雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量技術研究

1、北京信息科技大學碩士學位論文雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量技術研究姓名：劉枝梅申請學位級別：碩士專業(yè)：測試計量技術及儀器指導教師：鄧文怡20081224摘要摘要近年來，隨著結(jié)構(gòu)光技術和近景攝影測量技術的飛速發(fā)展，基于線結(jié)構(gòu)光的面形測量與目標重建已經(jīng)成為視覺測量的重要組成部分，工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)對其提出了迫切的需求。利用線結(jié)構(gòu)光和雙攝像機可以簡單、快速地獲取待測物體表面點的空間信息。本文對雙攝像機和線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)進行了研究，主要包括系統(tǒng)的標定、結(jié)構(gòu)光圖象處理及特征點匹配等部分。在測量過程中，待測物體不動，采集系統(tǒng)作相對運動，即每次采集的空間坐標系在變化，因此，在待測物體的背景上貼個標記點，用于得到不同空間

2、坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系。在線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)中，采用平面黑白棋盤格為定標靶的非線性攝像機模型，利用張下友標定方法對攝像機標定。基于圖像特點，研究分析了圖像去噪、二值化和線結(jié)構(gòu)光光條中心線提取方法。結(jié)合實際，采用了中值濾波方法，有效地去除了孤立噪聲；選用全局閾值和動態(tài)閾值相結(jié)合的方法選取閡值對圖像二值化，便于利用模板法檢測出背景中的標記點，并求取其中心點坐標；由于光條中心的提取精度直接影響到整個系統(tǒng)的測量結(jié)果，而光條寬度不同、光照不均勻及待測物體表面性質(zhì)的差異，使得精確地提取光條中心線存在一定難度。因此，根據(jù)線結(jié)構(gòu)光的特點提出了兩種提取算法，分別采用了二值形態(tài)學細化和高斯曲線擬合兩種算法，很好地

3、恢復出目標的空間信息。并對兩者進行比較，后者提取效果更好。實驗結(jié)果表明，標定所用靶標及標定結(jié)果可靠，具有可行性；兩種線結(jié)構(gòu)光光條中心線提取方法均可在實際中應用，只是高斯曲線擬合算法精度比較高，對待測目標點的空間信息恢復更有利。本文設計的系統(tǒng)適于各種曲面及反射率較低的物體面形，最大測量范圍是左右。關鍵詞：線結(jié)構(gòu)光；雙目視覺；光條中心定位；攝像機標定，。，；，；，；，（了，：，學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解北京信息科技大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手

4、段保存論文；學校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學位論文全文或者部分的閱覽服務：學校有權(quán)按有關規(guī)定向中國科學技術信息研究所等國家有關部門或者機構(gòu)送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學校可以適當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術活動。學位論文作者簽名：參乍侮吲年具妒經(jīng)指導教師同意，本學位論文屬于保密，在年解密后適用本授權(quán)書。（注：論文屬公開論文的，作者及導師本處不簽字）指導教師簽名：學位論文作者簽名：年月日年月日碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文題目為雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量技術研究學位論文，是本人在導師指導下，進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本

5、學位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均己在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。作者繇印修穆呻年瑪弓日第章引言課題背景及意義第章引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，過去傳統(tǒng)的測量方式已不能滿足高精度制造及加工工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)產(chǎn)品如模具外形、產(chǎn)品外觀等的三維數(shù)據(jù)高精度獲取，己成為人們在測量領域中一個新的、重要的研究方向，它對加工數(shù)據(jù)的設計、加工結(jié)果的檢驗、產(chǎn)品對比分析以及對后續(xù)的加工提供數(shù)據(jù)依據(jù)都具有重大的現(xiàn)實意義。因此如何能夠大量、快速、高精度地對加工產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)進行采集已成為現(xiàn)代加

6、工工業(yè)中一個亟待解決的重要問題。近年來，隨著結(jié)構(gòu)光和近景攝影測量技術的發(fā)展，基于線結(jié)構(gòu)光的面形測量與目標重建已經(jīng)成為視覺測量的主要趨勢，也是目玎三維測量學領域的研究熱點。在三維曲面輪廓測量中，大致可分為接觸式與非接觸式兩種。接觸式測量通常是以探針或探頭直接接觸待測物表面，并配合一套運動控制軟件，逐點觸發(fā)或掃描量測之方式，測得待測物表面形貌信息。在微型組件形貌量測中，因許多組件非常脆弱，若用接觸式測量，可能會使組件遭到探針破壞；而非接觸式幾何光學量測法，不僅能避免破壞到組件，其測量精度、分辨率辦不低于探針接觸測量，而且當運用結(jié)構(gòu)光投射方式作為測量方法時，具有實時性、高效率的優(yōu)點，同時其測量系統(tǒng)成

