光笔双目视觉测量系统研究

光笔双目视觉测量系统研究 】 ??,???? 分类号 密级. 编号 中南大学 。位论文 硕士学 论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目??巍篓塑胃.塑妻缎量丕缜舱婴塞? 学科、专业一銮迢逞鱼复鹪王程. 研究生姓名型主? 导师姓名及 专业技术职务?.曼重垩?熬援年。;。 ??,????????,九// /原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名: 刮誊 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位 论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。摘要 随着大型装备制造技术的发展,大尺寸工件测量需求和测量技术 之间的矛盾日益突出,在对便携式测量系统充分研究的基础上, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了光笔双目视觉测量系统。系统具有测量方便、灵活、量程大、测量 精度较高等优点,为一般精度要求大尺寸测量提供了一种新的测量技 术。 对光笔双目视觉测量系统的测量原理、镜头标定方法、光点中心 坐标提取等问题进行了深入的研究。实验研究证明了在有效的测量范 围内系统具有较高的测量精度。主要的研究工作包括以下几个方面: 研究不同规格的发光二极管成像对光笔测量的影响。选取了 不同光色特性、发光强度、发光结构的发光二极管进行了对比实验, 分析了二极管产生眩光的原因,并采取多种方法限制眩光的产生。 根据摄像机透视变换原理建立了包含镜头畸变的双摄像机 透视模型。研究一种适合现场快速高精度的标定方法,采用张正友标 定法对摄像机进行了标定实验,对标定的结果和误差的原因进行了分 析,纠正摄像机的畸变误差。 研究并设计出了一种用于双目视觉测量系统的七光点式测 量光笔。 研究从图像中精确计算椭圆像点中心坐标的方法。采用改进 的算法进行图像预处理,采用方法提取图像的轮廓边缘 点,进一步实现图像轮廓跟踪和边缘点序列化,提出了基于二维高斯 曲面拟合函数的椭圆轮廓中心点坐标值亚像素提取方法。 论文提出了七点式测量光笔结构,该结构具有左右对称的冗余设 计,并利用共线三点透视原理和空间点三角形相似原理,最大限度的 减小测量误差,提高了光笔测量仪的鲁棒性;实现了像点椭圆轮廓的 提取和编码序列化。采用基于二维高斯曲面拟合函数的椭圆形像点中 心坐标提取方法,通过对比实验说明该方法是稳定可靠的。 关键词:测量光笔,双目视觉测量,大尺寸三坐标测量,张正友标定 ? , .. , . ? , .? , . :., .., . , . . , . ,., , .. ? . .. . ? .’ . . ,? . , , , , 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 第一章绪论.大尺寸测量技术的现状??.. .课题研究意义和主要的研究内容..课题研究的意义? ..课题研究的主要内容?. 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 .图像采集设备? .测量光笔光源系统?. ..发光二极管的发光特性及主要参数? ..发光二极管驱动电路设计??. ..发光二极管成像效果实验?.. 第三章光笔双目视觉测量原理.双目视觉三坐标测量系统摄像机模型..摄像 机透视变换模型.. ..镜头畸变模型? ..双目立体视觉模型?. .摄像机的标定方法? ..基于径向约束的两步标定法?. ..基于平面标定板的张正友标定法?. .双目视觉张正友标定实验? ..标定实验??. ..实验结论??. .光笔视觉测量原理? .. 点透视问题及其解的唯一性证明?. ..系统理论模型的建立和求解. ..采用最小二乘法对控制点三坐标进行空间直线拟合??. ..七点型光笔双目视觉测量模型??.. 第四章测量光笔功能结构的设计? .光笔笔架结构的改进 .光笔的尺寸设计..光笔的尺寸参数设计. ..光笔的形状和位置公差设计.. .光笔的加工工艺第五章光笔双目视觉测量系统的图像数据处理?.点光源数 字图像边缘提取和轮廓识别..图像的预处理和图像增强?。 ..图像的边缘检测。 ..基于算法的二维图像轮廓跟踪?. ..点光源图像轮廓的识别?. .点光源椭圆轮廓中心坐标的提取?.. ..灰度质心法?. ..最小二乘椭圆拟合算法. ..二维高斯曲面椭圆拟合。 ..实验与结论第六章测量系统的精度分析和实验 .光笔测量系统理论精度和误差分析 .测量系统实验 ..直棒型光笔测量实验. ..七点型光笔测量实验一.. ..实验结果对比与分析. 第七章光笔双目视觉测量系统软件设计? .光笔双目视觉测量系统软件设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和开发环境 ..设计方案??。 ..软件开发环境.. .图像采集模块的程序设计? .标定和测量模块的程序设计 ..张正友标定模块的程序设计。 ..空间三坐标测量模块的程序设计?. .数据管理模块的程序设计? 第八章结论与展望? .结论? .后续工作??. 参考文献??.. 致谢?. 攻读硕士学位期间主要的研究成果。 第一章绪论 硕学位论文 第一章绪论 .