CN103256896A - 一种高速滚转体位姿测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高速滚转体位姿测量方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于视觉的高速滚转体的空间位置与姿态的精确测量方法。该测量方法采用双目视觉系统，利用左右两个高速摄像机实时采集被测滚转体的运动图像，由图形工作站将左右两个超高速摄像机传输来的图片信息进行处理。采用特殊标记点的方式，在被测滚转体表面均匀加工出36个位置已知的标记点，解决被测滚转体在运动过程中表面标记点消隐问题。采用特殊的标记点布局形式，将被测滚转体绕自身轴线每转动30度加工3个共线的标记点。本发明利用标记点特殊布局的方式很好的解决了由于目标物体滚转所产生的标记点消隐等问题，可高效完成了高速滚转体的位姿测量。

Description

一种高速滚转体位姿测量方法

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于视觉的高速滚转体的空间位置与姿态的精确测量方法。 

背景技术

物体位姿测量技术在航空、航天、军工、航海导航等各个领域都有着极为广泛的应用。物体位姿信息指的是目标物体的位置与姿态信息的统称。位置信息指的是目标物体相对于参考坐标系的平移量；而姿态信息指的是目标物体相对与参考坐标系的旋转量。在航空、航天及国防领域中，被测目标在较大视场内具有高速运动的特点，而且大多数被测目标在运动过程中还会产生绕自身的滚转，导致被测物表面的标记出现消隐问题，这些都对位姿测量的设备及技术手段都提出了更高的要求。 

南京航天航空大学的李静等人申请的发明专利CN102620656A“一种航天器交会对接相对位姿测量方法”提出将双目视觉测量方法与普吕克直线方程相结合，进行航天器交会对接相对位姿的测量。该方法通过两条异面直线在两坐标系下的相对位置关系解算出两个航天器的相对位姿信息。然而，该方法未考虑针对某些性状的被测物，例如圆柱体被测物，无法在表面制作两条异面直线等情况。北京航天航空大学的张弘等所申请的发明专利公开号为CN101419055，“一种基于视觉的空间三维位姿的测量方法与装置”中提出的测量方法：提取运动物体表面的三个标记点并建立坐标系，通过求解建立坐标系与空间坐标系的位置关系从而得到被测物体相对世界坐标系的位姿信息。第一步先对两个摄像机应用张正友等人提出的2D靶标的方法进行标定，第二步通过harris角点提取法提取被测物体表面的标记点坐标，第三步灰度与灰度的梯度信息进行特征 点匹配，第四步进行位置与姿态的测量。该测量方法不能实现在滚转的各个角度提取到被测物体表面的确定的三个标记点；在通过灰度关系匹配时没有考虑到如果匹配标记点与非匹配标记点之间灰度信息基本相同的情况，会相应的产生误匹配；在位姿参数求取中，由于只通过确定的三个点建立坐标系，导致每个点微小的位置变化都会产生角度的较大变化，导致测量结果较不稳定。 

上述发明主要研究非滚转被测物体表面空间目标点识别、空间目标垫匹配、以及位姿的测量与校准等问题，并取得了很多重要成果，但均未充分考虑滚转类物体位姿的测量问题。 

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种基于视觉的高速滚转体位姿测量方法，解决由于被测物体速度高、自身滚转等问题所产生的测量难题，采用基于双目视觉对高速运动的滚转体位姿进行测量的方法，将传统的针对非滚转体位姿测量方法扩展为对于滚转体位姿测量方法，并提高了测量的精确度，解决了位姿测量过程中由于被测物体滚转所产生的标记点消隐问题，解决了滚转体标记点难匹配等问题。 

本发明所采用的技术方案是一种基于视觉的高速滚转体位姿测量方法，采用双目视觉系统，利用左右两个高速摄像机1、1’实时采集被测滚转体7表面标记点的运动图像，由图形工作站6将左右两个高速摄像机1、1’传输来的图片信息进行处理；采用特殊标记点的方式，在被测滚转体7表面均匀加工出36个位置已知的标记点，解决被测滚转体7在运动过程中表面标记点消隐问题；并且，采用特殊的标记点布局形式，将被测滚转体7绕自身轴线每转动30度加工3个共线的标记点，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题，测量方法的具体步骤如下： 