7、本比探針式量測系統(tǒng)低，因此若將此測量系統(tǒng)發(fā)展完善必定可為物體形貌測量帶來高效率與低成本的優(yōu)勢。線結(jié)構(gòu)光測量法是視覺測量中用來獲取待測物體表面輪廓信息的常用方法。與傳統(tǒng)的三坐標測量機相比，線結(jié)構(gòu)光測量法具有非接觸、測量速度快、精度高等優(yōu)點口，因此在社會上得到了越來越廣泛的應用。計算機視覺?！?，這門學科的產(chǎn)生與發(fā)展已有幾十年的歷史，它是通過圖像或視頻數(shù)據(jù)研究周圍世界的學科，主要以攝像機采集的圖像或視頻為原始數(shù)據(jù)，提取出圖像或視頻中有用的目標信息。常用的是立體視覺中的雙目視覺原理，通過拍照獲取待測對象的三維信息。電子、光學、計算機技術同趨完善以及人們在圖像處理、模式識別、人工智能技術等領域取得了巨大

8、成就，以工業(yè)化的攝像機、半導體激光器及電子產(chǎn)品為基礎的物體三維外形輪廓非接觸、快速測量技術成為國內(nèi)外研究發(fā)展的熱點和重點。由于其具有檢測速度快、測量精度高、數(shù)據(jù)處理易于自動化等優(yōu)點，各個領域、各個行業(yè)表現(xiàn)出了急切的需求并已經(jīng)開始了廣泛的應用。三維形貌測量技術是一系列獲取物體表面三維數(shù)據(jù)的方法，大致分為結(jié)構(gòu)光式第章引言和非結(jié)構(gòu)光式。在結(jié)構(gòu)光方面，依照結(jié)構(gòu)光圖案形式不同，目前主要有點結(jié)構(gòu)光，線結(jié)構(gòu)光，面結(jié)構(gòu)光；根據(jù)應用的不同，選擇不同的技術方法。點結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點是，單點測量精度較高，但速度較慢；面結(jié)構(gòu)光掃描速度較快，測量的效率較好，但數(shù)據(jù)處理的方式較為復雜，對物體表面結(jié)構(gòu)有一定的要求；線結(jié)構(gòu)光問于兩

9、者之問，可以測量復雜的、離散的結(jié)構(gòu)，但速度稍慢心?；诰€結(jié)構(gòu)光的三維測量能夠快速、非接觸式地獲取被測目標的三維信息，能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量，對一些特殊的測量目標如重要文物、彈性塑性材料、人體等，結(jié)構(gòu)光測量方法能夠很好的完成傳統(tǒng)的測量方法所不能完成的任務；同時，結(jié)構(gòu)光測量能夠為目標重建提供大量的三維數(shù)據(jù)。本文對雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量技術的研究是基于以上背景提出的，具有重要的研究意義和實用性。立體視覺和線結(jié)構(gòu)光測量的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢立體視覺測量從世紀年代至今，在的理論框架下，立體視覺的研究者們對立體視覺的各個層次和視覺系統(tǒng)的各個階段中的各種功能模塊進行了大量的研究，取得了一大批科研成果肺。但是，隨著計算

10、機視覺研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)了理論的局限性，這些理論、方法、算法在實際應用中并沒有產(chǎn)生能完全取代人的視覺系統(tǒng)。無論是從視覺生理的角度，還是從實際應用方面來看，現(xiàn)有的立體視覺技術還處在十分不成熟的階段抽刊，計算機立體視覺系統(tǒng)的研究面臨著一系列技術難點：立體匹配作為立體視覺的核心，在理論上和技術上都還不完善。例如，如何選擇合理的匹配特征，以克服匹配準確性與恢復視差全面性間的矛盾；如何選擇有效的匹配準則和算法結(jié)構(gòu)，以解決存在嚴重灰度失真、幾何畸變、噪聲干擾、特殊結(jié)構(gòu)及遮擋景物的匹配問題；如何建立更有效的圖像表達形式和立體視覺模型，降低立體匹配的難度等。目前也還沒有一種可靠的通用的匹配方法。人類對自

11、身視覺機理還不十分了解，人類是如何精選、獲取和分析理解視覺知識的，至今還未充分搞清楚。立體視覺系統(tǒng)所需的計算量是非常龐大的，對于一幅標準的航空攝影照片（）只用一個的算子對其進行一次卷積運算就相當于次乘法運算。然而實用的系統(tǒng)對時問的要求是有一定限制的。在現(xiàn)階段集成電路和特殊功能部件的發(fā)展還不能滿足實時性的要求，這為立體視覺系統(tǒng)完全變?yōu)閷嵱玫耐ㄓ孟到y(tǒng)設置第章引言了一大障礙。從當前的發(fā)展來看，計算機視覺的發(fā)展動向可以歸納如下：以全面的觀點將立體視覺系統(tǒng)的各個模塊聯(lián)系起來，充分挖掘內(nèi)在信息。向智能化發(fā)展，研究基于知識的、模型的和規(guī)則的立體視覺方法。算法向并行化發(fā)展，采用并行流水線機制和專用的信號處理器