大尺寸测量技术的现状 制造业是国民经济发展的支柱性产业之一,而空间定位、尺寸测量等计量技 术则是机械制造业发展的必要条件。随着航空航天、船舶、冶金、汽车制造、港 口机械、风电设备的发展,装备重型化、集成化的趋势越来越明显。在大型装 备的制造及装配过程中,如何实现大型工件几何尺寸和空间位置的精度测量是保 证整套设备质量的关键因素。在大尺寸测量领域,现有的精密测量方法和设备已 不能有效地解决 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用中的实际问题心。 大尺寸测量领域发展的瓶颈呼唤着新的测量技术。近些年来,由于激光、半 导体、自动控制、计算机、精密制造等技术的迅速发展,出现了多种全新的空间 大尺寸测量技术,可归纳为三类:关节臂式三坐标测量机、激光空间跟踪测量仪、 手持式测头视觉测量系统。 关节臂式三坐标测量机 三坐标测量机是世纪年代发展起来的一种接触式三维空间测量仪器, 经过几十年的发展,其技术已经相当成熟,广泛应用于机械制造、电子、汽车和 航空航天等工业中,用于零件和部件尺寸、形状及相互位置的测量。 .触绶灏头.伸缩髂.美第 垂.警翻配块.安装底座 图关节臂式三坐标测量仪结构示意图 为了适应现场大尺寸测量的需求,又出现了关节臂式三坐标测量系统。“,如 图卜所示。这是一种基于旋转关节和可伸缩机械手臂的三坐标测量机,图卜 中是测量机的基座,它可以方便地固定在测量现场作为整个系统的坐标基准。第一章绪论 硕士学位论文 测量机有一可伸缩的臂如图中所示,可以绕关节自由转动。关节处 装有测量臂相对转角的传感器。为了保持臂转动的平衡,在底座关节处配有平衡 块如图卜中所示。在关节臂式三坐标测量仪的臂上贴有测温应变片,便 于对温度误差进行补偿,每条臂上靠近末端的位置对称贴有四个平行于臂轴方向 的应变片,用于对臂的沿两个方向的弯曲变形误差进行补偿。在最后一级臂的 末端装有触发测头如图中所示,操作员通过连接测量仪的笔记本电脑, 可以方便地通过测头探测工件上的每个点。当各级臂的长度已知时,根据角度传 感器测得的每级臂的转角,利用笔记本电脑上测量软件计算出被测点的坐标位 置。图为意大利公司的型关节臂式三坐标测量仪,该 测量仪在测量范围内精度可达.。 激光空间跟踪测量仪 近年来,在精密制造、装配及空间位置检测等领域,激光跟踪仪以其测量速 度快、精度高、测量范围大等优点得到了广泛应用,被称为移动的三坐标测量机 陆。激光跟踪仪的基本原理是通过测量激光测头到目标点的直线距离及水平和垂 直方向的偏转角,建立以测头为中心的极坐标系并给出目标点的空间位置。距离 分量由激光干涉仪测量,采用的是激光干涉测距的方式,利用光学干涉法原理, 通过测量干涉条纹的变化来测量距离的变化量;角度测量装置包括水平度盘、垂 直度盘、步进马达及读数系统,其装置类似于电子经纬仪?。激光跟踪测量 仪利 用内置的微处理器对目标点的距离及水平和垂直方向的偏转角进行计算,获得目 标点的相对空间坐标,并将结果保存并输出。 图 激光跟踪测量仪 图卜是激光跟踪测量仪口,其核心是一台激光干涉仪。跟踪头发射 激光至一个由三棱镜反射器组成的球形反射镜,操作员可以手持反射镜在被测物 体上移动,操作员保证反射镜连续地反射激光束回跟踪仪,跟踪头始终跟随反射 第一章绪论 硕士学位论文 镜的移动而转动,保持激光束对准反射镜的中心,最终测量出跟踪仪与反射镜之 间的距离。操作员将反射镜接触待测点并触发遥控开关,被测点的三维坐标将自 动保存在系统数据库中。 激光跟踪测量仪可对空间任意目标进行静态测量和跟踪测量,被测点的三维 坐标由水平角、垂直角和跟踪头到反射镜的空间距离计算得到,测量精度可达? .。对于大尺寸工件而言,激光跟踪测量仪是非常理想的测量设备。激光 跟踪仪器最主要缺陷是在连续测量的过程中,激光束不能被遮挡,否则测量 无效, 因此存在测量盲区。目前,生产激光跟踪仪的公司主要有美国的,德国的 等,国内该类产品基本依靠进口。 手持式测头视觉测量系统 激光空间跟踪测量仪在大尺寸坐标测量领域属于高精度测量设备,在有效的 测试范围内,可以实现微米级精度测量,但是激光跟踪仪购置费用高昂,核心技 术被外国公司垄断,目前很难实现国产化,仅有少数几家大型跨国制造企业和国 内著名研究机构在使用。为了满足一般精度要求的大尺寸空间测量需求,一种手 持式测头视觉测量系统在国内中小企业中正受到越来越多的关注。挪威。.。: 迈卓诺公司推出的光笔测量仪陋如图卜所示: 红 援 图卜迈卓诺光笔测量仪 该系统主要由以下部件组成:数字摄像机;手持式测量光笔,用碳素 纤维制成,上边嵌有个光源,总长,内置充电式供电电路,光笔前端 有个快速锁紧夹盘;各种形状和规格的探针被用来适应不同的测试工件;计算机 和测量软件用来控制数字传感器自动成像,提取相关几何信息,计算探针 球头中心三维空间坐标点,输出测量结果并生成测量报告。 光笔测量仪的测量过程是:操作员手持光笔与待测零件接触,探针受压导通硕学位论文 第一章绪论 发光二极管,摄像机拍摄光笔上发光二极管的像。通过摄像机上像点的像 面坐标来确定被测目标的位置。光笔测量仪内置拍摄质量自检功能,当拍摄的图 片无法提取像点时,系统会提示出错。手持式三坐标测量仪最大的优点是携带方 便,测量灵活,不受空间限制。但测量精度受测量范围制约明显,当超过测量范 围时,测量精度会大幅度下降。迈卓诺光笔测量仪单测头在 测量范围内的测量误差为士.。 目前,国内对于测头成像视觉坐标测量仪的研究还处于起步阶段,天津大学 精密仪器所黄风山博士曾经在这方面进行过一些研究西,提出过基于单测头成像 的视觉测量系统,但未见有产品出现。 .课题研究意义和主要的研究内容 ..课题研究的意义 手持测头视觉三坐标测量仪综合了光学测量技术和图像处理技术,测量范围 大,测量精度较高,有着广阔的发展前景。课题研究的光笔双目视觉测量系统就 是基于测头成像坐标测量技术,在前人研究成果的的基础上,从多方面进行了改 进和优化。 课题主要研究便携式光笔双目视觉测量系统。该系统由一支专门设计的光 笔、两台高分辨率的数字式摄像机、专用标定附件,装有测量软件的笔记 本电脑所组成。光笔是测量系统的核心部件,其上装有嵌入式点光源,在光笔的 笔尖端有个具有快速锁紧功能的测头,可以安装各种规格的探针。测量时,只需 把相机架设在待测工件旁,用光笔的探针接触物体上的待测点,相机拍摄 光笔的像,传输并实时显示到笔记本电脑上,经计算可得探针中心点的三维坐标。 光笔双目视觉测量系统可以根据被测物体的大小,灵活地调整相机的位置,测量 范围在焦距至米之间,特别适合如汽车底盘、汽车白车身,飞机机翼和舱体、 机车车厢等物体的测量。 ..课题研究的主要内容 光笔双目视觉测量系统基于测头成像视觉测量原理,在前人的研究成果基础 上,课题主要对以下几个方面进行了深入的研究:二极管成像质量对光笔测量系 统的影响、适合现场的快速高精度摄像机标定方法、光笔结构优化设计、测量系 统的图像数据处理方法,具体内容包括: 测量系统光源设计 第一章绪论 硕士学位论文 根据光笔双目视觉测量系统的原理,采用半导体发光二极管模拟光笔的理想 点光源。发光二极管的种类繁多,不同规格差异较大,且不同发光结构的二极管 光源成像质量对光笔测量系统的精度有重要影响。分析了不同结构的二极管的成 像特点,选取了不同光色特性、发光强度、发光结构的二极管进行了对比实验, 选择了合适的作为测量光笔的点光源,设计了光笔供电电路,通过控制输 入电流来控极管的发光亮度。 快速高精度摄像机标定方法 理想摄像机模型中将镜头视为一个小孔,但实际上摄像机镜头是由一块或者 多块透镜组成的光学系统。在透镜成像过程中,由于透镜的畸变效应摄像机成像 系统不能将实际景物在视野范围内精确地投影到成像平面上,因此,光笔测量系 统必须考虑镜头畸变的影响。采用模型描述镜头畸变的特征,在此基础 上根据摄像机透视变换原理建立了包含镜头畸变效应的摄像机透视模型。根据光 笔测量系统的功能要求,采用张正友标定法对摄像机进行了标定实验,对标定的 结果进行了分析,纠下了摄像机的畸变误差。 “ 光笔的结构优化设计 测量光笔是本测量系统中关键部件之一,它的尺寸参数、结构参数和材料都 对测量系统的功能和精度有重要的影响,所以光笔的结构优化设计是光笔测量系 统设计中的最重要部分之一,论文在前人研究的基础上,提出了七点型测量光笔 结构,对光笔的尺寸公差和形位精度进行了优化设计,同时设计了七点型测量光 笔的加工工艺。 七点型测量光笔结构借鉴了五点型测量光笔结构的设计原理,设计了对称的 冗余结构,利用了共线三点透视原理和空间两点三角形相似原理求解待测点的空 间坐标,最大限度的降低了测量误差;测量光笔的笔尖安装一种触发式的测头, 测头可以装卡探针,探针的尖点为为一球体,光笔通过探针同待测物体接触。 测量系统的图像处理算法 光笔双目视觉测量系统拍摄的原始图像里面经常有类似发光二极管光点的 背景噪声,如何对原始图像进行预处理和光点的像面坐标的提取是测量系统要解 决的核心问题之一。课题中采用改进的方法对数字图像进行预处理,采用 方法对二值化的数字图像的轮廓进行提取,将离散的轮廓点采用 链码连接成有序的点集合,针对椭圆形光点中心坐标的提取问题,提出了基于二 维高斯曲面拟合函数的椭圆形点中心坐标值亚像素提取方法。 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 硕士学位论文 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 光笔双目视觉测量系统由图像采集装置、辅助测头、专用标定靶标,图像处 理软件组成。图像采集设备主要包括数字摄像机和光学镜头,辅助测头主 要是指光笔,其上安装有嵌入式的点光源,通过与待测工件的表面接触来实现物 体三坐标的测量。光笔的结构设计在下面章节有详细的阐述,本章主要讨论光笔 的光源系统的设计。 在光笔视觉测量系统中,点光源是影响测量精度的关键因素之一。点光源的 位置关系,发光强度,光发射角度都直接影响图像处理的结果。高精度的三坐标 测量要求被测光点能在摄像机像平面上形成轮廓清晰、灰度均匀、大小稳定的像 点,且图像受外界背景光干扰小,成像稳定。不合理的光源设计会增大光点中心 提取难度,降低测量精度。 ..图像采集设备 摄像机是机器视觉系统中的一个基础性组件,其本质就是将光信号转变成为 有序的电信号。选择合适的摄像机是机器视觉系统设计中的重要环节,摄像机不 仅直接决定所采集的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直 接相关。考虑到系统的便携性,应采用数字摄像机,体积小巧,能耗 小,携带方便。 数字摄像机 数字摄像机叫包含以下几个部分:工业摄像机镜头、感光芯片、控制驱动电 路、信号输出电路、外壳支架几部分组成。其中感光芯片是核心部件,它实现信 号的光电转换。摄像机镜头将目标像汇聚到感光芯片件表面。感光芯片在外部时 钟脉冲的驱动下实现电荷积累、电荷转移和电荷输出,控制电路周期性读取感光 芯片数据,并由传输电路对信号进行编码并传输,最终显示到屏幕上。 