CN102207371B

CN102207371B - 一种三维点坐标测量方法及测量装置

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Publication number: CN102207371B
Application number: CN2011100627955A
Authority: CN
Inventors: 秦大辉; 毛婷; 王泽根; 刘福臻; 杨艳梅
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102207371A

Abstract

一种三维点坐标测量方法及测量装置，解决系统的柔性和测量速度，满足现场测量和不易测量点的测量和降低制造成本的问题，方法的方案是，建立摄像机坐标系，标定出测量探头固定标志点的在光笔坐标系的三维坐标，计算出测量探头上一组固定标志点在摄像机坐标系坐标系下实施测量时刻的空间三维坐标和测量探头坐标系下的三维坐标，建立实施测量时刻两个坐标系的逻辑关系，标定球形测头的球心点在测量探头坐标系的三维坐标，利用前述结果，在测量时刻测算出测量探头前端球形测量头与被测点接触获测量点的坐标。测量装置，包括支架、摄像机、测量探头和配套的计算机和配套软件构成，摄像机为两台,固定在支架上，球形测量头固定在T形杆的前端，一组标志点呈T形固定在T形杆上。其优点是，柔性好和测量速度快，可实施不易测量点的测量和成本低。

Description

一种三维点坐标测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于精密测量领域，将接触式测量和非接触式测量这两种方法有机结合，特别是一种测量探头和任意移动的便携式三维坐标测量方法及测量装置。

背景技术

三坐标测量机方面已经非常成熟，根据目前的测量设备的发展状况，按通常的分类，可以把测量系统分为三坐标测量系统、柔性三坐标测量系统和以三维激光扫描测量系统、光学照相扫描测量系统等为代表的结构光扫描测量系统等。接触式的三坐标测量系统测量技术已经非常成熟，即使是结构光扫描三维测量手段日益普及的今天，传统CMM仍是占市场份额最大的三维测量手段。一般来讲，传统CMM具有精度高、可靠性好、技术成熟等特点，但测量速度慢、对被测物体的大小和重量有一定要求，并且需要比较严格的实验室环境。所以，测点量要求较少的标准件的高精度测量一般都采用传统CMM。

目前柔性测量臂的研制开发已成为逆向工程研究的热点。世界上柔性测量臂制造厂有十多家，主要的有：美国CIMCORE（ROMER-USA）、法国ROMER公司、美国FARO公司、日本Vectron公司，德国ZettMess公司、意大利的Garda公司等。

上述的便携式三坐标测量机相对于传统的三坐标测量机具有更好的便携性、灵活性和现场检测能力，因此大大降低了对测量环境的限制，扩大了三维测量的应用场合。但是，现有柔性测量臂具有制造成本高，设备复杂，对测量现场要求较高，一次测量范围受到臂长的限制，测量速度慢，测量效率低等弱点。

以三维激光扫描测量系统和光学照相扫描测量系统等为代表的结构光扫描测量系统，具有测量速度快的优点，能够在短时间内获取大量的测量数据，但是却有两个重大的缺点，一是无法进行单点测量，不能有选择的、单独的获取某些点的坐标；二是有断光干扰，不能对深孔、遮光部分等位置进行测量。

发明内容

为更好发挥便携式三坐标测量使用方便的优势，同时提高测量系统的柔性和测量速度，并尽可能满足各种现场测量，更适应对深孔、遮光部分等不易测量点的测量和降低便携式三坐标测量仪器的制造成本，本发明公开一种三维点坐标测量方法及测量装置，该方法结合接触式测量和非接触式测量这两种方法，建立的数学模型通过测量探头与被测点接触，对检测点三维坐标进行确定。有效地克服目前三坐标测量机柔性低、造价高以及非接触式扫描仪不能探测内表面等遮光部分、能够单独测量某个点的缺陷。

本发明实现测量方法的发明目的采用的技术方案是，一种三维点坐标测量方法，该方法是通过测量探头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头部分图像信息，通过配套的计算机软件确定被测点的三维点坐，该方法通过以下步骤实现：

⑴、建立摄像机坐标系，对固定设置的两台CCD摄相机，利用相机自标定算法，解算出摄相机的内部参数和两个摄相机的相对方位，从而建立摄相机坐标系；

⑵、根据双目立体视觉匹配算法计算出测量探头上固定设置的一组标志点Pg1-PgN在摄像机坐标系下实施测量时刻的空间三维坐标，采用光束法平差的原理标定测量探头上固定设置的该组标志点Pg1-PgN在测量探头坐标系下的三维坐标；

