基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系统

基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系统 基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系 统 中国机械工程第19卷第8期2008年4月下半月 基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系统 解则晓金明辛悦向 中国海洋大学,青岛,266100 摘要:提出了一种基于双目立体视觉系统的光笔式三坐标测量系统.该系统基于 接触式测量方式, 以带点光源的光笔作为接触测量工具.首先,对摄像机进行了高精度的标定,建立 了双目立体视觉系统 模型;其次,通过左右摄像机拍摄的二维图像,将两幅图像中的点进行匹配,获得 光笔上的LED光斑中 心三维坐标;然后,由一系列LED光斑中心的三维坐标拟合直线,从直线上得到 笔尖的三维坐标.实验 结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该方法实现了对物体的接触式测量,具有结构简单,成本低的优点,并 且具有较高的精度. 关键词:光笔;光笔式三坐标测量系统;双目立体视觉;重心法 中图分类号:TP391文章编号:1()(]4—132X(2008)08—0896—04 Studyon3D--CoordinateMeasurementTechnologyUsingLit—pen BasedonBinocularStereoscopicVisionSystem XieZexiaoJinMingXinYuexiang 0ceanUniversityofChina,Qingdao,266100 Abstract:Anovel3D—coordinatemeasurementsystemusinglight—penbasedonbinocu larstere- oscopicvisionsystemwaspresented.Basedoncontactmeasurementmodethesystemusedlight——pen withlightsourcesasacontactmeasurementtoo1.Firstly,thecameraswerecalibratedhigha ccurately, andthestereoscopicvisionsystemmodelwasestablished.Secondly,the3Dcoordinatesoft hecenterof LEDonthelight—penwereachievedthroughmatchingthe2Dimagesgrabbedbythetwocameras. Then,aseriesofthe3DcoordinatesofthecenterofLEDwereusedforfittingstraightline,and the3D coordinatesofthepen—pointscanbeobtainedfromtheline.Thetestresultsshowthatthissystem realizescontactmeasurementonobjects,withvirtuessuchassimpleconfigurationandlO Wcost,and possesseshighaccuracy. Keywords:light—pen;3D—coordinatemeasurementsystemusinglight—pen;binocula rstereo- scopicvision;methodofbarycenter 0引言 工业及测量技术的发展对三维坐标测量技术 提出了愈来愈高的要求口].微变量测量,现场在 线测量,汽车车身整体误差测量等领域都需要结 构简单,应用方便的三坐标测量系统作为基准系 统.然而当前常用的三坐标测量装置,由于其结 构复杂,设备庞大,不能满足现场快速测量的需 要.另外,传统的三坐标测量机造价昂贵,也限制 收稿日期:2()(]7一O3—19 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60772057) 了它的应用.所以对新型便携的,成本低廉的三 维测量系统的研究愈来愈迫切. 本文提出了一种新式的光笔式便携三坐标测 量系统,以带点光源的光笔作为接触测量工具,利 用双CCD摄像机组成的双目立体视觉系统_2作 为视觉检测手段.较以往的三坐标测量机,本系 统具有测量方便,便于携带,成本低,精度更高的 优点,具有较高的实用价值 系统组成与工作原理 系统组成示意图如图1所示.该系统的总体 参考文献: [1]陈晓怀,黄强先,费业泰.广义动态测量精度模型及 不确定度研究EJ].中国科技大学学报,2001,31(6): 738—743. 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A一上L————一 ?(z一z.).i;1 对于量块一来说,点到拟合表面的平均距离 0.0145mm;对于量块二来说,点到拟合表面的平 均距离0.0158mm. 得到两个量块的拟合表面后,在Surfacer软 件中测量出两拟合表面之间的高度差为20.013 mm.可知,实测的表面高度差与标准高度差之 ,问的误差为0.013mm. 由以上实验数据可以看出,系统对各种不同 同理,由直线在XZ平面上的投影方程可得 N ?(一)(z一z.) B一————————一(7) ?(z一z.) 将式(6),式(7)代人式(5)中,得到空间直线 的方程,接下来就可以求笔尖坐标.笔尖到点S的 距离d已知,则有以下关系式: d一~/(z—X0)’+(y—yo)+(—o)’(8) 由式(5)和式(8)组成方程组,可解得 一 ?—::::+.]~/ 1+A+B.l — A(z—z.)+} 2一B(x—XO)+ol 结果即为笔尖在世界坐标系中的坐标. 4实验分析 本文的实验设备为日本Watec公司生产的 黑白摄像机wAT一902B,分辨率为752(H)× 582(V)(像素×像素).采用日本Computar公司 生产的M1214一MP镜头,其焦距是12mm.图 像采集部分采用比利时Euresys公司的Picolo pro2采集卡.设计光笔笔尖到第一个发光点的 距离d一78.5mm. 本文分别采用球体,圆柱体和量块来测试光 笔的测量精度: (1)对半径为30.232mm的标准球体进行测量, 在球面上采集30点,利用这些点拟合球,得拟合球 的半径为30.243Film,点到拟合球面平均距离为 0.0228mm,最大距离为0.0316mm.可知,拟合球半 径与标准球体半径的误差为0.011mm. (2)对半径为39.216mm的标准圆柱体进行 ,拟合圆柱的半径 测量,在圆柱面上采集50个点 为39.223mm,点到拟合圆柱面平均距离0.0173 mm,最大距离为0.0291mm.可知,拟合圆柱半 径与标准圆柱体半径的误差为0.007mm. (3)测量量块的高度差,有两块高度已知且高 度不同的标准量块,放在测量平台上,并排摆放在 一 起,已知它们之问的标准高度差为20.000mm. 形状的工件均能保证较高的测量精度. 5结论 本文提出了一种以带点光源的光笔作为接触 测量工具,基于双目立体视觉系统的光笔式三坐 标测量系统,它具有测量灵活,方便,便携,造价低 廉的优点.采用平面网格靶标来获取标定点,保 证了标定点的提取精度,从而实现对摄像机的高 精度标定.对LED点光斑中心的提取采用了经 过改进的重心法,提高了提取精度.对笔尖位置 的确定,采用了多点拟合直线,然后求取距离的方 法,减小了误差的影响.通过实验证明,该系统具 有较高的测量精度. 参考文献: [1]张国雄.三坐标测量机的发展趋势[J].中国机械工 程,2000,11(1/2):222—226. [2]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社,2005. [3]张宏伟.双目视觉形貌测头的研究ED].天津:天津 大学,2002. 1-4]HuynhDQ.CalibrationaStructuredLightStripe System:ANovelApproach[J].InternationalJournal ofComputerVision,1999,33(1):73—86. 1-53贺俊吉,张广军,杨宪铭.基于交比不变性的镜头畸 变参数标定方法EJ].仪器仪表学报,2004,25(5): 597—599. [6]RogerYT.AVersatileCameraCalibrationTech— niqueforHigh——Accuracy3DMachineVisionMe—- trologyUsingOff——the——ShelfTVCamerasand Ienses[J].JournalofRoboticsandAutomation, 1987,RA一3(4):323-344. [7]陈家凤,陈海清.智能化红外成像光斑测试仪的研 究I-J].光电工程,2004,31(9):37—40. (编辑郭伟) 作者简介:解则晓,男,1968年生.中国海洋大学工程学院机电 .主要研究方向为逆向工程和光电测试技 工程系副教授,博士 术.发表论文3o余篇.全明,女,1982年生.中国海洋大学 工程学院机电工程系硕士研究生.辛悦向,男,1982年生.中国 海洋大学工程学院机电工程系硕士研究生. ? 899?