12、件，增強系統(tǒng)的實用性。強調(diào)場景與任務約束，針對不同的應用目的，優(yōu)化選擇各部分，建立有目的的和面向任務的立體視覺系統(tǒng)。雙目立體視覺技術由于直接模擬人眼視覺的處理過程，具有快速、準確、靈活等特點，因此正廣泛地應用于各個方面，特別是在許多人類視覺無法感知的場合，如在精確定量感知、危險場景感知和不可見物體感知等場合，計算機視覺更能顯示其無可比擬的優(yōu)越性。雙目立體視覺的應用領域包括：零件識別與定位由于工業(yè)環(huán)境的結(jié)構(gòu)、照明等因素可以得到嚴格的控制，因此立體視覺在工業(yè)生產(chǎn)和裝配中可以成功地用于產(chǎn)品零件的識別和定位。產(chǎn)品檢驗立體視覺目前已經(jīng)用于產(chǎn)品外形檢驗、表面缺陷檢驗，比如，滑塊及滑槽的外形檢驗以及裝配后的

13、位置檢驗，以決定它們能否裝配在一起，并且準確無誤地完成裝配任務。醫(yī)學圖像分析立體視覺在醫(yī)學圖像診斷方面有兩方面的應用，一是對圖像進行增強、標記染色等處理來幫助醫(yī)生診斷疾病，并協(xié)助醫(yī)生對感興趣的區(qū)域進行定量測量和比較；二是利用專家知識系統(tǒng)對圖像（或一段時間內(nèi)的一系列圖像）進行自動分析和解釋，給出診斷結(jié)果。其它立體視覺已經(jīng)用于各種球類運動分析、人體測量、食品、農(nóng)業(yè)、心理學、電視電影制作、美術模型、遠程教育、多媒體教學等場合。線結(jié)構(gòu)光測量結(jié)構(gòu)光測量是一種既利用圖像又利用可控光源的測量技術。其基本思想是利用照明光源中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息。結(jié)構(gòu)光圖像的處理和計算是整個測量任務的關鍵環(huán)節(jié)之一

14、，對于這種技術的研究在國內(nèi)外已取得不少的研究成果。根據(jù)光學投射器所投射的光束模式的不同，結(jié)構(gòu)光模式可以分為點結(jié)構(gòu)光模式、線結(jié)構(gòu)光模式、面結(jié)構(gòu)光模式等。第章引言點結(jié)構(gòu)光模式點結(jié)構(gòu)光方法，是結(jié)構(gòu)光方法中最簡單的方法，也是結(jié)構(gòu)光方法中的基礎。如圖所示，投影器發(fā)出的光束投射到被測物體表面上產(chǎn)生一個光點，光點經(jīng)透視投影成像在攝像機的像平面上，形成一個二維像點。攝像機的視線和光束在空問中于光點處相交，形成一種簡單的三角幾何關系。通過一定的標定可以得到這種三角幾何約束關系，并由其可以唯一確定光點在某一已知坐標系中的空間位置。線結(jié)構(gòu)光模式線結(jié)構(gòu)光模式，又稱為光帶模式。如圖所示，投影器產(chǎn)生的激光束經(jīng)柱面鏡變成一

15、個較窄的光平面，當此光平面投射到待測物體形成一亮的激光條，光條攜帶反映物體的表面信息。用面陣攝像機采集光條圖象，從而獲得待測物體表面被照區(qū)域的截面形狀或輪廓信息。測物體攝像機圖點結(jié)構(gòu)光模式圖線結(jié)構(gòu)光模式圖為單目結(jié)構(gòu)光模式，除此之外還有雙目結(jié)構(gòu)光法國，即系統(tǒng)中采用兩臺攝像機，如圖所示。標定兩攝像機和光平面之間的位置關系，通過對光條圖像的處理，就可求出光平面上的空間點坐標。雙目結(jié)構(gòu)中，也可以不標定攝像機與光平面之間的關系。圖雙目線結(jié)構(gòu)光測量法示意圖線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量速度快，光條圖像信息易于提第章引言取，因此得到了廣泛的應用。此測量系統(tǒng)一般安裝在坐標測量機的探頭位置，隨測量

16、臂的移動對物體進行掃描。如華中科技大學塑性形成模擬及模具技術國家重點實驗室研發(fā)的商品化系列的三維激光線掃描測量系統(tǒng)，應用在反求工程中，系統(tǒng)精度可達以內(nèi)。結(jié)構(gòu)光三維視覺在工業(yè)中的應用可以分為兩大方面：視覺檢測與視覺導引。視覺檢測主要是使用圖像或圖像的部分與設定的標準進行比較，以達到檢測的目的。視覺檢測己成功地應用于電子、汽車、紡織、機械加工等現(xiàn)代工業(yè)中。視覺導引主要是使用圖象處理的方法來導引機器入克服故障及發(fā)現(xiàn)最佳的路徑?！啊薄Ｔ谄囍圃爝^程中，白車身上有許多關鍵點的三維尺寸需要檢測，如車窗、車門等。若不符合設計要求，整車就會封閉不嚴，出現(xiàn)漏風、漏阿等現(xiàn)象。傳統(tǒng)的人工靠模法檢測效率低，檢測精度受