⑶、通过一组固定在测量探头上点Pg1-PgN在探头坐标系下的三维坐标和实施测量时刻在摄像机坐标系下的三维坐标，可以确定实施测量时刻的测量探头坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，从而建立实施测量时刻两个坐标系的逻辑关系；

⑷、采用测量探头单点多姿态的标定算法，来标定出测量探头前端球形测头的球心点Pg在测量头坐标系的三维坐标；

⑸、在测量的时候，测量探头前端球形测量头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头上不少于3个以上标志点的图像信息，配套的计算机软件重复步骤（3）建立测量时刻的两个坐标系的逻辑关系并利用步骤（4）的标定结果，即可实时获得测量探头前端球形测量头的球心点Pg在摄像机坐标系下的三维坐标，配套的计算机软件在通过测量探头前端球形测量头的球心点Pg的三维坐标值确定被测点在摄像机坐标系中的三维坐标，并保存在配套的计算机的数据库中，重复上述测量过程，可以完成对n个测量点的测量。

本发明实现测量装置的发明目的采用的技术方案是，一种三维点坐标测量装置，包括支架、CCD摄像机、测量探头和配套的计算机和配套软件构成，配套软件是采用本发明所述的三维点坐标测量方法实现的，所述的CCD摄像机为两台,并固定在支架上，所述的测量探头包括T形杆、球形测量头和一组标志点，球形测量头固定在T形杆的前端，一组标志点呈T形固定在T形杆上。

本发明的有益效果是，测量探头可以灵活探测到各种内外表面的点，如可以伸入深孔、内表面等，而测量探头上的标志点暴露于CCD摄像机可探测到的区域。本发明作为三坐标测量以及非接触式测量的有力补充，扩大了物体的测量范围。本发明测量系统简单可靠，又可以消除非接触式测量时的测量死角，具有体积小、重量轻、测量范围大、使用灵活方便、便于携带及现场使用等突出优点。

本发明的与其它测量系统相比具有一些优点：

（1）测量探头、CCD摄像机和被测物体三者之间或摄像机与摄像机之间不需要严格精确的安装定位，因此可根据被测物体特点灵活调整摄像机的位置，大大方便了现场使用，增强了系统的柔性。

（2）测量探头和视觉测量系统的结合提供了传统三坐标测量机的所有优点,并且不带来任何限制。同时,该系统的适用性鼓励了广泛领域的操作者，他们不必是操作视觉检测系统的照相测量专家。传统的三坐标测量机,以及参考系统,移动部分,和很难操纵的操纵杆系统,不能提供对任意选中点的及时,简易的测量,但这对于测量探头来说,是很容易做到的。

（3）测量探头、摄像机和被测物体三者之间不需要严格精确的安装定位，因此可根据被测物体特点灵活调整摄像机的位置，方便现场使用，增强了系统的柔性。

（4）摄像机摄取得是测量探头上标志点的图像而不是测点处的图像，所以测量不受被测物体表面的几何形状、表面曲率和材质的影响，这是以往的光学测量法最为头痛的事。而且有些难测的位置或盲点，可通过改变测量探头的长度和形状来进行测量。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

附图1为本发明的装置示意图。

附图2为测量探头示意图。

附图中，1、CCD摄像机，2、支架，3测量探头，3-1、T形杆、3-2、球形测量头，Pg1-PgN、标志点，4、计算机。

具体实施方式

一种三维点坐标测量方法，该方法是通过测量探头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头图像信息，通过配套的计算机软件确定被测点的三维点坐，该方法通过以下步骤实现：

⑴、建立摄像机坐标系，对固定设置的两台CCD摄相机，利用相机自标定算法，解算出摄相机的内部参数和两个摄相机的相对方位，从而建立摄相机坐标系。

⑵、根据双目立体视觉匹配算法计算出测量探头上固定设置的一组标志点Pg1-PgN在摄像机坐标系坐标系下实施测量时刻的空间三维坐标，采用光束法平差的原理标定测量探头上固定设置的该组标志点Pg1-PgN在测量探头坐标系下的三维坐标。

标定出在测量探头坐标系下一组标志点的三维坐标Pg1（xg1，yg1，zg1），Pg2（xg2，yg2，zg2），…，PgN（xgN，ygN，zgN）。本发明实施例中，一组标志点设置为5个，即N=5。

⑶、通过一组固定在测量探头上的标志点Pg1-PgN，在探头坐标系下的三维坐标和实施测量时刻在摄像机坐标系的三维坐标，可以确定实施测量时刻的测量探头坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，从而建立实施测量时刻两个坐标系的逻辑关系。

