CN101603812B - 一种超高速实时三维视觉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速实时三维视觉测量装置及方法，该测量装置包括：面阵摄像机、一个或一个以上激光位移传感器；该测量方法包括：利用激光位移传感器、面阵摄像机和平面靶标获得三维测量基准点和空间直线方程，基于所获得的测量基准点和空间直线方程，根据测得的被测物位移，计算被测物处于不同位置的被测光点在全局坐标系下的坐标，从而完成对被测物的超高速实时三维视觉测量。

Description

一种超高速实时三维视觉测量装置及方法

技术领域

本发明涉及视觉测量技术，尤其是涉及一种超高速实时三维视觉测量装置及方法。 

背景技术

结构光视觉是精密测试技术领域中具有发展潜力的高新技术之一，已成为测量物体三维信息的最有效途径之一。结构光视觉通过向被测物体投射具有高亮度和一定结构模式的激光束，从而在被测物表面上形成由表面三维信息所调制的变形光条特征，然后，采用面阵摄像机拍摄被调制的变形光条特征，形成包含被测物体表面三维信息的视觉图像。对视觉图像中各种特征信息进行处理、分析和计算，就可以实现对被测物体三维几何尺寸、形状及位置的测量。结构光视觉测量以其非接触、自动化程度高、速度较快、精度较高、柔性好等优点，具有广泛的应用，特别是在几何量动态在线测量领域具有明显的优势。 

由于现有结构光视觉技术采用面阵摄像机来获得光条图像，因此，会受图像数据量大以及光条图像处理速度的限制，现有结构光视觉数据的更新率不能满足高动态三维测量的要求，例如：当需要实现对发动机振动、转子跳动等超高速实时测量时，现有结构光视觉技术往往无法胜任。 

现有技术中，激光位移传感器能实现超高速实时的位移测量。具体来说，激光位移传感器一般由线阵摄像机和点投射激光器组成，采用激光三角法获得激光光束上被测物体某点的位移。由于激光位移传感器采用线阵摄像机，帧频可以达到很高，且图像数据量小，因此，可实现超高速实时位移测量。但是，采用激光位移传感器仅仅能获得沿激光光束方向上被测物的位移，属于一维测量，也就是说，激光位移传感器目前只能实现一维测量，而不能实现三维测量。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超高速实时三维视觉测量装置及方法，能够实现超高速实时三维视觉测量。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明提供了一种超高速实时三维视觉测量装置，包括：面阵摄像机、一个以上激光位移传感器；其中， 

面阵摄像机，用于拍摄靶标图像，得到靶标坐标系到摄像机坐标系之间的变换关系； 

激光位移传感器，用于投射激光光线到靶标上形成光点，得到测量基准点，基于处于不同位置的靶标，获得激光光线在摄像机坐标系作为全局坐标系下的空间直线方程；投射激光光线到被测物形成光点，根据被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。 

上述方案中，所述激光位移传感器进一步包括激光器、镜头、成像器件以及信号处理器；其中，激光器，用于发射激光光线；镜头，用于将激光器发出的激光形成光束，投射到被测物上，形成光点，并最终成像在成像器件上；成像器件，用于成像激光器经过镜头投射在被测物上的激光光点；信号处理器，用于产生驱动信号使成像器件正常工作，并根据光点在成像器件上的像点位置及三角几何关系，计算被测物的位移大小并输出。 

上述方案中，所述面阵摄像机与所述激光位移传感器中的激光器构成三维视觉传感器；所述成像器件与信号处理器构成线阵摄像机；所述镜头为透镜。 

上述方案中，所述一台面阵摄像机与一个激光位移传感器构成单点超高速实时三维视觉测量装置；所述一台面阵摄像机与一个以上激光位移传感器构成多点超高速实时三维视觉测量装置。 

本发明还提供了一种超高速实时三维视觉测量方法，包括： 

设置全局坐标系； 

将平面靶标放置在第一位置，一个以上激光位移传感器分别发射激光光线投射到平面靶标上，分别形成光点，将此光点作为测量基准点；面阵摄像机拍摄平面靶标图像，得到靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系；提取靶标特征点图像坐标，获得平面靶标上光点在靶标坐标系下的坐标；再将靶标坐标系下的坐标转换为摄像机坐标系下的坐标； 

