一种全空间单目光笔式视觉测量方法技术

一种全空间单目光笔式视觉测量方法。其包括建立基于精密旋转台的旋转光学系统；标定相机内参矩阵和畸变矩阵；转台转轴方向矢量和旋转中心标定；相机旋转运动模型建立；统一多次测量结果在初始相机坐标系中；完成大尺度视觉测量等步骤。本发明专利技术提供的全空间单目光笔式视觉测量方法能够快速、准确地标定出旋转光学系统转轴参数，根据转轴参数和旋转角度，结合罗德里格斯变换公式将不同角度下的测量结果统一在初始相机坐标系下，大大提高了测量尺度，甚至达到全空间测量。其意义在于在保证现有单目光笔测量系统精度的前提下，大大提高了测量范围，从而可以适应各种灵活多变的工作环境。

【技术实现步骤摘要】
一种全空间单目光笔式视觉测量方法
本专利技术属于计算机视觉三维空间坐标测量
，具体涉及一种全空间单目光笔式视觉测量方法。
技术介绍
人类是通过眼睛获取外部环境的信息，观察外部的世界。计算机视觉系统是通过使用相机采集图片，然后处理图片来获取外部世界的三维信息，因此可利用计算机视觉系统获得人类需要的信息，以满足生活、工作、医疗、科研等各个方面的要求。现在常用的测量设备中，类似三坐标测量机的传统空间坐标测量系统的测量精度高，但是存在检查设备体积庞大、不能应付灵活多变的工作环境，测量范围有限，实时性较低等不足。电子经纬仪、激光干涉仪等设备又操作复杂而且价格昂贵。光笔式视觉测量系统因为其使用简单，便携性好，鲁棒性强，测量精度高等优点被广泛关注。然而，现有的光笔测量系统只有在有限的视场范围内才能保证其准确的测量精度，而且相机要保持不动，这些因素大大限制了光笔式视觉测量系统的应用范围。因此，研究一种快速、准确、灵活的大尺度光笔视觉测量系统是空间三坐标测量系统发展的重中之重。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种全空间单目光笔式视觉测量方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的全空间单目光笔式视觉测量方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤1)建立全空间单目光笔式视觉测量系统：所述的系统包括相机、精密旋转台和带有激光标志点的光笔；其中，相机为图像采集装置，安装在精密旋转台上；精密旋转台用于将其上的相机旋转到适宜的测量角度；带有激光标志点的光笔为视觉测量工作时辅助测量工具；步骤2)标定上述系统中相机的内参数：根据小孔成像模型建立上述相机的投影模型；根据单应矩阵映射原理和非线性优化原理借助棋盘格标定板对相机进行内参矩阵和畸变矩阵标定；步骤3)获取相机旋转到不同角度时在世界坐标系下的位姿：由精密旋转台带动上述已进行过标定的相机旋转不同的角度，同时利用相机对固定不动的棋盘格标定板进行成像；然后根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系计算出不同角度下相机在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti；步骤4)计算不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标：根据步骤3)获得的不同角度下相机的旋转矩阵Ri及平移向量Ti计算出不同角度下相机在初始相机坐标系下的三维坐标；步骤5)计算精密旋转台转轴的方向矢量：利用步骤4)中获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标，使用主成分分析法拟合出相机光心所在的旋转平面方程，该旋转平面的法向量即为精密旋转台转轴的方向矢量N＝(u,v,w)；步骤6)获取相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标：利用步骤4)获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标和步骤5)拟合得到的旋转平面方程获取相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标O＝(a,b,c)；步骤7)建立相机旋转测量模型：由步骤5)中获得的精密旋转台转轴的方向矢量N＝(u,v,w)和步骤6)中获得的相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标O＝(a,b,c)获得相机旋转测量模型；步骤8)完成全空间视觉测量：将激光标志点的光笔上的笔尖对准被测物的某一部位，利用相机对被测物进行成像而获得某一测量数据，然后将笔尖对准另一部位，旋转相机并获得另一测量数据，如此反复，之后根据上述步骤7)建立的相机旋转测量模型将不同角度下相机的测量数据统一到初始相机坐标系下，由此实现被测物的全空间视觉测量。在步骤1)中，所述的相机采用CCD相机。在步骤2)中，所述的单目相机内参数标定采用Matlab中的标定工具箱或者OpenCV中的标定函数实现。