工业摄像机种类繁多、性能差别大。一般来讲,工业摄像机最主要的性能参 数包括以下三个方面: 分辨率:相机每次采集图像的像素点数,对于数字工业相机一般 是直接与光电传感器的像元数对应的,大尺寸光电传感器的分辨率较高,成本较 高,相机镜头对分辨率也有影响。常见的数字工业相机的分辨率有、、 、等。 感光元件规格:相机的感光元件可以分成和两种,每一个感 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 硕士学位论文 组成。像元大小和像元数分辨率 光元件都由一定数量像元尺寸 共同决定了相机机靶面的大小。目前数字工业相机感光元件的规格有/竹、 /”、 /、”等,一般尺寸越大,制造难度越大,图像成像质量越好。 最大帧率:相机采集传输图像的速率,对于面阵相机机一般为每秒采集的 帧数/。相机的最大帧率是一个非常关键的参数,一般将采集速度 每秒帧及以上的相机成为高速工业相机,对于高速移动的物体,只有采用高 速工业相机才能实现采集。 综合以上分析,考虑到光笔双目测量系统的高精度的要求,在课题采用了德 国著名的工业相机生产商映美精生产的黑白相机,型号 ,分辨率为 ,最大采集最大帧率为/,接口。 定焦光学镜头 光学镜头通过小孔成像原理将外界的景物的像清晰的投影在感光芯片件上 。合理选择并安装光学镜头可以使景物清晰成像。光学镜头种类繁多,应根 据 不同接口、感光芯片尺寸、光圈、视场、焦距、等来确定合适的光学镜头参 数。 所有的工业摄像机镜头均是螺纹口的,镜头安装有两种工业标准,即安 装座和安装座。两者螺纹部分相同,但两者从镜头到感光表面的距离不同。 选择镜头的基本步骤可以参考以下几条: 镜头的成像尺寸应与摄像机靶面尺寸相一致。光笔测量系统选用 映美精单色相机,靶面尺寸为/”,应选择/?或者/” ” 尺寸的镜头。 由于测量系统对精度有一定的要求,镜头的分辨率必须满足测量要求, 首先通过理论计算,以每毫米能够分辨白条纹数为计量单位,计算公式为:镜 头 传感器说明书,/”,其 分辨率/画幅格式的高度。参考 靶面为宽.,高.。因此对/”格式的靶面的最低分辨率应为 对线/,平均每一对线的尺寸为.,满足测量精度.到. 的要求。 计算焦距是镜头选择步骤中最关键的一步,首先应确定测量对象离相机 的距离,测量距离为时,视场大小约为.长×.高。测量距离 .高,由小孔成像原理,结合 为时,视场大概为.长 靶面尺寸,计算出焦距约为。 光圈是通过镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量。每个镜头上均标有其 最大的值。目前绝大多数的工业定焦镜头都是手动调节光圈。 此外,镜头的选择还应根据测量环境的条件、测量距离和被测目标的亮度变 化素来综合考虑。镜头的价格,售后服务,生产厂家的制造能力也应该考虑在内。 硕士学位论文 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 综合以上考虑,课题选择公司盯品牌的.镜头羽。 ..测量光笔光源系统 ...发光二极管的发光特性及主要参数 能够实现照明的光源有许多种类。在视觉测量中,应用的最多的是卤光灯、 荧光灯、发光二极管灯。由于灯具有寿命长、亮度稳定、可构成不 同形状和光谱、可频闪和功耗低等特性,逐渐在视觉测量使用光源中占据了主导 地位引。光笔双目视觉测量系统采用发光二极管作为被测控制点的点光源。 在光笔双目视觉测量系统,首先要求发光二极管能够在不同的光线环境下, 成像亮度集中、清晰稳定,其次要求在保证成像效果的情况下,要求二极管能耗 低,效率高,寿命长,成本低。 使发光二极管成像亮度集中、成像清晰的方法是选择与背景环境色差较大的 色光,并且提高二极管的亮度。目前出现了很多高亮度的发光二极管,其原理是 使用特殊的发光材料或者改变原有的发光结构。高亮度单色发光二极管使用砷铝 化镓等材料,超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓 等材料,而普通单色发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等材 : 料。表是不同的发光强度的二极管的性能参数 表高亮发光二极管性能参数 最人正向电压 发光角度 型号 发光强度 最人::作电流 . .. . 二极管的发光效率介于./之间。随着发光二级管的发光强度不断 提高,其眩光效应越来越明显。眩光效应的定义是:视野中由于不适宜亮度分 布,或在空间、时间上存在极端的亮度而使得受收光体产生“光溢”现象。 数字 图像上眩光的特征是突起的六角型边缘或者大范围渐变的亮斑。眩光效应的 成因 主要与发光强度和发光角度有关,眩光对光斑边缘提取和光斑中心点坐标的 计算 都有不利影响。 发光二极管的发射角对二极管的性能有重要的影响。二极管的发射角是指发 光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向的夹角。图给出了两只不同型 号发光二极管发光强度分布情况。 硕士学位论文 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 图二极管发光强度角分析 图中。点代表二极管的理想发光点,竖直方向上的.代表该二极管的 最大发光强度,图中四条粗曲线代表两种型号的发光二极管。