17、人為因素影響大。大型的三坐標測量機測量精度大幅度提高，但只能實現(xiàn)離線定期抽樣檢測，效率低，不能全面反映白車身總成的制造質(zhì)量，更不能滿足在線檢測要求。而汽車車身視覺檢測系統(tǒng)的測量效率高，凈度適中，測量工作在計算機的控制下，全部自動完成。通常情況下，一個包含幾十個被測點的系統(tǒng)能在幾分鐘內(nèi)測量完畢，檢測精度可達，很好地滿足了現(xiàn)代氣車制造對檢測速度和精度的要求。還有其它的工業(yè)應用，如無縫鋼管直線度的測量和汽車車輪激光視覺定位等。隨著結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測技術的不斷發(fā)展與完善，這項技術在更多的領域內(nèi)得到應用。課題來源及本文主要研究內(nèi)容在市場上，雖然已有商業(yè)化程度較高的、用于物體三維形貌測量的產(chǎn)品出現(xiàn)，但多數(shù)

18、產(chǎn)品來自國外，如德國公司的、同本美能達的系列三維掃描儀，其掃描精確度可以達到，而國內(nèi)該類測量產(chǎn)品的實際應用還比較少見，大多是存在于科研院所實驗室中。本文在廣泛收集和查閱相關資料的基礎上，瞄準雙目立體視覺和線結(jié)構(gòu)光的前沿發(fā)展動態(tài)，以及北京市教委人才強教項目“三維視覺測量系統(tǒng)中的測量數(shù)據(jù)分析處理”的支持，提出一種基于雙攝像機線結(jié)構(gòu)光技術的測量系統(tǒng)。本文中重點對雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的設計、雙攝像機系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)的標定、線結(jié)構(gòu)光光條圖象處理等作了詳細介紹。本課題的主要研究目標是設計種雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，雙攝像機結(jié)構(gòu)配合半導體激光線結(jié)構(gòu)光掃描，首先獲取各個掃描光條處的物體三維信息，通過設定公共空

19、間坐標系，把所有掃描光條的三維坐標統(tǒng)同一個空間坐標系下，得到掃描范圍內(nèi)的物體三維形貌，再把不同視場下得到的面形數(shù)據(jù)點云進行拼接，得到物體整體的三維重建。本文中提出了測量系統(tǒng)中貼參考標記點的方法，作為不同空間坐標系統(tǒng)一的依第章引言據(jù)。根據(jù)每幅圖像上計算出的標記點的空間坐標，把各光條的三維信息統(tǒng)一到同一個空間坐標系下。并且把不同視場下獲取的三維數(shù)據(jù)點云進行圖像拼接。主要研究工作安排如下：第章首先，概述了線結(jié)構(gòu)光和雙攝像機測量技術研究的背景和意義；其次，回顧了結(jié)構(gòu)光和雙目立體視覺測量技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；最后，介紹了課題的來源及本文主要研究內(nèi)容。第章介紹測量系統(tǒng)的工作原理和測量方法以及總體方案設

20、計，另外還對系統(tǒng)的組成作了詳細介紹。第章介紹攝像機的標定模型和標定方法，并設計了系統(tǒng)在非線性模型下的標定算法和具體實現(xiàn)。第章針對測量系統(tǒng)的特點，對線結(jié)構(gòu)光光條圖像進行處理與分析。其主要有圖像去噪、二值化、標記點的識別與中心點求取、光條中心線的提取算法以及標記點中心和光條中心線的特征點的各自匹配算法及實現(xiàn)過程。第章搭建了雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)實驗裝置，進行了攝像機標定，利用標定后的結(jié)果測量實物的表面尺寸，并對測量所得數(shù)據(jù)進行分析。第章對本論文所做的研究工作進行了總結(jié)，并展望了今后可改進、擴展的功能及以后的研究方向。第章判姑原理及測韞系統(tǒng)第章測量原理及測量系統(tǒng)本文設計了一種雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系

21、統(tǒng)主要由信息輸入（視覺傳感器）、數(shù)據(jù)采集和數(shù)槲處理輸出設備組成。潑系統(tǒng)芒要是對物體的三維面形進行測量，如規(guī)則物體的尺寸。對待測物體的表面有一定要求，山十測量過程中在物體表面投射激光線，因此物體表面不能是強反光材料。另外，拍攝的網(wǎng)像為扶度圖光條反映物體表面的幾何信息，且結(jié)構(gòu)光條為白色條紋故物體表面小能是白色或接近白色，否則很難識別井提取光條信息。系統(tǒng)總體方案設計物體三維輪廓的測盤有多種療法。由于雙目立體視覺傳感器結(jié)構(gòu)設計簡單，同時結(jié)構(gòu)光能使被測物體特征明顯、易于識別結(jié)合兩者的優(yōu)點對傳統(tǒng)的視覺傳感器結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一。本文設計了一種雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)。雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)是以非接觸式幾何光學法