在步骤3)中，所述的根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系计算出不同角度下相机在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti的方法是：根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系建立如下方程：式中，s为相机的尺度因子，[xiyi1]T为棋盘格标定板角点在图像坐标系中的坐标，[XiYiZi1]T为棋盘格标定板角点在以标定板坐标系作为世界坐标系中的空间坐标；根据上式可以计算出不同角度下相机在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti。在步骤4)中，所述的根据步骤3)获得的不同角度下相机的旋转矩阵Ri及平移向量Ti计算出不同角度下相机在初始相机坐标系下的三维坐标的公式如下：Ri1＝Ri×Ri-1Ti1＝T1-R1Ri-1Ti式中，Ri1为第i个角度下相机相对于初始位置相机1的旋转矩阵；Ti1为第i个角度下相机相对初始位置相机的平移向量，即第i个角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标。在步骤5)中，所述的利用步骤4)中获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标，使用主成分分析法拟合出相机光心所在的旋转平面方程，该旋转平面的法向量即为精密旋转台转轴的方向矢量的方法是：首先由不同角度下相机光心的三维坐标构成三维点集，然后将三维点集的每个维度都减去该维度的均值，即对三维点集进行去中心化，将均值都变为0，去中心化后的三维点集记为：然后利用上述去中心化后的三维点集计算出协方差矩阵：最后计算上述协方差矩阵C的特征值和特征向量，计算获得的三个特征值中最小的那个特征值对应的特征向量即为所求旋转平面的法向量N＝(u,v,w)。在步骤6)中，所述的利用步骤4)获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标和步骤5)拟合得到的旋转平面方程获取相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标的方法是：假设步骤5)拟合出的相机光心所在的旋转平面方程为ux+vy+wz+d＝0，N＝(u,v,w)为旋转平面的法向量；将不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标(xi,yi,zi)投影到旋转平面ux+vy+wz+d＝0上而获得三维坐标(x',y',z')，其中：x'i＝uk+xiy'i＝vk+yiz'i＝wk+zi其中k＝-uxi-vyi-wzi-d，然后将三维坐标投影到旋转平面后转化成二维平面拟合圆；取初始位置相机光心为新坐标原点，即X0＝x'0,Y0＝y'0,Z0＝z'0，第一个角度下相机光心到第二个角度下相机光心的方向定义为X轴正方向，旋转平面的法向量N＝(u,v,w)定义为Z轴正方向，则由确定的X轴和Z轴的方向即可确定出Y轴的方向，即：设X轴、Y轴和Z轴的单位向量分别为(n1x,n1y,n1z),(n2x,n2y,n2z),(n3x,n3y,n3z)，则由平面坐标转换为空间坐标的转换矩阵为：则由相机光心三维坐标转换为二维坐标的转换矩阵为：H_inv＝H-1将相机光心三维坐标转化为二维坐标：然后进行空间最小二乘圆拟合，定义误差函数为：令可得:求解上式即可求得平面拟合圆的圆心，然后使用转换矩阵H即可将二维平面上圆心的坐标转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：所述的全空间单目光笔式视觉测量方法包括按顺序进行的下列步骤：/n步骤1)建立全空间单目光笔式视觉测量系统：所述的系统包括相机(1)、精密旋转台(2)和带有激光标志点的光笔(3)；其中，相机(1)为图像采集装置，安装在精密旋转台(2)上；精密旋转台(2)用于将其上的相机(1)旋转到适宜的测量角度；带有激光标志点的光笔(3)为视觉测量工作时辅助测量工具；/n步骤2)标定上述系统中相机的内参数：根据小孔成像模型建立上述相机(1)的投影模型；根据单应矩阵映射原理和非线性优化原理借助棋盘格标定板对相机(1)进行内参矩阵和畸变矩阵标定；/n步骤3)获取相机旋转到不同角度时在世界坐标系下的位姿：由精密旋转台(2)带动上述已进行过标定的相机(1)旋转不同的角度，同时利用相机(1)对固定不动的棋盘格标定板进行成像；然后根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系计算出不同角度下相机(1)在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵R