（1）进行高速摄像机的标定 

本发明采用摄像机相对固定的方式，以精密加工的靶标板对摄像机进行标定的方法。该方法以张正友等人提出的基于2维平面靶标的摄像机标定方法为基础，并针对测量过程中相对距离高精度的测量要求，以双目测量系统空间点的重建精度作为目标函数，实现双目系统在较大视场下的高精度标定。 

首先应用张氏标定方法标定出两相机的内外参数，然后通过双目系统对已知空间参照物的重建约束作为优化目标，对双目系统中左右两个高速摄像机1，1’的内外参数进行整体优化；标定所用平面靶标是标定常用的棋盘格标定板，棋盘格标定板上各角点的世界坐标是已知的，而由双目系统重建出来的各靶标角点坐标应与实际坐标相符，各靶标角点坐标与实际坐标的偏差目标函数f(x)如下所示： 

f(x)=(X_d-X_r)²+(Y_d-Y_r)²+(Z_d-Z_r)²          (1) 

其中：X_d，Y_d，Z_d为各角点的实际坐标，而X_r，Y_r，Z_r为重建得到的各角点坐标，则可建立目标函数F(x)如下： 

$F\left(x\right)=\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f{\left(x\right)}^2---\left(2\right)$

针对该目标函数F(x)应用Levenberg－Marquardt(LM)方法进行优化，可得到双目视觉系统各摄像机内外参数的全局最优解。 

（2）标记点特征的提取 

采用梯度重心法提取被测滚转体7运动时表面的标记点，首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下： 

$C=\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right|G(i,j)|\·P(i,j)]/\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left|G(i,j)\right|---\left(3\right)$

其中：C为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标。 

（3）标记点的匹配 

采用特殊的标记点布局形式，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题；首先在被测滚转体7表面均匀加工位置已知的标记点，具体布局方式如下： 

特殊的布局方式为：在被测滚转体7表面绕被测滚转体7轴线每隔30度加工出一组标记点，共12组，每组有3个共线点，3个共线点分别分布在被被测滚转体7的头部，尾部和中间部分，将36个标记点进行1-36个数字的标号，即确定了所有36个标记点的位置关系， 

图像标记点的匹配方法首先对左高速摄像机1拍摄的图像标记点与右高速摄像机1’拍摄的图像标记点进行初匹配，初匹配方法如下：先利用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算出左右两高速摄像机1、1’的基本矩阵F，再通过左高速摄像机1拍摄图片与右高速摄像机1’拍摄图片的极限约束关系进行图像标记点的初匹配，如果左高速摄像机1拍摄的图像标记点x_l与右高速摄像机1’拍摄的图像标记点x_r匹配的话，即满足极限约束条件，极限约束条件如下所示： 

$x_l^T{\mathrm{Fx}}_r=0---\left(4\right)$

其中：x_l为左高速摄像机1拍摄的图像标记点；x_r为右高速摄像机1拍摄的与x_l匹配的图像标记点；F为左右两个高速摄像机1、1’间的基本矩阵； 

然后将所有满足极限约束条件的左右图像标记点进行三维重建，重建出空间标记点在世界坐标系下的三维坐标值，其重建公式如下所示： 

$x=\frac{{\mathrm{zX}}_1}{f_1}$

$y=\frac{{\mathrm{zY}}_1}{f_1}---\left(5\right)$

$z=\frac{f_1(f_2{t}_y-y_2{t}_z)}{Y_1(r_7{X}_1+r_8{Y}_1+r_9{f}_1)-f_2(r_4{X}_1+r_5{Y}_1+r_6{f}_1)}$

