測(cè)量棋盤(pán)格標(biāo)定板11上的標(biāo)定板靶 球10,得到標(biāo)定板靶球在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(VCYZ下的空間坐標(biāo)，同時(shí)我們利用左右相機(jī)拍 攝棋盤(pán)格標(biāo)定板11，根據(jù)已知的內(nèi)外參數(shù)矩陣，便可以知道四個(gè)標(biāo)定板靶球10在當(dāng)前相機(jī) 的世界坐標(biāo)系〇wXYZ下的坐標(biāo)，根據(jù)同一點(diǎn)在不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)，可以得到激光跟蹤儀坐標(biāo) 系0JYZ和世界坐標(biāo)系0WXYZ的位置變換關(guān)系，也即為一個(gè)旋轉(zhuǎn)平移矩陣X1=[RiTJ，由于 相機(jī)坐標(biāo)系(\XYZ和世界坐標(biāo)系0WXYZ的關(guān)系已知（外參數(shù)矩陣），這樣就能得到相機(jī)坐標(biāo) 系(\XYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系hXYZ的位置變換關(guān)系，即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X2= [R2T2]。
[0042] 4.確定坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系和左右相機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系
[0043] 求得相機(jī)與激光跟蹤儀的位置變換關(guān)系后利用激光跟蹤儀6測(cè)量坐標(biāo)跟蹤控制 板上的控制板靶球1，然后控制步進(jìn)電機(jī)2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度從而帶動(dòng)控制板靶球1旋轉(zhuǎn)90 度，這時(shí)激光跟蹤儀6會(huì)自動(dòng)追蹤靶球的位置，測(cè)量旋轉(zhuǎn)后的靶球位置坐標(biāo)，同理步進(jìn)電機(jī) 2再次旋轉(zhuǎn)90度，激光跟蹤儀再獲得一個(gè)位置坐標(biāo)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)3上的三個(gè)位置可以得到平面 內(nèi)兩個(gè)正交向量^和^，以這兩個(gè)向量作為X坐標(biāo)軸和Y坐標(biāo)軸，并利用向量乘積得到Z軸 的單方向向量[=3x7)，利用任意三個(gè)點(diǎn)就可以建立坐標(biāo)跟蹤控制板的坐標(biāo)系0bXYZ，那么 坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系0bXYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系也可以知道，即為旋轉(zhuǎn) 平移矩陣X3= [R3T3]，再結(jié)合上面求出的相機(jī)坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ的位置變 換關(guān)系，就可以得到坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系〇bXYZ與相機(jī)坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系，S卩為旋轉(zhuǎn) 平移矩陣x4= [r4TJ。
[0044] 5?建立全局坐標(biāo)系
[0045] 完成以上的坐標(biāo)系變換求解包括左右相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，接下來(lái)進(jìn)行零件測(cè)量，選 擇需要的位置同樣放置好左、右相機(jī)4、9,保持左相機(jī)4、右相機(jī)9和坐標(biāo)跟蹤控制板的相對(duì) 位置不變，在現(xiàn)場(chǎng)放置好激光跟蹤儀6,先用激光跟蹤儀6測(cè)量坐標(biāo)跟蹤控制板上的控制板 靶球1的空間位置，然后控制步進(jìn)電機(jī)2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度并帶動(dòng)控制板靶球1旋轉(zhuǎn)，激光 跟蹤儀6會(huì)自動(dòng)追蹤控制板靶球1并測(cè)量旋轉(zhuǎn)后的控制板靶球位置坐標(biāo)，接下來(lái)同樣再次 控制步進(jìn)電機(jī)2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，從而利用激光跟蹤儀6測(cè)量第二次旋轉(zhuǎn)后控制板靶球 的空間位置，并根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)確定新的坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系〇'bXYZ，這樣就知道坐標(biāo)系 CVbXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系OiXYZ新的位置變換矩陣X5= [R5T5]，由于左右相機(jī)相對(duì)于坐 標(biāo)跟蹤控制板的相對(duì)位置無(wú)變化，那么坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系〇'bXYZ與相機(jī)坐標(biāo)系(\XYZ 和0KXYZ的位置變換關(guān)系也是不變的，這樣結(jié)合矩陣\和X5就可以快速實(shí)現(xiàn)左右相機(jī)坐標(biāo) 系(\XYZ和0KXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ位置變換，也即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X6=[R6T6]， 這樣就完成了整個(gè)視場(chǎng)的全局標(biāo)定，進(jìn)而建立了全局測(cè)量坐標(biāo)系。
[0046] 6.完成被測(cè)物體全局測(cè)量