以点为中心, 竖直方向上一半的长度做圆弧,与粗曲线的交点与点的连线的角度即为二极 管的发射角。图中发光二极管的发射角大概约。,发光二极管的发 一 射角大概约。。 二极管发射角对成像有很大的影响,当二极管的发射角较小,光强度比较大 时,很容易产生眩光,即在椭圆形光斑的边缘出现圆周分布的尖状突起,或者在 光斑领域出现大片雾状白斑。为了避免眩光效应的出现,应该尽量增大发光二级 管的射角。 ...发光二极管驱动电路设计 发光二极管驱动电路设计要求是电路稳定可靠,并能够保证不同回路上的发 光二极管的亮度差小,还要求发光二极管的亮度可调。在发光二极管的驱动电路 的设计中,由于二极管属于电流型元件,当电压超过二极管的额定电压时,二级 管的电流会急剧增加,其发光亮度、波长都会发生变化,应保证给二极管提供恒 定的电流,并采用串并混合方式,通过可变电阻来调节二极管的亮度。台湾 公司的芯片是输出电压可变的集成三端稳压块,具有位恒 流输出与错误侦测功能,基于组成的恒流驱动电路剐可以满足以 上设计要求。 如图所示电路中,采用芯片为电路提供恒流电源。 芯片有三个针脚图?中‰,虬,虬西,其稳定工作的前提条件是虬肼和‰ 之间维持.的压降。电路使用三个电阻图?中比。。,。。。:,一,分 别控制各回路的电流,并使用了三个小功率的三极管图?中形,, 作开路保护,当一条灯串支路开路的时,其余支路的电流不会增大。每一个 硕士学位论文 第二章光笔双目视觉测量系统的构成 灯串的工作电流可近似计算为气.%/‰,为三极管的饱和电压,当 三个灯串正常工作时,电流控制电阻的压降大约是.,超过三极管的饱 和电压,三极管导通工作,电流反馈到的以讲端。若任何一个灯串开路, 则电流检测电阻&。。两端电位差为,三极管截止,没有电流反馈到玑砷端, 芯片保证其它支路的电流不变。芯片的输出电压的变化范围 .一,可以根据应用需要串并接灯串作扩展。 .?.一 “? 畸叫 ? 刮 【 卜’【 】‰’【 】‰卜 鲫 \ 。唧 弋 二 \ ? 一 。咖 \ , 玉 一 图发光二极管恒流驱动电路图 ...发光二极管成像效果实验 光源系统选型是整个光笔双目视觉测量系统的重点。首先要确定所选用的 发光颜色及亮度,尽量使得目标控制点的颜色同周围背景隔离出来,避免 环境中各种干扰光源对目标控制点的干扰。光笔在加工时进行了表面发黑处 理, 的发光颜色应尽量与黑色背景有较大的色差。基于上述分析,课题中采用 红色发光二极管,波长介于。 摄像机在采集发光二极管的图像时,为了获得最佳的图像质量,一般认为选 用了超高亮度的作为光笔的光源较为合适。超高亮度的比具有同样光 谱特性的背景光会在上将积累更多的能量。就可以比较准确提取有用 信号,测量精度也得到提高。但是这样的考虑忽视了高亮的“眩光效应, 由于发光不均匀,高亮度的管发光具有很强的散射现象。 为了选择合适的点光源,分别采用两种,不同发光结构、不同亮度、不同发 光角度的红色发光二极管进行了实验。第一种亮度为,发光角度为 。,第二种亮度为,发光角度为。,针对每一种二极管的电气参数 在三种不同电流强度的条件下进行了实验,实验效果图如图?所示: 第二章光笔双日视觉测量系统的构成 硕士学位论文 曩雌瞳曩?? 图发光二极管实验效果图 图中、、为发光亮度为的红色二极管在三种不同电流 强度的条件下发光效果图。图中中二极管的电压为.,可以明显看出 光斑边缘有很强烈的尖状突起。图中中二极管的电压为.,光斑边缘 尖状突起减退,但是边缘有不规贝重影,图?中中二极管的电压为., 光斑边缘仍有阴影;图中、、是为发光亮度为的红色二极 管在三种不同电流强度的条件下发光效果图,同的二极管比较,边缘 提取效果较好,没有明显的眩光效应。 由以上实验可知,高亮度发光二极管由于其发光强度大,产生的眩光给光斑 中心点的提取产生了很大的难度。考虑到具体的测试环境,决定采用吐,发 光强度为的红光二极管。同时,为了降低周围环境光的干扰,可在摄 像机镜头上安装偏光片用于消除点光源光谱范围以外的光或者可根据光信 号水 平调节摄像机光圈和曝光时问;还可以在光笔上安装具有聚焦功能的凸透 镜。硕学位论文 第三章光笔双目视觉测量原理 第三章光笔双目视觉测量原理 在光笔双目视觉测量系统中,摄像机透视变换模型描述了待测空间控制点位 置与其图像中对应特征点位置的相互关系。摄像机透视变换模型的参数与待测控 制点的空间位置和摄像机成像模型参数有关。求解摄像机成像模型参数的过程就 称之为摄像机的标定,摄像机标定是视觉技术中一项基本而重要的研究课题。课 题研究了一种适合现场快速高精度的标定方法,并分析了标定误差产生的原因; 建立了光笔双目立体视觉模型,使用两摄像机可以对同一个待测物体进行多角度 的测量,用来抵消单摄像机轴方向的测量误差;通过个空间控制点确定拍摄这 副图像时摄像机的方向和位置,这被称为“点透视问题。课题讨论了拍摄 个具有特殊空间位置的控制点的像,通过摄像机透视变换模型来确定个点的空 间坐标。建立了直棒型光笔双目三坐标视觉测量模型。 .双目视觉三坐标测量系统摄像机模型 ..摄像机透视变换模型刀 理想的摄像机透视变换模型又称为针孔模型,不考虑摄像机镜头的畸变对成 像的影响,图?为空间点。‰,。,气的理想摄像机投影模型。第三章光笔双目 视觉测量原理 硕士学位论文 机像平面坐标系,“,,是计算机内部储存器中的二维数字矩阵坐标系,坐标原 点研选在数字矩阵的左上角,轴正向向右,,轴正向向下。空间点。在另外 三个坐标系中的投影为:,兄,乙,而,,和只?“,’,。 