⑷、采用测量探头单点多姿态的标定算法，来标定出测量头前端球形测量头的球心点Pg在测量头坐标系的三维坐标。

所述的测量探头单点多姿态的标定算法，是采用测量探头前端球形测量头的球心Pg点的标定则采用单点多姿态的自标定方法进行标定。将球形测量头的球心Pg点放置到标定块的圆锥孔内，对圆锥孔的设计要求是要保证球形测量头不会触底，同时要保证球形测量头位置在旋转、倾斜一定角度的情况下，测量探头除球形测量头之外的其他任何部分不会接触到圆锥孔的侧壁。把球形测量头放入圆锥孔后，保证球形测量头和锥孔的四周充分完全接触，这样在测量探头倾斜一定角度后，球形测量头的中心点Pg的空间位置没有发生任何改变。

在球形测量头中心点Pg的同一个位置获得了测量探头的n个姿态，两台CCD摄像机采集获得了n对球形测量头图像，那么通过双目立体视觉测量算法，就可以获得n组测量探头标志点Pg1~PgN在摄像机坐标系下的三维坐标（以下公式中标志点设置5个，即N=5）：

，i=1，2，…，n-1，n。

再根据此前通过标定获得的球形测量头上N个标志点Pg1~PgN在球形测量头坐标系下面的三维空间坐标：

，i=1，2，…，n-1，n。

便可得到方程：

（1）

为了得到测量探头相对于摄像机的姿态，通过SVD法求出上述方程（1）测量探头坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T。

先设球形测量头中心点Pg在测量探头坐标系的坐标为Pg=[xgp，ygp，zgp]^T，在摄像机坐标系的坐标为Pc=[xgc，ygc，zgc]^T，则根据式(1)可得到如下方程组：

（2）

由于方程组是个线性方程组，未知数为3个，因此只要n≥2即可解算出Pg，为了增加稳定性和可靠性，本系统两台CCD摄像机拍摄至少6组共12幅图像，通过最小二乘法来求球形测量头中心点在测量探头坐标系的坐标Pg。

标定出了Pg后，在实际测量中，即可代入式(1)中，求出球形测量头中心在摄像机坐标系的坐标，即可得到被测物体点的三维坐标。从而实现了基于双目立体视觉的接触式测量。

⑸、在测量的时候，测量探头前端球形测量头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头上不少于3个标志点的图像信息，配套的计算机软件重复步骤（3）建立测量时刻的两个坐标系的逻辑关系并利用步骤（4）的标定结果，即可实时获得测量探头前端球形测量头的球心点Pg在摄像机坐标系下的三维坐标，配套的计算机软件在通过测量探头前端球形测量头的球心点Pg的三维坐标值确定被测点在摄像机坐标系中的三维坐标，并保存在配套的计算机的数据库中，重复上述测量过程，可以完成对n个测量点的测量。

本发明依据上述方法，设计的一种三维点坐标测量装置，包括支架、CCD摄像机、测量探头和配套的计算机和配套软件构成，配套软件是采用权利要求1所述的三维点坐标测量方法实现的，所述的CCD摄像机1为两台,并固定在支架2上，所述的测量探头3包括T形杆3-1、球形测量头3-2和一组标志点Pg1-PgN，球形测量头3-2固定在T形杆3-1的前端，一组标志点Pg1-PgN呈T形固定在T形杆3-1上。所述一组标志点Pg1-PgN不少于3个。

该装置由一支专门设计的测量探头3、两台高分辨率的CCD摄像机1、专用标定附件和一台装有配套软件系统的计算机4所组成。

所述测量探头3是该装置的核心，测量探头3包括T形杆3-1、球形测量头3-2和一组标志点Pg1-PgN，T形杆3-1前端处装有球形测量头3-2，T形杆3-1要求与球形测量头3-2紧固在一起，不能有松动，其上贴有至少3个或者3个以上的标志点Pg1-PgN，标志点Pg1-PgN在T形杆3-1上成T型分布。为了增加系统的稳定性和准确性，同时考虑到T形杆3-1的尺寸，本本发明实施例设置5个标志点。

所述两个CCD摄像机1固定在长方形金属板的两侧，两个CCD摄像机1的光心轴夹角在20至60度之间，CCD摄像机1与装有图像采集卡的计算机4连接。

测量前，需要对系统进行标定，其中包括两个摄像机1的标定，T形杆3-1上标志点的标定和球形测量头3-2中心位置的标定。

CCD相机1的标定可以计算出在双目摄像机所定义的坐标系下的空间三维坐标，T形杆3-1上标志点Pg1-PgN的标定和球形测量头3-2中心位置的标定可以确定在测量探头坐标系下标志点空间三维坐标和球形测量头3-2中心点在测量探头3坐标系的坐标。