[0047] 將被測(cè)物體放置在大視場(chǎng)全局測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量時(shí)，可以將相機(jī)的世界坐標(biāo)系 0WXYZ統(tǒng)一到激光跟蹤儀坐標(biāo)系hXYZ下，這樣左右相機(jī)的外參數(shù)也就是相機(jī)坐標(biāo)系到激光 跟蹤儀坐標(biāo)系OJYZ位置變換，也即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X6= [R6T6]。利用左、右相機(jī)4、9進(jìn) 行圖像采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)7對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，采用Hough變換方法來(lái)提取被測(cè)物的關(guān)鍵 信息，根據(jù)公式（2)、（3)、（4)完成對(duì)圖像特征輪廓的提取，其在左右相機(jī)中的對(duì)應(yīng)圖像直 線(xiàn)方程分別為S/和S2T，再利用幾何中心法結(jié)合圖像特征的點(diǎn)的像素坐標(biāo)[uv]確定圖像 二維邊緣信息，最后根據(jù)上面求解的左右相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣4和A2以及建立的全局坐標(biāo)系， 對(duì)左右相機(jī)采集的圖像特征信息進(jìn)行匹配便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)零件的三維重建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大 型零部件的全局測(cè)量。
[0048] 本發(fā)明在傳統(tǒng)視覺(jué)測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用了一種固定在三角架上可以旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)跟 蹤控制板，結(jié)合激光跟蹤儀，將相機(jī)內(nèi)外參數(shù)分離標(biāo)定，通過(guò)建立測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的全局坐標(biāo)系， 實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀與傳統(tǒng)視覺(jué)測(cè)量設(shè)備的有效結(jié)合，解決了復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)的遮擋問(wèn)題，快速實(shí)現(xiàn) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大視場(chǎng)的全局測(cè)量工作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場(chǎng)全局測(cè)量方法，其特征是，該測(cè)量方法采用了安 裝在轉(zhuǎn)接支架上的坐標(biāo)跟蹤控制板，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量設(shè)備與激光跟蹤儀在具有非共同視場(chǎng)情 況下的有效結(jié)合，將左右相機(jī)內(nèi)外參數(shù)分離標(biāo)定，建立測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的全局坐標(biāo)系，從而完成基 于大視場(chǎng)的全局測(cè)量；方法的具體步驟如下： 第一步安裝大視場(chǎng)全局測(cè)量系統(tǒng) 1)將控制板靶球（1)固定在圓形的轉(zhuǎn)盤(pán)（3)上，再將步進(jìn)電機(jī)（2)安裝在轉(zhuǎn)接支架（8) 上，步進(jìn)電機(jī)（2)的輸出端連接轉(zhuǎn)盤(pán)（3)，轉(zhuǎn)盤(pán)（3)、步進(jìn)電機(jī)（2)和控制板靶球（1)構(gòu)成了 坐標(biāo)跟蹤控制板；坐標(biāo)跟蹤控制板通過(guò)轉(zhuǎn)接支架8安裝在相機(jī)安裝板（12)中部，相機(jī)安裝 板（12)安裝在三腳架（5)上；再將左、右相機(jī)（4、9)分別安裝在相機(jī)安裝板（12)的兩端； 左、右相機(jī)（4、9)和激光跟蹤儀（6)都與計(jì)算機(jī)（7)相連接，組成大視場(chǎng)全局測(cè)量系統(tǒng)； 第二步測(cè)量前準(zhǔn)備步驟 1) 相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定 利用張氏標(biāo)定法結(jié)合棋盤(pán)格標(biāo)定板（11)進(jìn)行標(biāo)定，先在棋盤(pán)格標(biāo)定板（11)的右半部 分上下對(duì)稱(chēng)安裝四個(gè)標(biāo)定板靶球（10)，并利用激光跟蹤儀（6)結(jié)合標(biāo)定公式（1)進(jìn)行標(biāo) 定：其中[U V 1^是拍攝棋盤(pán)格標(biāo)定板角點(diǎn)圖像的二維像素坐標(biāo)組成的齊次矩陣，[Xw YwZw 1]τ是棋盤(pán)格標(biāo)定板1上角點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)組成的齊次矩陣（世界坐標(biāo)），完成相機(jī)內(nèi) 參數(shù)標(biāo)定。 2) 確定激光跟蹤儀坐標(biāo)系和左右相機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系 利用激光跟蹤儀（6)測(cè)量標(biāo)定板靶球（10)，得到標(biāo)定板靶球（10)在激光跟蹤儀坐標(biāo) 系O1XYZ下的空間坐標(biāo)，結(jié)合已知的內(nèi)外參數(shù)矩陣，便可以知道四個(gè)標(biāo)定板靶球在當(dāng)前相機(jī) 的世界坐標(biāo)系OwXYZ下的坐標(biāo)，進(jìn)而得到激光跟蹤儀坐標(biāo)系O1XYZ和世界坐標(biāo)系OwXYZ的 位置變換關(guān)系，也即為一個(gè)旋轉(zhuǎn)平移矩陣X1= [R i T1]，由于相機(jī)坐標(biāo)系OJYZ和世界坐標(biāo) 系OwXYZ的關(guān)系已知（外參數(shù)矩陣），這樣就能得到相機(jī)坐標(biāo)系OJYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系 O1XYZ的位置變換關(guān)系，即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X2= [R2 T2]。 