[发明专利]一种基于激光跟踪仪的双目视觉拼接方法

摘要

本发明一种基于激光跟踪仪的双目视觉拼接方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于激光跟踪仪的双目视觉拼接方法。该方法针采用激光跟踪仪和双目视觉系统进行三维数据拼接，整个拼接过程包括双目视觉系统自身的标定、双目视觉测量系统与控制点的标定、数据获取、转换矩阵求解步骤；通过将不同位置获得的测量数据根据其转换矩阵统一至全局坐标系下，完成三维数据拼接。该方法不需要人工布置标记点，测量效率高且范围大，充分结合了视觉测量速度快和激光跟踪仪测量精度高的优势，能够实现大型航空零部件的高精度快速全局测量，并且坐标转换链简单，多区域测量无累积误差，适用性广。

主权项

1.一种基于激光跟踪仪的双目视觉拼接方法，其特征是，该方法采用激光跟踪仪和双目视觉系统进行三维数据拼接，并将激光跟踪仪自身坐标系作为全局坐标系，双目视觉系统坐标系作为局部坐标系和控制点坐标系；整个拼接过程包括双目视觉系统自身的标定、双目视觉测量系统与控制点的标定、数据获取、转换矩阵求解步骤；通过将不同位置获得的测量数据根据其转换矩阵统一至全局坐标系下，完成三维数据拼接；该方法的具体步骤如下：第一步、安装测量拼接系统并建立坐标系首先，将左相机支座(2)和右相机支座(8)固定在连接杆(9)上，再分别将左、右相机(3、7)固定在相机支座上；把激光器(4)通过螺钉固定在激光器转台(11)上，再把转台(11)固定在连接杆(9)上；将靶座(6)固定在连接杆(9)上；将连接杆(11)固定在三脚架(10)上，把激光跟踪仪的左上、右上、左下、右下反射球(12、13、14、15)分别安装到靶座(6)上作为控制靶点；并调整左、右相机(3、7)的位置及激光器(4)的位置，以左相机(3)的光心作为局部坐标系的原点，相机成像平面的u方向为x方向，光轴方向为z轴方向，建立右手坐标系；将激光跟踪仪反射球的靶座(6)固定在双目视觉测量系统上，把激光跟踪仪的左上、右上、左下、右下反射球(12、13、14、15)分别安装到靶座(6)上作为控制靶点，用于确定双目视觉测量系统的位姿，选取激光跟踪仪的左上反射球(12)的中心作为控制点坐标系的原点，将激光跟踪仪的左上、右上反射球(12、13)中心连接作为控制点坐标系x轴，再选激光跟踪仪左下反射球(14)与激光跟踪仪的左上、右上反射球(12、13)构成一平面，其法线方向为z轴方向，建立控制点坐标系；并将激光跟踪仪(1)放置合适的位置，调节其为水平状态，连接激光跟踪仪，建立激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系；第二步、标定全局测量系统1)双目视觉测量系统的标定根据被测件(5)及测量精度要求调节双目相机的视场大小，利用与视场大小相匹配的棋盘格标定板放置于双目视觉系统的测量范围内的不同位置，左右相机同步触发采集多张标定板图片，采用张氏标定方法标定相机，得到双目视觉系统的内外参数；2)双目视觉测量系统与控制点的标定标定双目视觉测量系统的局部坐标系与控制靶点坐标系之间的转换关系，用已经标定好的双目视觉测量系统拍照得到其所有视觉反射球的像素坐标，左相机像素坐标为右相机像素坐标为根据双目测量系统的内外参数计算得到反射球球心点在局坐标系下的三维坐标计算公式如下：其中，c₁和c₂分别为左右相机的有效焦距，与分别为左相机坐标系到右相机坐标系的旋转矩阵与平移向量，最终得到点集p^v：依次测量激光跟踪仪反射球的球心点在全局坐标系下的三维坐标得到点集p^t，和对应同一点：根据下面的公式求得该位置下局部坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量取i≥3，即在视觉视场内布置三个或三个以上的靶点，对局部坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量进行优化，先利用上式求出旋转矩阵和平移矩阵的初值和再利用四元数法优化矩阵，得到最终的和再次利用激光跟踪仪测量固定于双目测量系统上的控制靶点的三维坐标控制靶点在控制靶点坐标系中的坐标值为根据下面的公式利用上面同样的方法求得控制靶点坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量设局部坐标系到控制靶点坐标系之间的旋转矩阵和平移向量分别为和若已知一点a在局部坐标系的坐标表示为a^v，在控制点坐标系下的坐标表示为a^c，则其在全局坐标系下的坐标a^t可表示为：或将式(6)的第一个公式带入到第二个公式中得到：联立式(7)和式(8)，即可求得局部坐标系到控制靶点坐标系的旋转矩阵和平移向量从而完成拼接系统的标定；第三步、数据获取1)将双目测量系统移动至被测件(5)的第一个合适位置，开启激光器(4)，对被测件型面进行自动扫描并拍摄图像，提取光条灰度重心的像素坐标，并根据公式(1)重建得到被测件表面在局部坐标系下的三维数据点1pv的坐标；2)激光跟踪仪(1)测量双目测量系统上控制点qc，得到该位置下控制点在全局坐标系下的三维坐标1qt；3)移动双目测量系统至下一测量位置，即第i个位置，重复步骤1)，2)，得到在当前位置下被测件型面的三维数据点的局部坐标ipv及控制点在全局坐标系下的三维坐标iqt；直至将整个被测件的型面全部测量完获得所有的数据点ipv和iqt为止；第四步、数据拼接根据第二步的标定结果，先将各个位置下型面的三维点ipv在局部坐标系下的坐标转换到控制靶点坐标系下，公式为：然后利用各个位置下激光跟踪仪测得的控制靶点的坐标值_iq^t及控制靶点在控制靶点坐标系下的坐标q^c根据公式(5)求得第i个位置控制靶点坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量利用下述公式将各个位置型面三维点在控制靶点坐标系下的坐标值_ip^c转换至全局坐标系下：则最终整个型面可表示为pt：pt＝[1pt,2pt,…,ipt,…]  (12)从而实现被测件整个型面的测量，完成拼接。