在以上四个坐标系中,计算机像面坐标系的度量单位为像素,其它三个坐标 系物理单位均为毫米。空间点艮到其像素点。、的坐标转换过程主要是通过 这 四套坐标系三次变换来实现的,具体的实现过程如下所示: 世界坐标系到摄像机坐标系之间的转换石 ‘ ~式 瞄 是旋转矩阵,也是单位正交矩阵,表示的是世界坐标系同摄像机坐标系的 投影关系。是平移向量,世界坐标系的原点在摄像机坐标中的坐标。 摄像机像面坐标系和摄像机坐标系之问的转换 ‘ 氏‘ 艺乙?巧/ 摄像机像面坐标系和摄像机坐标系之间的转换满足投影三角形相似原理,厂 是摄像机镜头的焦距。 摄像机像面坐标系和计算机像平面坐标系之间的转换 忙%刮 /, ‰,是主点,,是一个像素在,方向上的长度。引入比例因子&用 于消除摄像机逐行扫描不稳定而引起的误差。综合式?,式?,式 ,可得: 。 “ /。 圪 匕式。 , 。 。 ?.................. ?????,?? 铜匿六/,六/分别为,上面的等效焦距,鲫/以为倾斜因子, 为倾斜角,一般设。以上参数中尺,丁各有个独立的未知量,称为外参 数矩阵,主要由世界坐标系相对于摄像机的位置决定。彳矩阵称为内参数矩 阵, 包括厂,,,?,,,主要与摄像机和镜头的规格有关。式?实现 了空间点只.到其像素点们的坐标转换。 理想摄像机的透视变换模型是典型的线性模型,通过该模型实现了点的世界 第三章光笔双目视觉测量原理 硕学位论文 坐标到图像像素坐标之间的转换。但理想模型没有考虑因照相机的畸变造成 的图 像点坐标系失真的情况。 ..镜头畸变模型町 摄像机理想模型中将镜头视为一个小孔,实际上摄像机镜头是由多块透镜组 成的光学系统。在透镜成像过程中,由于透镜的畸变效应摄像机成像系统不能将 景物精准地投影到成像平面上,被测点在像面上所成的像和理想成像之间存在尺 寸、位置、形状上的误差。产生几何畸变有如下几个主要原因: 镜头畸变误差 外部景物必须通过光学透镜的汇聚功能才能够在摄像机感光面上形成清晰 的图像,由于光学透镜不能简单地认为是一个小孔,故应该充分地考虑到光学透 镜的厚度和孔径产生的误差,常见的误差有:径向畸变、枕形畸变、桶形畸变等。 摄像机镜头的焦距对畸变误差影响较大,短焦距的广角镜头,视角大,镜头畸变 误差也较大,同一焦距的镜头越靠近画幅边缘,畸变越大。 镜头的装配误差 在摄像机的感光器件装配和镜头安装的过程中,经常会出现装配偏心误差, 如镜头的轴线同芯片的交点和芯片尺寸中心点不一致,镜头的中心 轴和靶面不垂直等等。这样的误差需要通过实验手段来估算。 在实际的成像系统中,和其它畸变相比,径向畸变是影响机器视觉测量系统 精度的主要因素,从简化模型的角度,课题主要考虑径向畸变的产生的误差。 描述光学镜头畸变的模型被称为镜头畸变校下模型。常用的镜头畸变校『模 教授首次提出 型有模型、模型、模型等。年,. 完整的高次非线性镜头畸变模型引。课题中主要采用模型对畸变进行校 下。模型的畸变公式如下: 嘞一吒.《厂《. 式。一’ 儿一少。::吒。 其中,吒,儿和,分别表示实际和理想的图像坐标,,.?《尤, 岛,如,。,为待标定的镜头畸变系数。式?等式右边的第一项称为径向畸变, 第二项称为切向畸变。在忽略了切向畸变的情况下,仅仅考虑二阶径向畸变 就能 满足精度要求,将模型简化为: 勤吒 包,. 『、 式? 儿“《也, 硕士学位论文 第三章光笔双目视觉测量原理 考虑了镜头畸变后,将式?代入到式?中,可以得到三维世界坐标系 己‰,。,。点到计算机像平面坐标系,点的转换关系: ,,“一‰向厂 巧以一%屯,. 式? 厂.竖立型芷业:, ? 厂.堡?墅?盟: ..双目立体视觉模型 双目立体视觉是基于立体视差原理的,从两个方向观察同一景物,以获取在 不同视角下包含同一景物的两幅图像,通过三角测量原理计算像素间的偏差来获 取景物的位置信息。双目立体视觉的技术难点在于如何实现两幅图像中同一点的 匹配。光笔双目测量系统中使用两个摄像机处于相交位置进行拍摄,可以对一个 待测物体进行多角度的测量来抵消单个摄像机轴向方向的误差。因此有必要研究 双目立体视觉模型,得出两个摄像机相对位置关系。 图为双目立体视觉传感器三坐标测量的数学模型九,它由两个完全相同, 的摄像机构成,设左摄像机坐标系为磷硭硭乏,像面坐标系为讲矸砰,有效焦 距为五;右摄像机坐标系为硭霹硭尝,像面坐标视觉图像测量原理为钟矸带, 撇 有效焦距为厶,三维世界坐标系瓦匕。中任意一点。‰,凡,%, ,。,。 天 /、 / 、 / 、 / 、 / 、 / 、 / 、 / 、 图?双目立体视觉三坐标测量的数学模型硕士学位论文 第三章光笔双目视 觉测量原理 式?, 蓁蒌瓦,霎%蒌正 通过式?,由公共点,,.,,乙求算出左摄像机坐标系。一?.一和 右摄像机坐标系为一?.一的空间位置关系为: 《 《 式 ‖ 引引 其中,尺匿薹薹为旋转矩阵,‘。乞,为平移向量,且有 设、、为左摄像机坐标系雠群硭乏分别绕,,轴旋转至右 摄像机坐标系雠硭硭硭的旋转矩阵,最、嘭、谚分别为绕,,轴旋转 如性耋刳 加圳, 肛性塞纠 也憾耋纠 豇比 哆咖 昨咆埘 锄崛? 亿只 ?幺够 篡妒 皖呜 根据式一,式一可以化简式得: 第三章光笔双目视觉测量原理 硕十学位论文 扪川, 刚毒矧貅 ‘ 乞 式 或 萎巴三;萋曼重 ? 见 摄像机已标定并已知焦距厶、以和空间点在左右摄像机像面坐标。通过 个以上已经匹配的光点,利用式可以求出旋转矩阵尺和平移动矢量丁,迸、 而求出左右摄像机直角坐标系转化关系。 .