将平面靶标移动放置到第二位置，一个以上激光位移传感器分别发射激光光线投射到平面靶标上，分别形成光点；面阵摄像机再次拍摄平面靶标图像，计算平面靶标上光点在摄像机坐标系下的坐标；求出激光光线在摄像机坐标系下的空间直线方程； 

基于获得的三维测量基准点和空间直线方程，根据被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。 

其中，所述设置全局坐标系为：将摄像机坐标系作为全局坐标系。 

上述方案中，所述计算被测光点在全局坐标系下的坐标为：先根据激光位移传感器投射到被测物上形成的被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。 

本发明所提供超高速实时三维视觉测量装置及方法，利用激光位移传感器、面阵摄像机和平面靶标获得三维测量基准点和空间直线方程，基于所获得的测量基准点和空间直线方程，测量并计算被测物处于不同位置的被测光点在全局坐标系下的坐标，从而完成对被测物的超高速实时三维视觉测量。本发明将激光位移传感器的一维测量转化为三维测量，在实现三维测量的同时，能使帧频达到很高且图像数据量小，从而具有极高的三维测量数据更新率，非常适合超高速动态实时非接触的三维测量场合和需求。 

附图说明

图1为本发明中激光位移传感器的测量原理示意图； 

图2为本发明超高速实时三维视觉测量方法的实现流程示意图； 

图3为本发明实施例超高速实时三维视觉测量的实现原理示意图。 

具体实施方式

本发明的基本思想是：利用激光位移传感器、面阵摄像机和平面靶标获得三维测量基准点和空间直线方程，基于所获得的测量基准点和空间直线方程，根据测得的被测物位移，计算被测物处于不同位置的被测光点在全局坐标系下的坐标，从而完成对被测物的超高速实时三维视觉测量。 

本发明的超高速实时三维视觉测量装置包括：面阵摄像机、一个或一个以上激光位移传感器；其中， 

面阵摄像机，用于拍摄靶标图像，得到靶标坐标系到摄像机坐标系之间的变换关系； 

激光位移传感器，用于投射激光光线到靶标上形成光点，得到测量基准点，基于处于不同位置的靶标，获得激光光线在摄像机坐标系作为全局坐标系下的空间直线方程；投射激光光线到被测物形成光点，根据所测得的被测物的位移计算各被测光点在摄像机坐标系作为全局坐标系下的坐标。 

本发明中，一台面阵摄像机与一个或多个激光位移传感器可分别构成单点或多点超高速实时三维视觉测量装置。 

如图1所示，所述激光位移传感器进一步包括激光器11、镜头12和13、成像器件14以及信号处理器15；其中，激光器11用于发射激光光线；镜头12、13用于将激光器11发出的激光形成光束，投射到被测物上，形成光点，并最终成像在成像器件14上；成像器件14用于成像激光器11经过镜头12、13投射在被测物上的激光光点；信号处理器15用于产生驱动信号使成像器件正常工作，并根据光点在成像器件14上的像点位置及三角几何关系，计算被测物的位移大小并输出。 

这里，成像器件14与信号处理器15构成线阵摄像机。在实际应用中，镜头可以为透镜。 

在对被测物进行测量时，如图1所示，具体测量过程是：激光器11投射出的激光光线经透镜12出射后为一条细光束，投射在被测物16上，形成光点；该光束经被测物16反射、经透镜13成像在成像器件14上，得到成像点；信号处理器15根据光点在成像器件上的像点位置及三角几何关系，计算被测物16相对于测量基准点的位移大小并输出。 