22、測量待測物體的形貌輪廓，再以攝影機獲取圖像，配合三角測量原理便可得到待湖物三維形貌輪廓。校正部分如鏡頭所產(chǎn)生的影像畸變現(xiàn)象光源是否理想與影像處理的誤差等的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要山運動控制、掃描采集、數(shù)據(jù)處理、三維重建等部分組成。測量精度較高，速度較快，對待測物體無損傷，主要應用于工業(yè)曲面測量等工程中，能夠太大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。如圖所示測量系統(tǒng)原理圖。幽取攝像機結(jié)構(gòu)光測璉系統(tǒng)原理圖在測量系統(tǒng)中般攝像機和半導體激光器是周定在預先設計好的支架上，而支架再安裝至滑塊上。這樣，測量過程中只要沿平移臺導軌逐步移動滑塊，即可對待側(cè)物體進行全面掃描拍攝。激光器發(fā)射出的線結(jié)構(gòu)光投射在空間待測物體表

23、面，光條反映物體表面的幾何信第章測餐原理及測餐系統(tǒng)息。由于在物體掃描過程中，整個掃描系統(tǒng)在沿導軌運動，其運動方向與世界坐標軸之問存在不確定關系。因此，每個線結(jié)構(gòu)光光條的三維坐標是建立在不同的世界坐標系下，且不能通過光條間距進行坐標平移變換。為了把各光條在不同世界坐標系下的三維坐標統(tǒng)一到同一個世界坐標系下，借助參考標記點解決這一問題。在物體周圍的背景處貼上個圓形標記點，保證每次拍攝光條圖像時，兩個攝像機都能同時拍到標記點。因為每幅圖像是在不同的世界坐標系下獲得的，根據(jù)各圖像上標記點中心的世界坐標之陽的轉(zhuǎn)換關系，把各光條的三維坐標轉(zhuǎn)換到同一個世界坐標系下。另外，標記點采用激光打印機打印的白色圓形貼

24、片，并保證標記點直徑大于光條的寬度。下面是測量實現(xiàn)過程：首先，對固定好的兩臺攝像機進行標定，求得其各自的內(nèi)、外參數(shù)；其次，在待測物體背景周圍貼個圓形標記點，保證掃描過程中至少個可以同時被相機拍到；再次，將線結(jié)構(gòu)光投射在待測物體上，用兩臺攝像機同時采集圖像，每采集一次圖像后通過位移控制臺移動測量系統(tǒng)一次，繼續(xù)操作直到把整個物體掃描完為止；接下來，對采集的圖像對進行預處理，包括圖像去噪、標記點識別與中心提取及匹配；然后處理經(jīng)預處理后包含結(jié)構(gòu)光光條的圖像，主要有光條中心線提取、中心線上特征點的匹配、匹配點的空間坐標計算和三維數(shù)據(jù)點云重建等。最后，通過實驗對系統(tǒng)進行評價。在測量過程中，待測物體及其標記

25、點是不動的，而采集系統(tǒng)作相對運動，即采集系統(tǒng)的空間坐標是變化的，亦即光條中心線特征點的空間坐標是不同的，為了對其統(tǒng)一才引入了標記點。通過標記點的空間坐標可以求得系統(tǒng)空間坐標系問的轉(zhuǎn)換關系，從而可以將各特征點統(tǒng)一到同一坐標系下，以便三維重建的實現(xiàn)。測量系統(tǒng)硬件框圖見圖所示，軟件處理框圖如圖所示。固定器件位置雙攝像機標定上圖像采集圖像預處理標記點中心結(jié)構(gòu)光光條提取中心線提取鬻物體表面點云數(shù)據(jù)處理結(jié)果評價圖雙攝像機測量系統(tǒng)硬件框圖圖雙攝像機測量系統(tǒng)軟件處理框圖第章測鼙原理及洲精系統(tǒng)雙攝像機測量系統(tǒng)的基本原理用雙眼從稍有不同的兩個角度去觀察客觀的三維世界中的景物，由于幾何光學的投影，離觀察者不同距離的

26、像點在左右兩眼視網(wǎng)膜上就不是在相同的位置上。這種兩眼視網(wǎng)膜上的位置差就稱之為雙目視差（），簡稱視差陽，它反映了客觀景物的深度。人能有深度感知，就是因為有了這個視差，再經(jīng)過大腦的加工形成的?；谝暡罾碚摰碾p目立體視覺，就是運用兩個相同的攝像機對同一景物從不同位置成像，獲得景物的立體圖像對，通過各種算法匹配出相應像點，從而計算出視差，然后采用基于三角測量的方法恢復深度信息?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)雙目立體視覺系統(tǒng)均采用這一原理。雙攝像機測量系統(tǒng)的基本原理是：基于人眼視差理論的。一般采用的方法是用兩個攝像機從不同角度同時獲取待測物體及其周圍景物的信息圖象，在攝像機位置關系已知的條件下，恢復出待測物體的三維空間