其中：x_l=[X₁ Y₁]，X₁,Y₁分别为左高速摄像机1拍摄的图像标记点x_l的横、纵坐标；x_r=[X₂ Y₂]，X₂,Y₂分别为右高速摄像机1’拍摄的图像标记点x_r的横、纵坐标；(x y z)为由左两图像标记点x_l和右两图像标记点x_r重建出来的空间标记点的三维坐标；f₁、f₂分别为左右高速摄像机1、1’的焦距； $\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]$ 为右高速摄像机1’相对于左高速摄像机1的旋转矩阵，[t_x t_y t_z]是右高速摄像机1’相对于左高速相机1的平移矩阵；得到拟匹配空间标记点在世界坐标系下的三维坐标后，通过标记点宏观位置的已知关系对标记点进一步匹配，进一步匹配的步骤如下：首先计算所有空间点每两个点间的距离，记为集合P，在集合P中分别寻找距离为L1、L2、L3、L4的标记点对，然后在满足L1、L2、L3、L4距离约束的空间标记点对所形成的直线上寻找空间标记点，并且将标记点对于满足直线条件的标记点组成三个点的小组，将匹配后的标记点与布局中的标记点一一对应，并按照布局中的标号对匹配后的标记点进行标号，排除不满足以上条件的空间标记点，完成左右图像标记点的匹配并且对匹配完成的空间标记点进行标号； 

（4）位置姿态的求解 

●标记点坐标优化 

由于光照不足、被测物体又为回转滚动体等原因，导致标记点提取精度较 低。为了保证位姿测量精度，本发明利用优化方法，合理利用标记点加工的较高位置关系来优化已经提取到的标记点坐标。 

$F\left(x\right)=\min \underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{(L_{\mathrm{ij}}-l_{\mathrm{ij}})}^2---\left(6\right)$

应用上述提出的方法有效提取并匹配了3组9个标记点，L_ij为第i标记点到第j标记点的测量距离，l_ij为第i标记点到第j标记点加工的实际距离。 

●求解投放物质心的实际坐标 

被测滚转体与标记点加工完成时，质心与标记点的相对位置已经确定，所以质心与每个标记点的实际距离已知，首先根据上述已经提取的匹配后的9个标记点到质心距离的已知条件，可以计算出被测滚转体7的质心坐标为Ot； 

$L_{Q_t{B}_1}=l_{Q_t{B}_1}$

$L_{Q_t{B}_2}=l_{Q_t{B}_2}---\left(7\right)$

$L_{Q_t{B}_3}=l_{Q_t{B}_3}$

其中：B₁、B₂、B₃为提取、匹配、标号后的三个点，为被测滚转体7的质心坐标到B₁空间标记点的测量距离，

为被测滚转体7的质心坐标到B₁空间标记点的实际距离； 

然后为便于建立被测滚转体的局部坐标系，还需要求取局部坐标系Y轴上距质心距离已知的另外一点坐标O_d，求取方法与质心求取方法一致； 

●求解被测物体位姿参数 

求解被测滚转体7的位姿信息，首先要建立被测滚转体7的局部坐标系，局部坐标系O_tX_tY_tZ_t为：以其质心O_t为局部坐标系的原点，

即为局部坐标系的Y_t轴，匹配标号后的9个标记点中选择亮度最大的标记点B；O_tX_tY_t平面即为O_tO_dB所形成的的平面； 

世界坐标系中任意点p_ow=(x_p y_p z_p)^T在变化得到的目标体坐标系 O_tX_tY_tZ_t下的坐标p_ow=(x_t y_t z_t)^T之间存在如下关系: 

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{\mathrm{wb}}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中：(x₀ y₀ z₀)为目标体坐标系原点即被测物体质心在世界坐标系中的坐标；R_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，T_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵； 

$R_{\mathrm{wb}}=R_{{\mathrm{\θ}}_Y}{R}_{{\mathrm{\θ}}_X}{R}_{{\mathrm{\θ}}_Z}=$

$\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

综上，T_wb=[x₀ y₀ z₀]^T即描述了目标体的质心在世界坐标系中的位置，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y表示了被测物体相对于世界坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角因此，只要求得R_wb，T_wb即可根据7，8求得目标模型坐标系与世界坐标系之间的关系，即获得模型相对于世界坐标系的位姿信息。 

本发明的有益效果是有效的完成了高速运动物体表面标记点的图像采集工作，并且利用标记点特殊布局的方式很好的解决了由于目标物体滚转所产生的标记点消隐等问题，完成了高速滚转体的位姿测量。 

