激光跟踪测距三维坐标视觉测量系统建模 3

黄风山 1,233, 钱惠芬 1

(1. 河北科技大学机械电子工程学院 , 河北 石家庄 050054; 2. 天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室 , 天津 300072

摘要 :提出了一种激光跟踪测距视觉坐标测量系统 , 测量时摄 像机测量光笔上各光反射点的方向 , , 由测得 ( , 激光 测距仪测得的距离参数的引入 ,

依据冗余技术给出了被测 :在 Z 、 Y 和 X 轴方向 0. 、 0. 和 0. 011mm 。

关键词 :; ; n 点透视问题 (P n P ; 冗余技术

Mod el for a Laser Distance T racking 3D C oordinates V ision M

easu ring System

HUAN G Feng 2shan 1,233, QIAN Hui 2fen 1

(1. Mechanical and Electronic Engineering C ollege , Hebei

University of S cience and T echnology , Shijiazhuang 050054,China ; 2.

State K ey Laboratory of Precision Measuring T echnology and

Instrument , Tianjin University , Tianjin 300072,China

Abstract :Alaser distance tracking 3D coordinates vision measuring

system is proposed. It mainly consists of a CCD camera , a laser

rangefinder ,a computer and a light pen. When measuring ,the CCD

camera registers the direction of every light 2re 2 flecting point m

ounted on the light pen. According to these measured directions ,the

laser rangefinder can track and capture each light 2reflecting

point ,and record the distance between one of the four light

2reflecting points and the laser rangefinder. Using the measured

directions and distance ,the system can calculate the 3D coordinates

of the point touched by the pen 2 on the perspective 2n 2point

problem (P n P principle ,the system ′ s mathematic model is of the distance parameter ,this m odel can be solved linearly ,and its

solution is unique. On the basis of the redundancy technology , the 3D

coordinates analytic equations of the measured point and its solving

method are given. The comparison shows that the system ′ s measuring

stability precision is 0. 336mm ,0. 031mm and 0. 011mm higher than

that of the single CCD camera co 2 ordinates measuring system in the

direction of Z, Y , X axis respectively.

K ey w ords :trackingdistance measurement ; 32D coordinates vision

measurement ; perspective 2n 2point problem (P n P ; redundancy

technology

1 引 言

近年 , 以 CCD 摄像机为核心部件构筑的三维视觉坐标测 量系统的研究得到了发展 [1], 其主要优点是摄像机可直接测量 空间点的方向 , 精度高。

而系统求解时往往需要确定各被测特 征点到摄像机透视中心的距离 , 由于摄像机不能直接测量距 离 , 只能由测得的方向和其它已知条件来计算 , 这样会因误差 的传递、 放大和累积使得计算出的距离精度较低 , 从而影响系 统最终的测量精度 [2]。 并且 , 基于摄像机视觉坐标测量系统的 n 点透视问题 (P n P

复杂 , 易产生多解 [3]。 鉴于摄像机视觉坐标测量存在的不足 , 本文提出一种基于 摄像机和激光测距仪的视觉坐标测量系统。 测量时 , 摄像机测 量各光反射单元 (被测特征点 的方向 [4], 激光测距仪跟踪捕捉 并测量某一光反射单元和测距仪间的距离 [5], 由于激光测距仪 光学测距的精度很高 , 这样就使测得的方向和距离精度都比较 高 , 从而提高了被测点空间坐标的测量精度 ,

同时系统模型线 性可解 , 且解具有唯一性 , 测量过程简便、 高效。

2 系统测量原理

测量系统的构成如图 1所示。 图中 , O 为摄像机透镜的焦

光 电 子 激 光

33E 2m ail :hfshyt @sohu. com 点 (光学透视中心 , O 1为激光测距仪反光镜的旋转中心即激 光测距仪的基准点。 测量时 , 打开摄像机上的闪光灯 , 摄像机 测量光笔上各光反射点的方向。 然后计算机根据这些方向信 息控制反光镜旋转合适的角度 , 以使激光束比较准确地打到某 一光反射点上 , 进而由激光测距仪测出光反射点到激光测距仪 的距离 , 根据测得的方向和距离求解各光反射点在摄像机坐标 系中的三维坐标 , 进而计算出光笔接触点 (被测点 在摄像机坐

