摘 要: 光学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. 针对工业现场精密测量的需求, 分析了立体视觉原理以及通用坐标测量的数学模型.目前系统的精度接近± 0. 1 mm/ m, 整个系统已初步成型, 能够对实物工件进行测量, 其测量精度、自动化程度令人满意.
关键词: 数字近景摄影测量; 双目立体视觉; 光学坐标测量系统; 三维CAD
现代工业对精密测量技术提出了越来越高的要求, 测量的方式、方法正向多样化发展. 对几何量测量来说, 其测量尺度正在向两个极端发展——小尺寸方向和大尺寸方向. 小尺寸方向正在进行微米测量和纳米测量的研究与应用; 大尺寸测量主要指几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等的测量. 由于我国国民经济的快速发展, 在航空航天、电子、汽车、造船、通讯、核工业、水利水电、武器装备等行业和领域中的生产和工程中都已对大尺寸测量提出了期望和明确要求.
目前, 工业检测中大尺寸工件的测量使用较多的设备是三坐标测量机( CMM) 、电子经纬仪、全站仪等. 这些传统的三坐标测量机测量速度、效率和灵活性已不能满足快速发展的工业需求. 如今, 不但需要坐标测量机的测量速度快, 测量效率高, 而且需要在工业现场进行测量.
光学坐标测量技术是一种先进的测量手段, 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. 此测量系统目前理想的测量范围为3 m x 3 m 的空间, 随着研究的深入, 其测量范围可以扩大到5 mx 5 m 甚至8 m x 8 m 的空间. 在如此大的测量空间内, 其测量精度在1 m 的范围内可以达到0. 1 mm. 这样的测量空间和测量精度可满足很大一部分工业现场精密测量的要求[1] .
1 双目立体视觉三坐标测量技术及其数学模型
立体视觉三坐标测量技术是获取空间点三维信息的技术基础, 它的实现工具是双目激光立体视觉传感器, 它主要由左右摆放的两个摄像机组成, 其结构示意图及相应的数学模型如图1 和图2 所示.
两台相对位置固定的摄像机与被测物体构成三角形, 被测物体在两像面上形成立体图像对, 然后进行相关特征点匹配, 最后通过计算左右两幅图像中相关点的视差来获取被测物体的三维空间位置或尺寸.
采用透视成像模型, 空间点P(x s , ys , zs ) 在左右相机坐标系下的坐标为( x 1 , y 1, z 1 ) 和(x 2 , y 2 , z 2 ) , 在左右相面坐标系下的坐标为(X 1 ,Y1 ) 和(X 2 , Y2 ). 则有:
上式中R 和T 的参数, 以及摄像机的内部参数的求取, 是局部标定需要完成的工作. 具体的方法可以参考文献[ 2] .
2 光学坐标测量系统
2. 1 光学坐标测量系统基本组成
① 两台CCD 摄像头; ② 计算机系统③ 基准尺; ④ 靶标测头
其中, CCD 摄像头采用了megplus6. 3i, 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, 用来控制摄像头、解算、处理图像, 是光学坐标测量系统的核心设备. 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, 用来确定两台摄像头之间的位置关系. 为方便图像的采集、处理,特征点的匹配, 在基准尺及靶标中的特征点全部采用点状激光器. 如图3 所示, 靶标上除三个激光点外, 还有一个陶瓷球, 用于与被测物体接触.
2. 2 光学坐标测量系统测量过程
如图4 所示, 在测量时, 测量人员手持靶标接触被测点, 两台CCD 摄像机同时对靶标进行拍照. 在已知两台CCD 摄像机位置关系的情况下, 通过立体视觉测量原理可以计算出靶标上三个点状激光器标记点的空间坐标. 在靶标坐标系中, 测球与三个点状激光器标记点的相对位置是事先固定好并且严格定位过的, 于是通过三个点状激光器标记点的空间位置可以确定测球的空间坐标位置, 达到测量的目的.光学坐标测量机在实际测量中事实上是以靶标为中介完成接触式测量, 工作的方式有些类似三坐标测量机, 需要注意的是每次测量解算后得到的点坐标实际上是靶标测球的球心坐标, 在实际应用中还要对其进行测球球心的半径补偿.
