传感器。 通过细丝控制传感技术学报血点法将每组中的两个视觉传感器的光平面调整到一个平面上，它们使用一个传感器坐标系，因此实际只有三个传感器坐标系需要统一。 实验装置建立好之总结在前面介绍的两种坐标统一方法中，直接坐标后对各个传感器模型参数进?标定，然后利用两个电子经纬仪组成空间坐标测?系统对各传感器坐标系进?了坐标直接统一，坐标统一结果如表所示。 为了验证坐标统一方法的正确性，利用此实验装置对一段长，直径的无缝钢管直线统一法常用于线结构光视觉传感器的坐标统一。 一般来说，在传感器坐标统一之前，需要对视觉传感器的内部参数（摄像机几何与光学参数）与外部参数（摄像机与光平面的位置关系）进?标定，通常这种局部标定是分别进?的，首先标定内部参数，再标定外部参数。 如果采用直接坐标统一法，在坐标统一度在?同位置进?了准直测?，测?结果如表所示，由表可以看出上述坐标统一方法是正确可?的，且具有相当高的精度，实验装置的测?精度达到，应该要说明的是，在实验装置各视觉传感器坐标统一时，总体世界坐标系的建立使用的是长为的普通钢板尺作为溯源基准，如果使用高精度殷钢尺作为溯源基准，坐标统一精度会?高。 时就可以同时求出传感器外部参数，?必先标定其外部参数。 而坐标间接统一法常用于双目视觉传感器的坐标统一，由于在坐标统一过程中视觉传感器与经纬仪?需要瞄准靶标上的相同点，因此可以根据传感器与经纬仪的测?特点，在靶标上设置?同的控制点，这样可以提高坐标统一的精度。 由于多传感器视觉测?系统常常由单目线结构光视觉传感器与双目视觉传感器共同组成，完成复杂的测?任务，因此在坐标统一时两种坐标统一方法常常都要用到。 参考文献激光器摄像机卢荣胜视觉准直在线测?技术研究天津大学博士后研究工作报告图无缝钢管视觉准直装置实验表视觉准直测?实验装置标定结果卢荣胜孙长库，叶声华无缝钢管直线度视觉准直在线实时检测系统的研究天津大学学报，段发阶计算机视觉检测技术基础?论研究博士论