标系中的三维坐标。

1. C omputer ; 2. Camera ; 3. Flash lighter ; 4. Range finder ; 5.

Light pen ; 6,7,8,9. Light reflector ; 10. C onnector ; 11. Pen point ;

12. Measured object

图 1 系统组成

Fig. 1 S ystem composing

3 系统建模

3. 1 坐标系的建立

如图 2所示 , 光笔模型中有 2个坐标系 :摄像机坐标系

OX YZ 和 CCD 像平面坐标系 X ′ O ′ Y ′ [6]

。 OX YZ 的坐标原点 O 为 CCD 摄像机透镜的光学中心 , Z 轴取为透镜的光轴方向 , X 轴和 Y 轴分别平行于 CCD 像平面的水平和垂直像素方向。 图

中 , A 点表示光笔球形测头的中心。 B 、 C 、 D 和 E 点分别代表 安装在光笔上的 4个光反射点 , A 、 B 、 C 、 D 和 E 各自间的距离

和方位已知。

图 2 光笔模型

Fig. 2 Light p en m od el X ′ O ′ Y ′ 的坐标原点 O ′ 为 CCD 像平面在上角顶点 , X ′

轴和

Y ′ 轴分别取为摄像机 CCD 像平面的水平和垂直像素方向。 CCD 像平面垂直于光轴方向 (Z 轴方向 , 沿 Z 轴方向与 O 点

的距离为摄像机透镜的焦距 f 。 B ′ 、 C ′ 、 D ′ 和 E ′ 分别为

B 、 C 、 D

和 E 在 CCD 像平面上所成的像。 激光测距仪相对于摄像机的方向和位置 , 用 O 1点在摄像 机坐标系中的三维坐标 (x o 1

, y o 1

, z o 1

(由系统的标定程序对其 进行标定而得 来表示。

3. 2 系统透视问题的求解

由于被测特征控制点为光反射点 , 理论上使用 3个光反射 点就可求解出被测点 A 的三维坐标。 为了进一步提高系统的 可靠性和测量精度 , , 在这里暂采 用 42, B x B ′ B ′ x , D ′ , y ′ D ′ 和 (x ′ E ′ ,

y ′ E ′

; 距离 BC 、 DC , 记为 BC =l 1、 CD =l 2和 D E =l 3; 要求解本系 ,

只需求解 4个光反射点到透视中心 O 点的距离

OB 、 OC 、 OD 和 OE [5]

。 通过坐标系 X ′ OY ′ 和 XOY 间的坐标转 换可求得 B ′ 、

C ′ 、 D ′ 和 E ′ 在 OX YZ 中的坐标 , 分别记为 (x B ′ , y B ′ ,

f 、 (x C ′ , y C ′ , f 、 (x D ′ , y D ′ , f 和 (x E ′ , y

E ′ , f , 而向量 OB ′ =(x B ′ , y B ′ , f 、 OC ′ =(x C ′ , y C ′ , f 、 OD ′ =(x D ′ , y D ′ , f 和 OE ′ =(x E ′ , y E ′ ,

f 。

在图 2中 , θ1、 θ2、 θ3和

θ分别为 OC 与 OB 、 OD 与 OC 、 OE 与 OD 以及 与 OO 1, θ1=cos -1|OC ′ | ||, θ2=cos -1

|OD ′ | ||

, θ3

=cos -1

|OE ′ | |OD ′ |,

θ=cos -1|OB ′ | |O O 1|

(1 在 ΔOBO 1中 , 由 O O 1=(x o 1

, y o 1

, z o 1

可求 O O 1, 记 O O 1=l;O 1B 可由激光测距仪测得 , 记 O 1B =d 。 由正弦定理得

OB =

sin

θsin (∠ O O 1B =2

-l 2

sin 2θ+l cos

θ(2