摄像机的标定方法 摄像机标定是指采用外部标定件对摄像机和镜头的组合误差进行估计和纠 正,在已知各个标定点的空间三维坐标值的前提下,获得标定点对应的像面坐标 值,通过计算得出摄像机和镜头的装配误差和镜头畸变误差。 常见的摄像机标定方法可以分成两个大类乜刳:经典摄像机标定方法和摄像机 自标定方法。经典摄像机标定方法是在一定的摄像机模型下,利用特定的形状、 尺寸已知的标定参照物也称靶标,获取标定参考物的特征点的图像并进行图 像处理提取特征点中心坐标,利用一系列数学变换和数值计算方法,获取摄像机 内外部参数;自标定则是以摄像机在运动过程中周围环境的图像作为参照物,分 析图像之间的对应关系并对摄像机进行标定。 在光笔双目视觉测量系统中,摄像机的内外参数标定是非常关键的环节,其 标定结果的精度及标定算法的鲁棒性直接影响测量结果的准确性,如何提高标定 精度是课题工作重点所在。 ..基于径向约束的两步标定法乜 理想摄像机成像成像模型的缺点是没有考虑到镜头的非线性畸变,像点的理 硕七学位论文 第三章光笔双目视觉测量原理 论位置同实际位置有较大的差别,精度不高。利用非线性优化方法对带镜头畸变 的摄像机模型进行标定,非线性求解的结果取决于设定的畸变系数初始值。如果 设定的初始值不合适,就很难得到正确的结果。在年提出两步径 向约束法,先利用直接线性变换的方法通过透视投影变换矩阵求解摄像机内部参 数,然后以求得的内部参数作为初始值,考虑摄像机畸变因素,利用非线性优化 方法进行迭代,计算摄像机内部参数的精确值。 根据靶标上特征点的分布不同,径向约束法分为共面标定和非共面标定,其 中非共面标定的精度比较高,它要求靶标上具有一定数量的菲共面空间点,且已 知每个点的空间坐标,匕,乙和计算机图像坐标系中的坐标“,,利用理想 点和实际点的平面向量径向排列约束的特征求解。共面标定法精度较低,很少被 采用。 如图?所示,根据摄像机理想透视成像关系,空间点,。,。在像面 坐标系上的像点为吻,,但是由于镜头的畸变作用,其实际的像点为 ,五。,。 图摄像机标定模型 径向排列约束意味着,对于目标点,向量,和向量,同向, 且,,的方向独立于焦距厂,平移矩阵丁和分量和透镜畸变系数后的变化。如 果物体的世界坐标系仅在轴和,轴进行旋转和平移,而在轴只进行平移,则 ,所的方向始终不变。所以,利用可以充分确定变换矩阵和,,。径 向排列约束可表示为: 式? , , 根据理想的摄像机透视变换模型有:第三章光笔双目视觉测量原理 硕士学位论文 式 茎尺蒌 尺 中 , 其 ‘丘巧 吩%吩 村 上一眦 ........。.。。。.。.。..?““ 吃吩%有 根据 式 ‘//; 墨垒??垒?垒当?垒:笠 ‖ ‘义吩匕。 整理得到: 式? 少;;;一。一】? ////// 吒吃巧?吩% 芒,,,,,, 一匕?。】是已知的,列向量 行向量‖;。一;。《 吃/, 吩// / ‘/, %/是待求的参数。 对每一个目标点,已知其瓦,匕,,,;就可以列出如上的一个 方程。尺有九个参数,但是其正交性规定了尺仅有三个自由度,再加上,,,正 好五个独立变量,故上式可唯一确定旋转矩阵和,,一 求解和, 畸变系数。 ..基于平面标定板的张正友标定法洲 基于径向约束的两步标定法要求采用立体靶标进行标定。立体靶标加 工工艺复杂,价格高昂。微软研究院机器视觉专家张正友提出了基于平面标定板 的摄像机标定方法,该方法要求摄像机从三个以上的不同方向拍摄同一个靶标, 标定过程中,假定不论从何角度拍摄靶标,摄像机内部参数都为常数,只有外部 参数发生变化,进行多次拍摄并计算出摄像机内外参数。这种标定方法避免了传 统方法设备要求高,操作繁杂等特点,既具有较好的鲁棒性,又不需要昂贵的高 精度标定块,实用性较强。 。后,再利用最优化方法求解有效焦距.厂,丁的:分量和透镜第三章光笔双目视觉测量原理 硕士学位论文 靶标平面上的三维点记为尸%,儿,乙,其图像平面上的二维点记为 ,。摄像机基于针孔成像模型,空间点与图像点之间的映射关系如式 ?,设靶标平面位于世界坐标系的扎匕平面上,即。,记旋转矩阵 的第列为,;,平移矩阵记为,为比例系数,有: ‰ 扪砌, 忤叱 叫?,;;: 设万【“,,】’,,儿,,靶标平面上的点尸与对应的图像点之间存 在一个变换矩阵日, 式 画 【如吃呜】,有: 其中日。吃】为的矩阵,允为常数,记 式 【岛%%】力么【吒吒】 是单位正交矩阵,由。,‘’‘巧吃可得到摄像机内参数的两个基本 约束: 。 ?,, ‘一。 箩誓兰筹‰ 【矸一。』蟹么一’么。 由旋转矩阵和平移矩阵的位置关系可知【吒%】?,又由于 ?,所以?,下面讨论求解的方法。 蜀: 蜀. , 令玎~岛。:垦,,是个对称矩阵,可以表示为下面 岛: 【。 , 的维向量: 【置。蜀: 吃:蜀,岛,马,】 设中的第列向量为岛【吃。,吃:,吃,】,因此有: 式 壤吨 其中:吻曩。乃.,魄.吃:名:乃。,忽:嘭:,鼻,嘭。岛。乃,,吃,乃:名:嘭,, 勺,乃,,内参 数约束关系式可以写为下面的形式:第三章光笔双目视觉测量原理 硕士学位论文 纠? 求解是一个非线性最小二乘问题,可以用梯度法,高斯一牛顿法来解决, 采集幅以上的模板图像,就可以解出的值,进一步求解就可以得到矩阵 的值、旋转矩阵和平移矩阵。 一啊 。吃 式 巧吒×吃 一呜 其中允/彳叫圳/么’吃。从图像上提取的角点存在误差,所以上面的 方法的到得值并不是最优解,对于同一个模板的副图像,选取模板上的个 点,可以采用极大似然估计对结果进行优化。 式? 窆芝乃一彳,墨,‘,乞. 其中妙彳,,,为点在图像中的投影。 