有了上述的标定，就可以求出两个坐标系之间的3×3旋转矩阵R和3×1平移列向量T。

建立了两个坐标系明确的转换关系后，根据事先标定出的球形测量头3-2中心点在测量探头坐标系的空间三维坐标，便可求解出球形测量头3-2在摄像机坐标系的三维坐标

在测量时，两个CCD摄像机1是固定不动的，手持测量探头在不同的地方测量，测量探头测量的点的三维空间坐标都是在CCD摄像机坐标系下，从而实现了手持式测量探头测量系统的视觉三维坐标测量。

测量时，只需将球形测量头3-2接触测头接触物体上的待测点，CCD摄像机1摄取测量探头上的标志点Pg1-PgN的图像，图像采集卡采集CCD摄像机图像并将数据传送给计算机，计算机处理后便可计算出球形测量头3-2的三维坐标Pg（xg，yg，zg）。

该测量装置具备如下特征:

1、功能强。

该系统结合了接触式测量和非接触式测量两种方法。能给出测量范围内空间任意测点的xyz三维坐标，是一个完整的三坐标测量系统，能完成单一几何要素的尺寸与形状的测量和关联要素的位置测量等多种功能。该系统可以有效地克服目前三坐标测量机柔性低、造价高以及非接触式扫描仪不能探测内表面的点及单独测量某个点的缺陷，且能够有效消除非接触式测量时的测量死角。

2、便携性好，柔性高。

整个测量系统的质量在10-20kg左右，而不是如现在的三坐标测量机重数千公斤。且组建灵活、操作简单。因此，可把它携出室外或在某个大型工件的所在地进行现场测量。

3、没有复杂的机械结构，造价低，同时，量程大，精度高。

测量空间范围达到米级，测量精度达到0.2mm级。

本发明涉及的理论参看文献如下：

⑴、Z Zhang. Flexible camera calibration by viewing a plane from unknown orientations. Pro. Of 7 th Int. Conference on Computer Vision, Kerkyra, Greece. 1999: 666-673.

⑵、陈厚道. 面向快速成形的反求工程关键技术的研究：[硕士论文]. 武汉：华中科技大学，2003。

⑶ Ezio Malis ，Adrien Bartoli.Euclidean Bundle Adjustment Independent on Camera Intrinsic Parameters[J]，Rapport de recherchen, 2001,(12):4377～4386

⑷ Bill Triggs, Philip McLauchlan, Richard Hartley .Bundle Adjustment —A Modern Synthesis.In Proceedings of the International Workshop on Vision Algorithms:Theory and Practice,1999, (1):298～372。

⑸ Z.Zhang and Y.Shan.Incremental Motion Estimation through Local Bundle Adjustment. MicrosofTcehnical Rrport :MSR-TR-01-54,Microsoft Research, 2001:1～36。

⑹ Manolis I.ALourakis and Antonis A.Argyrous. The Design and Implementation of a Generic Sparse Bundle Adjustment Software Package Based on the Levenberg-Marquardt Algorithm .Technical Report:TR-340-FORTH-ICS, 2004:1～28。

Claims

1.一种三维点坐标测量方法，该方法是通过测量探头与被测点接触，两台CCD摄像机采集测量探头图像信息，通过配套的计算机软件确定被测点的三维点坐，其特征在于：该方法通过以下步骤实现：

⑶、通过一组固定在测量探头上的标志点Pg1-PgN在探头坐标系下的三维坐标和实施测量时刻在摄像机坐标系的三维坐标，可以确定实施测量时刻的测量探头坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，从而建立实施测量时刻两个坐标系的逻辑关系；

⑷、采用测量探头单点多姿态的标定算法，来标定出测量头前端球形测量头的球心点Pg在测量探头坐标系的三维坐标；

2.根据权利要求1所述的一种三维点坐标测量方法，其特征在于：步骤⑷测量探头前端球形测量头的球心点Pg三维坐标，是采用将测量探头前端球形测量头的球心为转动点，两台CCD摄像机采集大于2种不同位置姿态下的测量探头的图像，配套的计算机软件即可通过标志点Pg1-PgN的三维坐标值确定测量探头前端球形测量头的球心点Pg 在探头坐标系下的三维坐标值。