3 实验结果
3. 1 相机定向试验
相机定向过程中, 在1. 7~ 2. 7 m 工作距离内,对标准长为1 003. 418 mm 的标准尺( 通过经纬仪解算出) 进行定向试验. 把基准尺依次均匀摆放在测量空间中的6 个位姿, 进行了十组定向实验, 定向解算后数据如表1。
试验表明目前系统的精度接近± 0. 1 mm/ m,目前整个系统已初步成型.
3. 2 对实际物体测量
如图5 所示, 对实际立方体实物上面的5 个孔进行测量, 该图为实测物的数模图形, 测量值可用区别与数模图形的颜色在图上显示出来. 其中, 4 个大孔的标准直径为24 mm, 1 个小孔的标准直径为15mm. 通过光学坐标测量系统测量后, 4 个大孔的测得直径分别为24. 12 mm, 24. 08 mm, 23. 87 mm,24. 09 mm. 1 个小孔的测得直径为14. 97 mm.
如图6 所示, 对直径为30 mm 的标准球体测量, 光学坐标测量系统测得的直径为29. 87 mm. 试验表明,该系统已经能够对实物工件进行测量, 精度令人满意.
4 结 论
本文在对坐标测量系统的一些关键技术进行了深入研究的基础上, 结合实际做了初步的应用. 同时设计开发出基于Access 数据库和基于三维CAD 模型的软件系统. 目前整个系统已初步成型, 能够对实物工件进行测量, 系统的精度接近正± 0. 1 mm/ m, 其测量精度、自动化程度令人满意. 该系统的进一步改进工作正在进行中, 包括靶标、基准尺的外形美化设计, 测量软件功能的进一步完善, 使其产品化, 在相关单位推广该系统的应用.
参考文献:
[ 1] 叶声华, 王仲, 曲兴华. 精密测试技术展望[ J] . 中国机械工程,2000, 11( 3) : 262-264.
[ 2] 王. 视觉传感器的优化设计及标定方法的研究[ D] . 天津: 天津大学, 1999. 1.
[ 3] Fryer J G. Int roducti on ( of Phot ogram met ry) [ M] . Atkins onK B ( Ed. ) , C lose Range Ph ot ogrammet ry and Machine V-ision. Caithn ess : Whit t les , 1996, 1-8.
[ 4] Cooper M A R, Robs on S. Th eory of Cl ose Range Phot ogrammetry[ M] . Atkin son K B ( E d. ) , Close Range Phot ogrammetry and M achine Vis ion . Caithness: Wh itt l es, 1996, 9-51.
[ 5] Gruen A. Development of Digit al Meth odol ogy and Sy st ems[ M] . Atkins on K B ( Ed. ) , Close Ran ge Phot ogramm et ry an dMachine Vi sion. Caithn ess : Whit t les , 1996, 78-105.
[ 6] Gruen A. Development of Digit al Meth odol ogy and Sy st ems[ M] . Atkins on K B ( Ed. ) , Close Ran ge Phot ogramm et ry an dMachine Vi sion. Caithn ess : Whit t les , 1996, 78-105.
[ 7] T hompson E H . Ph ot ogrammetr y an d Su rveying [ M ] . L ondon: Phot ogrammet ric S ociet y, 1977.
[ 8] Beynon J D E, Lamb D R. Ch arge Coupled Devices and T hei rApplicat ions[ M] . London: McGrawH ill, 1980.
[ 9] Real R R. Mat rix Camera w ith Digit al Im age Processing inPhot ogramm et ric Applicat ions [ M ] . Proc. ASP conventi on ,Washin gt on D. C. , 1983: 255-266.
[ 10] H aggren H. New Vist as f or Indu st rial Ph ot ogrammet ry[ J ] .Int ernat ional Archives of Phot ogramm et ry and Rem ote S ensing,1984, 25( A5) : 382-391.