在光笔双目测量系统中,由于待测物件的尺寸变化,经常需要调整视野更换 镜头,采用张下友摄像机标定法标定过程简单、方便、精度较高,同时靶标也便 于携带。 .双目视觉张正友标定实验? ..标定实验 在光笔双目视觉测量系统中,为了检验张下友标定算法的有效性,采用黑白 棋盘格靶标标定摄像机。实验过程是用单个摄像机从多个位置以及不同视角拍摄 棋盘格靶标的清晰图像,然后对图像进行处理,提取靶标图像上的特征点的像素 坐标值,并补充特征点三维空间坐标系和计算机像面坐标系的拓扑关系,通过计 算获得摄像机镜头有效焦距、主点坐标值,摄像机镜头畸变系数,以及每幅图像 对应的摄像机内外部矩阵。 为了实现张正友标定算法,在 环境下采用语言编写了相关 的测试程序,实现棋盘格标定点的亚像素提取以及摄像机标定。本实验采用映美 精.单色摄像机,分辨率为 ,镜头标称焦距为, 标定靶标为深圳伟视创公司黑自棋盘格标定板,方格数目为×,尺寸为 ×。将标定板置于摄像机视野范围内任意个位置,并保证其正面对摄像 硕士学位论文 第三章光笔双目视觉测量原理 机,拍摄其图像并提取像点的坐标值,像点的世界坐标系值与对应的像平面 坐标 值记录在表中。 表标定板特征点的世界坐标系值与像平面坐标值的对应关系 , , “ “ 。 。 匕 匕. .. .. .. . . . . .. .. . .. . .. .. .. .. .. .. . .. . .. .. .. .. .. .. .. . . . . .. . . . ... .. .. .. .. .. . .. . .. .. . .. ... .. .. .. . . . . .通过拍摄的副图像对摄像机内外部参数进行标定:摄像机的主点坐标为 .,.,摄像机镜头的有效焦距为.,镜头的畸变系数为厩 为.,效为.。标定过程中,标定板的每一个位置都可以得到其对应 的旋转矩阵和平移矩阵。通过式,利用特征点世界坐标系的值求解其理论 上的像面坐标值,并与图像检测中获得值做比较,分析其标定误差,数据如表 ?所示:硕士学位论文 第三章光笔双日视觉测量原理 表张正友标定误差 方向的平均误差 方向的平均误差 . . 第一幅图片 . . 第二幅图片 . . 第:幅冬片 . . 第四幅图片 . . 第五幅图片 . . 第六幅图片 . . 第七幅图片 . . 第八副图片 . . 第九副图片 . . 第十副图片 ..实验结论 通过实验可知,张正友标定方法的误差精度可以达到.个像素,当摄像机 分辨率较高时,可以实现物体高精度轮廓检测。标定误差产生的原因有很多,主 要有以下两个方面: 标定板角点提取误差:标定过程中假设标定板是一个理想的平面,各个 角点在一个平面上,但实际上,标定板不可能是绝对平面,必然有凹凸和弯曲, 这都会引起镜头拍摄图像的微小误差。此外,摄像机镜头的畸变和图像分辨率的 都会影响角点提取的精度。 标定算法的系统误差:张正友标定算法在进行线性内外参数估计时,仍 然将标定板上角点图像进行直线投影,不考虑镜头畸变误差而进行图像处理,实 际上引人了镜头畸变误差,即使采用?非线性算法优化优化 参数,也只能将误差控制在一定范围内。 .光笔视觉测量原理 在摄影测量学乜砌领域中有一个经典问题:已知被测场景中的若干个控制点和 该场景的一幅图像,通过识别图像中各特征点与空间控制点的对应关系,确定拍 摄这副图像时摄像机的方向和位置,这就是摄像机定位问题,简称。 年,美国科学家和在文献 牝对摄像机定位问题进行了数学描述,把此数学问题称之为点透视问题。解决第三章光笔双目视觉测量原理 硕士学位论文 摄像机定位问题的方法是建立一个模型来描述控制点和图像特征点之间的关系。 双目视觉测量系统建模的数学理论基础是点透视问题,利用摄像机 对光笔上点光源目标控制点进行成像,提取这些控制点在摄像机成像面上对 应的像点目标特征点的像面坐标,通过在控制点和对应特征点之间建立正确 的计算模型,测量控制点三维坐标,并进一步通过光笔的结构尺寸获得光笔探针 球头中心点坐标。 课题对点透视问题进行了深入的研究,证明了共线三点透视问题解的唯一 性;并建立直棒型光笔双目视觉测量系统模型,采用最乘法对目标控制点进 行空间直线拟合,并将目标控制点投影到拟合直线上,用投影点来计算光笔 探针 球头中心点坐标。 .. 点透视问题及其解的唯一性证明 摄像机点透视问题乜明啪的数学描述如下表示: 给定个控制点,任意两个控制点之间的距离已知。 每个控制点到摄像机光心的角度已知 求解每个控制点到摄像机光心的距离。从年首次提出该问题至今,国内 外学者们对该问题作了大量深入的研究,研究成果主要集中在不同的控制点数对 应的点透视问题的解得情况及其求解算法。很显然,控制点的数目越少对外界 实验条件和实验设备的要求越低。由于只有当控制点数等于或者大于三个时, 点透视问题才有有限个解,三个控制点的透视问题下受到越来越多的关注,典型 的三点透视问题如图?所示:。 象荔 ?一汁 : //? ./。 // 、 ,/ 旷 图三点透视问题几何模型 图?是具有个控制点的摄像机理想透视模型,建立如图所示坐标系, 、’、’分别为三个控制点 为摄像机的光学中心,爿、、为控制点, 第三章光笔双目视觉测量原理 硕士学位论文 在摄像机平面上所成的像点,、、空间距离已知,每对控制点 与光心所成的角度为巴占、吼、吼,求解、、的长度。根据三角形 余弦定理可以列出以下方程组: 式 ? 【行一垆二 在式?中,、、代表以矗、%、见的余弦值,、、表示三个 控制点彳、、到光学中心的距离,、