附图说明

图1所示为基于视觉的高速滚转体位姿测量装置模型图。其中：1—左高速摄像机，1’—右高速摄像机，2—左低角度照明光源，2’—右低角度照明光源，3—左四维正交电控位移平台，3’—右四维正交电控位移平台；4—气浮防震台；5—电控平台控制箱；6—图形工作站；7—被测物体，OXYZ是世界坐标系，O_tX_tY_tZ_t是被测滚转体的局部坐标系。 

图2基于视觉方式的高速滚转体位姿测量方法的流程图。图3是圆柱体投放物为例的标记点展开图，其中：a为位于被测滚转体7头部标记点之间的距离和位于被测滚转体7尾部标记点之间的距离；b为位于被测滚转体7中间部标记点之间的距离；D为展开图宽；H为展开图长；L1为编号为1、13、25的标记点分别到编号为3、15、27的标记点间的距离；L2为编号为4、16、28的标记点分别到编号为6、18、30的标记点间的距离；L3为编号为7、19、31的标记点分别到编号为9、21、33的标记点间的距离；L4为编号为10、22、34的标记点分别到编号为12、24、36的标记点间的距离；。图4是滚转体标记点特征匹配流程图。 

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。附图1为基于视觉的高速滚转体位姿测量装置模型图。本装置通过左右两个高速摄像机1、1’采集被测滚转体7表面标记点的位置信息，建立局部坐标系，并且找到局部坐标系与世界坐标系之间的旋转、平移关系，即为被测滚转体的位姿信息。 

其装置的安装方式如下：气浮防震台4放于地面，通过M6的螺栓将气浮防震台4表面的M6螺纹孔阵列与左右两个四维正交电控位移平台3、3’上的通孔连接，左右两个高速摄像机1、1’通过转接板侧面固定于左右两个四维正交电控位移平台3、3’上；左右两个低角度照明光源2、2’通过固定支架固定在镜头上；图形工作站6与左右两个高速摄像机1、1’通过网线连接；电控平台控制箱5与左右两个四维正交电控位移平台3、3’通过数据传输线接连。标记点加工于被测滚转体7表面，左右两个高速摄像机1、1’将采集到的标记点的运动信息通过网线传输与图形工作站6，图形工作站6通过后期处理求出被测滚转体7在空间的姿态信息。 

本发明采用分别带有广角镜头的两个高速摄像机1、1’拍摄物体运动情况，超高速摄像机型号为FASTCAM SAX摄像机，分辨率（有效像素）：1024*1024，CCD面积：2cm*2cm，帧频：保证分辨率1024*1024情况下最多可达10000fps，重量：12.6kg。广角镜头型号为AF-S17-35mm f/2.8D IF-ED参数如下所示，镜头焦距：f=17-35，APS焦距：25.5-52.5，最大光圈：F2.8，最小光圈：F22，镜头重量：745g，镜头尺寸：82.5×106。拍摄条件如下：高速摄像机帧频为3000fps，图片像素为1024×1024，镜头焦距为17mm，物距为750mm，视场约为800mm×800mm。 

首先通过图形工作站控制四维正交电控位移平台3、3’移动，调整超高速摄像机1、1’的测量位置，然后打开两个低角度光源2、2’.以提高测量空间的亮度，最后由图形工作站6进行双目图像标定、双目图像的特征点提取、滚转体特征点的匹配、滚转体位姿测量等工作。 

附图2是基于视觉方式的高速滚转体位姿测量方法的流程图，位姿测量的主要过程包括左右两个高速摄像机1、1’的标定，左右图像标记点的提取，左右图像标记点的匹配与标号，被测滚转体7位姿信息的求解。其中左右两个高速摄像机标定模块是利用棋盘格标定板对左右两高速摄像机1、1’的内外参数进行求解；双目图像的标记点提取模块是利用梯度重心法对左右图像的标记点中心进行提取；双目图像的标记点匹配模块是将左右图像的标记点进行匹配，重建出空间标记点三维坐标并且进行标号；位姿求解模块 