【技术特征摘要】
1.一种全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：所述的全空间单目光笔式视觉测量方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1)建立全空间单目光笔式视觉测量系统：所述的系统包括相机(1)、精密旋转台(2)和带有激光标志点的光笔(3)；其中，相机(1)为图像采集装置，安装在精密旋转台(2)上；精密旋转台(2)用于将其上的相机(1)旋转到适宜的测量角度；带有激光标志点的光笔(3)为视觉测量工作时辅助测量工具；
步骤2)标定上述系统中相机的内参数：根据小孔成像模型建立上述相机(1)的投影模型；根据单应矩阵映射原理和非线性优化原理借助棋盘格标定板对相机(1)进行内参矩阵和畸变矩阵标定；
步骤3)获取相机旋转到不同角度时在世界坐标系下的位姿：由精密旋转台(2)带动上述已进行过标定的相机(1)旋转不同的角度，同时利用相机(1)对固定不动的棋盘格标定板进行成像；然后根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系计算出不同角度下相机(1)在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti；
步骤4)计算不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标：根据步骤3)获得的不同角度下相机(1)的旋转矩阵Ri及平移向量Ti计算出不同角度下相机(1)在初始相机坐标系下的三维坐标；
步骤5)计算精密旋转台转轴的方向矢量：利用步骤4)中获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标，使用主成分分析法拟合出相机光心所在的旋转平面方程，该旋转平面的法向量即为精密旋转台(2)转轴的方向矢量N＝(u,v,w)；
步骤6)获取相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标：利用步骤4)获得的不同角度下相机光心在初始相机坐标系下的三维坐标和步骤5)拟合得到的旋转平面方程获取相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标O＝(a,b,c)；
步骤7)建立相机旋转测量模型：由步骤5)中获得的精密旋转台转轴的方向矢量N＝(u,v,w)和步骤6)中获得的相机旋转中心在初始相机坐标系下的三维坐标O＝(a,b,c)获得相机旋转测量模型；
步骤8)完成全空间视觉测量：将激光标志点的光笔(3)上的笔尖对准被测物的某一部位，利用相机(1)对被测物进行成像而获得某一测量数据，然后将笔尖对准另一部位，旋转相机(1)并获得另一测量数据，如此反复，之后根据上述步骤7)建立的相机旋转测量模型将不同角度下相机(1)的测量数据统一到初始相机坐标系下，由此实现被测物的全空间视觉测量。


2.根据权利要求1所述的全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的相机(1)采用CCD相机。


3.根据权利要求1所述的全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的单目相机内参数标定采用Matlab中的标定工具箱或者OpenCV中的标定函数实现。


4.根据权利要求1所述的全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系计算出不同角度下相机(1)在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti的方法是：
根据棋盘格标定板坐标与图像坐标间的单应性关系建立如下方程：



式中，s为相机(1)的尺度因子，[xiyi1]T为棋盘格标定板角点在图像坐标系中的坐标，[XiYiZi1]T为棋盘格标定板角点在以标定板坐标系作为世界坐标系中的空间坐标；
根据上式可以计算出不同角度下相机(1)在标定板坐标系即世界坐标系下的旋转矩阵Ri及平移向量Ti。


5.根据权利要求1所述的全空间单目光笔式视觉测量方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的根据步骤3)获...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，李泽川，李鑫，李雁玲，徐鋆，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12