3) 確定坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系和左右相機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系 測(cè)量坐標(biāo)跟蹤控制板上的控制板靶球（1)，控制轉(zhuǎn)盤(pán)（3)轉(zhuǎn)動(dòng)以建立其坐標(biāo)系0bXYZ， 那么坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系ObXYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系也可以知道，即為 旋轉(zhuǎn)平移矩陣X3= [R3 T3]，再結(jié)合上面求出的相機(jī)坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系O1XYZ的位 置變換關(guān)系，就可以得到坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系ObXYZ與相機(jī)坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系，即為 旋轉(zhuǎn)平移矩陣X4= [R4 T4]。 4) 建立全局坐標(biāo)系 進(jìn)行零件測(cè)量時(shí)，選擇需要的位置同樣放置好左、右相機(jī)（4、9)，保持左右相機(jī)和坐標(biāo) 跟蹤控制板的相對(duì)位置不變，在現(xiàn)場(chǎng)放置好激光跟蹤儀（6)，先用激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)跟 蹤控制板上的控制板靶球（1)的空間位置，同樣控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)重新建立跟蹤控制板坐標(biāo)系 CV bXYZ，這樣就知道坐標(biāo)系(V bXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系O1XYZ新的位置變換矩陣X5= [R5 T5]，由于左右相機(jī)相對(duì)于坐標(biāo)跟蹤控制板的相對(duì)位置無(wú)變化，那么坐標(biāo)跟蹤控制板坐 標(biāo)系CV bXYZ與相機(jī)坐標(biāo)系OJYZ和OkXYZ的位置變換關(guān)系也是不變的，這樣結(jié)合矩陣\和 X5就可以快速實(shí)現(xiàn)左右相機(jī)坐標(biāo)系〇 JYZ和OkXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系O1XYZ位置變換，也 即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X6= [R6 T6]，這樣就完成了整個(gè)視場(chǎng)的全局標(biāo)定，進(jìn)而建立了全局測(cè)量 坐標(biāo)系。 第三步實(shí)際測(cè)量過(guò)程 將被測(cè)物體放置在大視場(chǎng)全局測(cè)量系統(tǒng)中，移動(dòng)三腳架（5)到需要拍攝的位置，激光 跟蹤儀（6)向被測(cè)物表面投射光條，利用左、右相機(jī)（4、9)進(jìn)行圖像采集；通過(guò)計(jì)算機(jī)（7) 對(duì)采集圖像進(jìn)行處理。采用Hough變換方法來(lái)提取被測(cè)物的關(guān)鍵信息，設(shè)被測(cè)物邊緣的參 數(shù)方程為 P = UiCos Θ +ViSin Θ (2) 其中，p為坐標(biāo)原點(diǎn)與直線(xiàn)的距離，Θ為邊緣與圖像坐標(biāo)的軸夾角；Ui、Vi分別是圖像 中特征點(diǎn)在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，則可得出空間直線(xiàn)的參數(shù)為： k = -cot Θ (3) b = P /sin θ (4) 進(jìn)而可得到輪廓邊緣的直線(xiàn)方程： y = X (-cot θ χ) + p χ/sin θ χ (5) y = χ (-cot θ r) + ρ r/sin Θ r (6) 其中，（P u Θ 〇和（p μ Θ J分別為左右邊緣方程的對(duì)應(yīng)參數(shù)，由于光條邊緣直線(xiàn)近似 平行，故光條寬度D可采用兩平行直線(xiàn)間距離公式進(jìn)行計(jì)算：其中，k為輪廓邊緣的平均斜率，用于計(jì)算輪廓間距；最后采用幾何中心法確定光條中 心；最后，將左右相機(jī)拍攝圖像的光條中心進(jìn)行匹配就可以還原被測(cè)物的三維形貌，從而完 成被測(cè)物體的測(cè)量。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場(chǎng)全局測(cè)量方法屬于視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場(chǎng)全局測(cè)量方法。該測(cè)量方法采用了安裝在轉(zhuǎn)接支架上的坐標(biāo)跟蹤控制板，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)測(cè)量設(shè)備與激光跟蹤儀在具有非共同視場(chǎng)情況下的有效結(jié)合，將左右相機(jī)內(nèi)外參數(shù)分離標(biāo)定，建立測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的全局坐標(biāo)系，從而完成基于大視場(chǎng)的全局測(cè)量。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)范圍內(nèi)復(fù)雜工況下大型零部件快速高精度測(cè)量，是一種結(jié)合多種光學(xué)元器件的測(cè)量方式。測(cè)量方法視場(chǎng)范圍大、效率高、方便測(cè)量被測(cè)零件遮擋部位，快速完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大視場(chǎng)的全局測(cè)量工作。
【IPC分類(lèi)】G01B11/00
【公開(kāi)號(hào)】CN104897060
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510338809
【發(fā)明人】劉巍, 楊帆, 張洋, 李曉東, 高鵬, 賈振元, 高航
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年6月17日