27、信息，并進步重建待測物體的表面形狀和空間位置。圖為立體視覺成像原理圖。假設完全相同的左右攝像機已標定，且光心都在圖象中心。圖中為基線距，即攝像機投影中心連線距離。圖立體視覺成像原理圖設左右攝像機的坐標系分別為，、，像平面坐標系分別為，、，焦距分別為五、。與凰，軸組成的直角坐標系為空間世界坐標系，分別為左右攝像機的光心，攝像機坐標系中的工軸與軸分別同對應的圖像坐標系五軸平行，刁，軸分別為左右攝像機光軸，它與相應的圖像平面垂直，并且光軸與圖像平面的交點即為圖像坐標系的原點。兩攝像機投影中心的連線為基線距離，左右攝像機在同一時刻觀察空間物體上的點。第章測鼙原理及測鼉系統(tǒng)在空間環(huán)境中選擇一個基準坐標系

28、作為世界坐標系，可以用它來描述攝像機及空間中任何物體的位置。攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系可以用旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量來描述。假設空間中點在世界坐標系與左右攝像機坐標系下的坐標分別表示為：己；（。，匕，。，）、，；“，）、，（，）丁，兩坐標有如下轉(zhuǎn)換關系：（彳）佴，（）（）其中，（），。點易、所分別為點在左右攝像機成像平面上的像點，設點在左右圖像中的坐標分別為（，）、（，），由攝像機中的透視投影關系可知，空間點的像點在成像平面的位置為光心到點的連線與圖像平面的交點。因此，可得出圖像坐標與攝像機坐標間的關系：用奇次坐標和矩陣表示上述透視投影關系：、五薯咒只咒乞（）上式中，。量為一比例因子，只

29、為透視投影矩陣。將式（）分別代入式（）和（）中，得到空間點的世界坐標乙）與其左右像點的圖像坐標之間的關系：正，匕。（）匕乙嗜乙比匕乙匕乙乃一盈毛盟乙暑魯，、，。，一，；、，、第章測量原理及測鼉系統(tǒng)由于攝像機經(jīng)標定后，其內(nèi)外參數(shù)都是已知的，即肘，是已知量，那么將上式可表示為方程組：。，。歷慨。朋（）墨刪歷匕其中，珊表示，：中第行第列元素，消去得，口，譬，一，咒鼽蘭簍，囂麓寰之，這黼懶嶠點的方程其中口；一塒，口；這樣分別得到所、點的方程，一，一，組，聯(lián)立可得，（）其中：（。，匕，。），眥，；，；一“），。解出未知數(shù)就是點的空間坐標。但此時的并不是實際的空間坐標，而是相差一個比例因子的相對坐標。由攝

30、像機的原理圖可知，空間點與攝像機的光心、像點應該在一條直線上，點下好是左右兩條直線的交點。我們可以通過計算兩條直線的交點來計算點的空間坐標。攝像機光心的位置可以通過攝像機標定來確定，判斷肼、是否為同一空間點的像點是關鍵，即點的匹配問題。系統(tǒng)組成本文設計的雙攝像機測量系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。具體如圖所示：第章測姑原理及測封系統(tǒng)幽洳射系統(tǒng)組成示意圖其中，硬件部分包括攝像機、鏡頭、半導體檄光器、標定板、電控位移臺、機等，軟件部分有采集圖像軟件和處理圖像程序。下面將各部分具體介紹一下：硬件部分攝像機、鏡頭及標定板系統(tǒng)中采用數(shù)字攝像機（大恒公司型）采集圖像，其像素尺寸為，傳感器類型為，可以對圖像

31、尺寸、亮度、增益、幀率、曝光時間進行可編程控制。使用兩臺攝像機對投射在待測物體表面的結(jié)構(gòu)光條同時進行拍攝根據(jù)兩幅圖像之間的關系，運用三角測量原理恢復出空丑物體點的三維信息。工業(yè)鏡頭（公司一腫），焦距，為，鏡頭直徑與焦距之比的最大值為：，具有以下特性：低變形率（低于）焦點和光圈鎖緊螺釘。在整個屏幕范圍內(nèi)都具有高對比度及清晰圖像攝像機的標定采用自制的黑白棋盤格標定板作靶標棋盤格大小為，棋盤格總數(shù)為。半導體激光囂半導體激光器與其它激光器相比，具有許多突出的優(yōu)點“：半導體激光囂體積小，重量輕；供電功率小和轉(zhuǎn)換效率高：能通過注入電流進行直接調(diào)制：可靠性高工作壽命長發(fā)射波長從可見到紅外，覆蓋范圍寬：價格日