图1中，位置S1和位置S2之间且包括位置S1和位置S2是测量范围，也就是激光位移传感器的成像区域，相应的成像点在a点和b点之间、或者在a点或b点。在实际应用中，可将被测物放置在位置S1、或位置S2、或位置S1到位置S2之间的任意位置，然后由激光器11经过透镜12向其投射激光光线，一般，将靶标放置的第一位置所产生的成像点作为测量基准点，靶标所放置的第一位置具体在测量范围的何处，可根据第一位置与位置S1间的位移关系获知。另外，具体如何计算被测物位移大小的方法为已有技术，可参见《仪器仪表学报》第25卷第4期增刊中名称为“激光三角法综述”的文章，在此不再赘述。 

本发明中，所述面阵摄像机和所述激光位移传感器中的激光器共同构成三维视觉传感器，具体如何基于面阵摄像机和激光器得到三维视觉模型，可参见天津大学罗明博士1996年的学位论文“多传感器机器视觉标定系统和应用”，在此不再赘述。 

基于上面所述的超高速实时三维测量装置，本发明超高速实时三维视觉测量方法的实现过程如图2所示，包括以下步骤： 

步骤200：设置全局坐标系； 

这里，可以将面阵摄像机坐标系作为全局坐标系，所述全局坐标系为全局三维坐标系。 

步骤201：利用激光位移传感器、面阵摄像机和平面靶标，标定激光光线在全局坐标系下的三维测量基准点和空间直线方程； 

这里，采用一台面阵电荷耦合器件(CCD)摄像机和一个带有标志点的平面靶标实现对三条激光光线的标定。其中，平面靶标至少放置在两个不同位置，使三条激光光线均投射在平面靶标上，形成光点；面阵CCD摄像机从与激光光线成一定角度的方向拍摄平面靶标在两个不同位置的图像。具体的标定过程参照图3所示，包括以下步骤： 

步骤201a：将平面靶标放置在位置1，激光位移传感器1、2和3发射的激光光线分别投射到平面靶标上，分别形成光点P₀₁、P₀₂和P₀₃，此光点作为测量基准点。此时，激光位移传感器1、2和3的传感器读数分别为Z₀₁、Z₀₂和Z₀₃。 

这里，平面靶标放置的位置1与激光位移传感器之间的位置关系就是：位置1处于图1所示的位置S1、或位置S2、或位置S1到位置S2之间的任意位置。 

步骤201b：面阵CCD摄像机300拍摄平面靶标图像，根据摄像机模型得到靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系；然后提取靶标特征点图像坐标，通过图像平面和靶标平面之间的透视映射关系，获得平面靶标上光点P₀₁、P₀₂和P₀₃在靶标坐标系下的坐标；最后再将靶标坐标系下的坐标转换为摄像机坐标系下的坐标，分别为(x₀₁，y₀₁，z₀₁)、(x₀₂，y₀₂，z₀₂)和(x₀₃，y₀₃，z₀₃)； 

这里，靶标坐标系是指以平面靶标所处位置为基准的坐标系，摄像机坐标系是指以面阵CCD摄像机所处位置为基准的坐标系，具体如何获得平面靶标上光点在靶标坐标系下的坐标、以及如何从靶标坐标系下坐标转换为摄像机坐标系下的坐标，可参见专利号为ZL200710121397.X的发明专利“一种结构光视觉传感器结构参数标定方法”。 

步骤201c：将平面靶标移动放置到位置2，此时激光位移传感器1、2和3发射的激光光线分别投射到平面靶标上，分别形成光点P₁₁、P₁₂和P₁₃，传感器读数分别为Z₁₁、Z₁₂和Z₁₃； 

这里，平面靶标放置的位置2与激光位移传感器之间的位置关系就是：位置2处于图1所示的位置S1、或位置S2、或位置S1到位置S2之间的任意位置；并且，位置2与位置1不重合。 

步骤201d：面阵CCD摄像机300再次拍摄平面靶标图像，并按步骤201b所述方法，求出光点P₁₁、P₁₂和P₁₃在摄像机坐标系下的坐标，分别为(x₁₁，y₁₁，z₁₁)、(x₁₂，y₁₂，z₁₂)和(x₁₃，y₁₃，z₁₃)； 