32、益降低。由于半導體激光器具有上述優(yōu)點，它已經(jīng)廣泛應用于光纖通信、光存儲、光掃描、第蘋測鼙原理及測鼙系統(tǒng)集成光學等領域。并且在國防、測量、自動控制、醫(yī)療、材料加工以及作為固體激光泵浦光源等方面發(fā)揮著越來越重要的應用。鑒于半導體激光器的優(yōu)點及應用領域，在線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中用到的線結(jié)構(gòu)光，由半導體激光器與擴束鏡產(chǎn)生的。將半導體激光器的發(fā)光面元放在擴束鏡的焦點上，使其在一個方向（光斑短軸方向）進行準直，而在另一個方向（長軸方向）讓它發(fā)散，即在空間形成光平面。光平面投射在物體表面，被物體表面的形變調(diào)制成包含物體高度信息的光條線。測量系統(tǒng)所采集的圖像上，有用信息是結(jié)構(gòu)光光條和參考標記點。電控位移臺電控位移

33、臺由系列電控位移臺和系列位移臺控制箱組成。系列電控位移臺通過步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)位移調(diào)整自動化。該系列平移臺的關鍵零部件：滾珠螺桿、線性滑塊導軌。標準接口，電機后配有手輪可進行手動調(diào)節(jié)。系列位移臺控制箱是新一代軸點對點位置定位控制系統(tǒng)，操作簡單，可以控制步進電機執(zhí)行正向、反向、回原點等動作。同時，可以設置絕對位置、參考位置顯示模式；速度、長度和加速度可任意設定；分別設有控制鍵和數(shù)字鍵薄膜丌關，操作與參數(shù)設置非常方便快捷。軟件部分本文設計的系統(tǒng)軟件部分主要是用于采集圖象的軟件和圖像處理的軟件。前者是大恒公司攝像機的驅(qū)動程序及其自帶的采集程序（），可以選擇采集圖象的分辨率、采集方式等，采集的圖像可以

34、存儲到機指定的文件央里。后者主要是利用編寫的攝像機標定程序和圖像預處理、光條中心線提取以及特征點匹配等一系列文件。而特征點三維信息的求取是在已完成攝像機標定的基礎上進行的。其中，攝像機標定和特征點三維信息求取的主要流程如圖、圖所示初始化采集靶標圖像對士提取靶標上棋盤格的角點攝像機標定標定結(jié)束獲取日標物體圖像對圖像傾處理線結(jié)構(gòu)光光條細化特征點匹配上求取特征點窄問坐標圖雙攝像機標定流程圖物體特征點空間信息提取第章測苗原理及測量系統(tǒng)本章小結(jié)本章首先介紹了雙攝像機線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的功能；其次就系統(tǒng)的總體方案設計及測量原理作詳細闡述，主要有系統(tǒng)整體測量方案及實現(xiàn)過程；最后介紹量系統(tǒng)的組成，包括硬件部分和

35、軟件部分。第章測量系統(tǒng)標定第章測量系統(tǒng)標定計算機視覺的基本任務之一是從攝像機獲取的圖像信息出發(fā)計算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識別物體，而空間物體表面某點的三維空間位置與其在圖像中對應點之問的相互關系是由攝像機成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實驗與計算才能得到，這個過程稱為攝像機定標（或標定）一。標定過程就是確定攝像機的幾何和光學參數(shù)，攝像機相對于世界坐標系的方位。精確標定攝像機內(nèi)外參數(shù)不僅可以直接提高測量精度，而且可以為后續(xù)的特征點匹配與三維重建奠定良好的基礎?？傮w來說，現(xiàn)有的攝像機標定技術可以歸納為兩類：傳統(tǒng)的攝像機標定方法和

36、攝相機自標定方法。傳統(tǒng)的攝像機標定是在一定的攝像機模型下，基于特定的實驗條件，如形狀、尺寸已知的標定參照物，經(jīng)過對靶標進行圖像處理，利用一系列數(shù)學變換和計算方法，求得攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，這個定標的精度很高，可以分為基于單幀圖像的基本方法和基于單幀已知對應關系的立體視覺方法。在某些視覺系統(tǒng)中，例如機器人視覺系統(tǒng)，主動視覺系統(tǒng)等，都需要經(jīng)常改變攝像機的位置或者調(diào)整攝像機光學系統(tǒng)（如光圈和焦距），在每次調(diào)整后，都需要做攝像機標定。另外，在有些情況下，在攝像機工作環(huán)境中放置一個己知的標定參照物常常是不現(xiàn)實的，例如對在危險場合工作的機器人，人不能進入作業(yè)現(xiàn)場，這時就需要一種不依賴于標定參照物的攝

37、像機標定方法，稱為攝像機自標定方法別，這是目前攝像機標定研究中的一個重點，但是穩(wěn)定性不太好。本文涉及到的標定屬于傳統(tǒng)攝像機標定，下面將作詳細介紹。攝像機模型攝像機模型是光學成像幾何關系的簡化，從所用模型不同來分有線性和非線性。所謂攝像機的線性模型，是指經(jīng)典的小孔模型，成像過程不服從小孔模型的稱為攝像機的非線性模型。線性模型攝像機標定，用線性方程求解，簡單快速，已成為計算機視覺領域的研究熱點之一，目前已有大量研究成果，但線性模型不考慮鏡頭畸變，準確性欠佳；對于非線性模型攝像機標定引，考慮了畸變參數(shù)，引入了非線性優(yōu)化，利用校下后的模型進行重建可以得到較高的精度，但方法較繁、速度慢，對初值選擇比較敏