步骤201e、求出三条激光光线在摄像机坐标系下的空间直线方程分别为： 

$\left\{\begin{array}{c}x=x_{01}+(x_{11}-x_{01})t\\ y=y_{01}+(y_{11}-y_{01})t\\ z=z_{01}+(z_{11}-z_{01})t\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x=x_{02}+(x_{12}-x_{02})t\\ y=y_{02}+(y_{12}-y_{02})t\\ z=z_{02}+(z_{12}-z_{02})t\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x=x_{03}+(x_{13}-x_{03})t\\ y=y_{03}+(y_{13}-y_{03})t\\ z=z_{03}+(z_{13}-z_{03})t\end{array}\right.$

其中，t为方程系数，可任意取值。根据不同的t值可得到不同光点的坐标，每个t对应一个光点。 

步骤202：基于获得的三维测量基准点和空间直线方程，根据激光位移传感器测得的被测物位移，计算被测物处于不同位置的被测光点在全局坐标系下的坐标，完成超高速实时三维视觉测量。 

这里，所述被测光点就是激光位移传感器投射到被测物上的光点。所述计算被测光点在全局坐标系下的坐标为：对于不同的被测光点，先根据激光位移传感器投射到被测物上形成的被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出该被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，即可获得该被测光点在全局坐标系下的坐标。 

下面结合具体实施例及附图3对本发明作进一步详细说明。 

本实施例中，所述超高速实时三维视觉测量装置由一台面阵CCD摄像机300和三台激光位移传感器构成，用于实现对超高速动态往复转动的舵面转动角进行测量。本实施例超高速实时三维视觉测量方法，包括以下步骤： 

步骤30：以面阵CCD摄像机300坐标系作为全局坐标系； 

这里，全局坐标系为全局三维坐标系。 

步骤31：利用激光位移传感器、三维视觉传感器以及平面靶标，标定激光光线在全局坐标系下的空间直线方程和三维测量基准点； 

这里，具体获得全局坐标系下的三维测量基准点和空间直线方程的过程，如图2中步骤201及其子步骤所述。 

步骤32：使要测量的舵面处于某位置，并以此位置为零位。 

步骤33：使用超高速实时三维视觉测量装置对舵面零位进行测量；基于三维测量基准点和空间直线方程，根据激光位移传感器所测得的位移计算被测光点在全局坐标系下的坐标。 

以激光位移传感器1为例说明三维坐标的计算方法： 

在测量时，舵面处于零位，激光位移传感器1发射的激光光线投射到舵面上，形成光点为P_i1。根据激光光线空间直线方程可知，只要知道P_i1点对应的参数t，即可求出光点P_i1在全局坐标系下的坐标。 

光点P_i1对应的激光位移传感器的传感器读数为Z_i1，则线段P_i1P₀₁长度为|Z_i1-Z₀₁|。 

光点P_i1在全局坐标系下的坐标表示为(x_i1，y_i1，z_i1)，相应的，在全局坐标系下计算线段P_i1P₀₁长度为： 

$\sqrt{{(x_{i1}-x_{01})}^2+{(y_{i1}-y_{01})}^2+{(z_{i1}-z_{01})}^2}$

$=\sqrt{{(x_{11}-x_{01})}^2{t}^2+{(y_{11}-y_{01})}^2{t}^2+{(z_{11}-z_{01})}^2{t}^2}$

$=\left|t\right|\sqrt{{(x_{11}-x_{01})}^2+{(y_{11}-y_{01})}^2+{(z_{11}-z_{01})}^2}$

由此可得： 

$\left|t\right|\sqrt{{(x_{11}-x_{01})}^2+{(y_{11}-y_{01})}^2+{(z_{11}-z_{01})}^2}=|Z_{i1}-Z_{01}|$

则： 

$\left|t\right|=\frac{|Z_{i1}-Z_{01}|}{\sqrt{{(x_{11}-x_{01})}^2+{(y_{11}-y_{01})}^2+{(z_{11}-z_{01})}^2}}$

t的符号与Z_i1-Z₀₁的符号一致，求得t后将其代入空间直线方程，即可求得光点P_i1在全局坐标系下的坐标(x_i1，y_i1，z_i1)。 

同理，求得激光位移传感器2和激光位移传感器3分别投射到舵面上，形成的光点P_i2和P_i3在全局坐标系下的坐标(x_i2，y_i2，z_i2)和(x_i3，y_i3，z_i3)。 