38、感。第章測鼙系統(tǒng)標定針孔模型針孔透視模型是最簡單最常用的攝像機模型，這是一種理想狀態(tài)模型，它簡單實用而不失準確性。圖針孔綴像機模型如圖所示，視點為，空間點（。，。）在攝像機坐標系下的坐標為（。，），它在攝像機成像平面上的投影點為，），相機焦距為，它們的透視投影幾何關系為：州毒川考，用齊次坐標可表示為：；】曙，。（）剛，其中，、分別為圖像平面中和方向單位距離上的像素數(shù)（恤），即比例系數(shù)。，）為計算機幀存圖像中心的坐標。攝像機坐標系與世界坐標系的轉(zhuǎn)換第章測量系統(tǒng)標定關系為。【錮。匕。（）式中，和丁分別為從世界坐標系到攝像機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，尺是一個的正交矩陣，丁是的向量。由上可得，點的空

39、間坐標與其投影點坐標，）的關系為：。【鼉【喜丟翟。三；：】匕。（）其中，。一廠已，廠，；為投影矩陣，。、分別由攝像機的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)決定的。因此，在攝像機的內(nèi)外參數(shù)已知的情況下，對于空間點，如果已知空間坐標就可求得其圖像坐標點的位置，）；但是反過來就不一樣了，空問某點的圖像位置為，），其空間坐標卻不是唯一確定的，而是對應空間的一條直線；那么必須通過其它輔助條件才可求得圖像點的空間位置。非線性攝像機模型在實際應用中，由于攝像機鏡頭在制造中的缺陷以及在裝配過程中的定位誤差等原因，使得線性攝像機模型不能準確地描述成像幾何關系，尤其在使用廣角鏡頭時，在遠離成像中心處會有較大的畸變一吼，因此必須在其

40、中引入非線性畸變參數(shù)。經(jīng)光學系統(tǒng)成像，由物空間到像空間引入了光學畸變，主要包括徑向畸變（只與物鏡光學結(jié)構(gòu)有關）、偏心畸變（只與光學零件的加工和裝配工藝有關）和薄棱鏡畸變。一般情況下，在圖像邊緣處存在較大的畸變誤差，而徑向畸變關于攝像機鏡頭的主光軸對稱，是對邊緣處存在較大畸變的種模型化。在工業(yè)視覺測量中，一般只考慮徑向畸變，因引入過多的非線性參數(shù)往往不僅不能得到精確解，反而會因起解的不穩(wěn)定性。下面就介紹基于徑向畸變的針孔模型。設在三維世界坐標系。，中點的坐標為（，匕，。），（，）是同一點臃攝像機坐標系（定義如圖所示）中的坐標，攝像機坐標系定義為中心在第章測鼙系統(tǒng)標定點（光學中心），軸與光軸重合。

41、圖像坐標系，是：中心在點（光軸與圖像平面的交點），其、軸分別平行于攝像機坐標系的、軸。有效焦距廠是圖像平面和光心的距離。（。，虼）是在理想的攝像機針孔模型下點的圖像坐標，（。，匕）是由透鏡畸變引起的偏離點（。，匕）的實際圖像坐標。（“，）是圖像坐標系中點的圖像坐標，單位是像素數(shù)（）。圖所示的是基于徑向畸變的針孔模型，它能夠更準確地反映成像關系。圖像坐標系的完整變換分為四步：即從（。，匕，。）到（“，）。從三維世界坐標系中的坐標（。，匕，。）到攝像機坐標系中的坐標（，）。腎腎，從攝像機坐標系中的坐標（，）到理想圖像坐標系中的坐標（置，）?？敢浴耙?；（）（）攝像機鏡頭畸變模型由于存在各種誤差，理想

42、像點坐標值（鼉，藝）應等于實際圖像坐標值（蜀，匕）與畸變誤差值之和。實驗證明，圖像中心點處的畸變很小，而在圖像邊緣處的畸變較大。因此，選擇研作為畸變因子，建立如下的畸變模型：第蘋測苗系統(tǒng)標定以“埒（）（蠕）；匕“其中，。，兄為徑向半徑的平方，為徑向畸變系數(shù)。（）實際圖像坐標到計算機圖像坐標的變換，即從（髟，匕）到（“，）：“一耄一（），式中，（，）為計算機幀存圖像中心的坐標，外分別為圖像平面中和方向單位距離上的像素數(shù)（），即比例系數(shù)。可見，需要標定的參數(shù)為：外部參數(shù)尺和丁共有個獨立變量；內(nèi)部參數(shù)有有效焦距廠，徑向畸變系數(shù)，和方向的比例系數(shù)、，（，）為計算機幀存圖像系統(tǒng)攝像機標定常用的標定方法有傳統(tǒng)的攝像機標