步骤34：根据光点P_i1、P_i2和P_i3在全局坐标系下的坐标，求出舵面处于零位的法向量。 

步骤35：控制舵面进行高速动态来回往复转动，激光位移传感器每隔0.5ms测量一次舵面上三个非共线点的三维坐标，并计算舵面在不同时刻的法向量； 

这里，激光位移传感器测量舵面三维坐标的时间间隔可根据需要且满足激光位移传感器内线阵成像器件帧频条件下任意设定。具体如何计算出舵面在零位或不同时刻的法向量为已有技术，在此不再详述。 

步骤36：计算不同时刻舵面法向量与舵面处于零位的法向量的夹角，即可得到舵面在不同时刻相对于零位的转动角。 

至此，即可实现对超高速动态往复转动的舵面转动角的测量，从而完成超高速实时三维视觉测量。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种超高速实时三维视觉测量装置，其特征在于，该测量装置包括：面阵摄像机、一个以上激光位移传感器；其中，

面阵摄像机，用于拍摄靶标图像，得到靶标坐标系到摄像机坐标系之间的变换关系；

激光位移传感器，用于投射激光光线到靶标上形成光点，得到测量基准点，基于处于不同位置的靶标，获得激光光线在摄像机坐标系作为全局坐标系下的空间直线方程；投射激光光线到被测物形成光点，根据被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。

2.根据权利要求1所述的超高速实时三维视觉测量装置，其特征在于，所述激光位移传感器进一步包括激光器、镜头、成像器件以及信号处理器；其中，

激光器，用于发射激光光线；

镜头，用于将激光器发出的激光形成光束，投射到被测物上，形成光点，并最终成像在成像器件上；

成像器件，用于成像激光器经过镜头投射在被测物上的激光光点；

信号处理器，用于产生驱动信号使成像器件正常工作，并根据光点在成像器件上的像点位置及三角几何关系，计算被测物的位移大小并输出。

3.根据权利要求2所述的超高速实时三维视觉测量装置，其特征在于，所述面阵摄像机与所述激光位移传感器中的激光器构成三维视觉传感器；

所述成像器件与信号处理器构成线阵摄像机；所述镜头为透镜。

4.根据权利要求3所述的超高速实时三维视觉测量装置，其特征在于，所述一台面阵摄像机与一个激光位移传感器构成单点超高速实时三维视觉测量装置；所述一台面阵摄像机与多于一个的激光位移传感器构成多点超高速实时三维视觉测量装置。

5.一种超高速实时三维视觉测量方法，其特征在于，该方法包括：

设置全局坐标系；

将平面靶标放置在第一位置，一个以上激光位移传感器分别发射激光光线投射到平面靶标上，分别形成光点，将此光点作为测量基准点；面阵摄像机拍摄平面靶标图像，得到靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系；提取靶标特征点图像坐标，获得平面靶标上光点在靶标坐标系下的坐标；再将靶标坐标系下的坐标转换为摄像机坐标系下的坐标；

将平面靶标移动放置到第二位置，一个以上激光位移传感器分别发射激光光线投射到平面靶标上，分别形成光点；面阵摄像机再次拍摄平面靶标图像，计算平面靶标上光点在摄像机坐标系下的坐标；求出激光光线在摄像机坐标系下的空间直线方程；

基于获得的三维测量基准点和空间直线方程，根据被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。

6.根据权利要求5所述的超高速实时三维视觉测量方法，其特征在于，所述设置全局坐标系为：将摄像机坐标系作为全局坐标系。

7.根据权利要求5或6所述的超高速实时三维视觉测量方法，其特征在于，所述计算被测光点在全局坐标系下的坐标为：

先根据激光位移传感器投射到被测物上形成的被测光点与测量基准点之间的线段长度，计算出所述被测光点对应的参数t的值；再将t代入空间直线方程，获得所述被测光点在全局坐标系下的坐标。

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