（1）进行高速摄像机的标定 

本发明采用摄像机相对固定的方式，以精密加工的靶标板对摄像机进行标定的方法。该方法以张正友等人提出的基于2D平面靶标的摄像机标定方法为基础，并针对测量过程中相对距离高精度的测量要求，以双目测量系统空间点的 重建精度作为目标函数。并采用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算得到基本矩阵，两高速相机的内参数K，外参数[R T],畸变系数k以及基本矩阵F如表1所示： 

表1左右相机参数标定结果 

采用张氏标定方法可较准确的求取相机的内外参数，再加上以双目测量系统空间点的重建精度作为目标函数对内外参数进行整体优化，进一步提高较大视场下标记参数的可信度，标定的精度最终可达到0.3mm。采用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算得到基本矩阵也较为准确。 

（2）标记点特征的提取 

采用上述提到的梯度重心法分别提取左右图像上标记点的像素坐标值。左图像提取9个标记点为X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈、X₉；右图像提取9个标记点为X₁’、X₂’、X₃’、X₄’、X₅’、X₆’、X₇’、X₈’、X₉’。 

（3）标记点的匹配 

附图3是圆柱体投放物为例的标记点展开图，将标记点布置图绕被测滚转 体7的母线展开。其中：展开图的长H为被测滚转体7的长度，展开图的宽D为被测滚转体7的周长,D=2πr，r为被测滚转体7的半径。标记点的布局方式为：在被测滚转体7表面加工12组标记点，每组有3个共线点，3个共线点分别分布在被测滚转体7的头部，尾部和中间部分，每组标记点所在直线距离为 

将36个标记点进行1-36个数字的标号。 

附图4滚转体标记点特征匹配流程图，图像标记点的匹配方法首先对左高速摄像机1拍摄的图像标记点与右高速摄像机1’拍摄的图像标记点进行初匹配，初匹配方法如下：通过左高速摄像机1拍摄图片与右高速摄像机1’拍摄图片的极限约束关系进行图像标记点的初匹配，然后将所有满足极限约束条件的左右图像标记点进行三维重建，重建出空间标记点在世界坐标系下的三维坐标值，得到拟匹配空间标记点在世界坐标系下的三维坐标后，通过标记点宏观位置的已知关系对标记点进一步匹配，进一步匹配的步骤如下：首先计算所有空间点每两个点间的距离，记为集合P，在集合P中分别寻找距离为L1、L2、L3、L4的标记点对，然后在满足L1、L2、L3、L4距离约束的空间标记点对所形成的直线上寻找空间标记点，并且将标记点对于满足直线条件的标记点组成三个点的小组，将匹配后的标记点与布局中的标记点一一对应，并按照布局中的标号对匹配后的标记点进行标号，排除不满足以上条件的空间标记点，完成左右图像标记点的匹配并且对匹配完成的空间标记点进行标号； 

左右图像9个标记点的匹配方式有81种，而只有9种是正确匹配，利用上述极限约束可以排除其中69种，剩下12种匹配方式，再利用如图3所示的特殊的布置点方式，根据如图4所示的匹配流程，最终排除剩下3种方式，并且为匹配出的左右图像标记点进行标号。匹配后的9个点标号分别为：1、2、3、4、5、6、7、8、9。 

（4）位置姿态的求解 

根据标记点编号确定9个点到被测滚转体7质心距离，依据上述求解过程求解被测滚转体7质心坐标然后确定局部坐标系，再通过局部坐标系与世界坐标系的关系求解被测滚转体的位姿信息，所得的被测物体在0-0.01s内的位置姿态信息如表4所示，其中X方向位移、Y方向位移、Z方向位移分别为被测滚转体7质心在世界坐标系下的坐标，X轴角度、Y轴角度、Z轴角度分别为被测滚转体7运动时的相对于世界坐标系的俯仰角度、滚转角度以及偏航角度。 

表40-0.01s内投放物的位姿参数 

投放过程中，模拟目标以某特定角近似无初速度释放并应用本系统进行位 姿测量，由上述测量结果可见，被测滚转体绕X轴，绕Y轴与绕Z轴的转动角，在投放过程中分别保持在5°，60°与－3°左右，与投放的初始位姿相近。模拟目标沿X轴，Y轴的坐标量在投放过程中分别保持在100mm与64mm左右，而Z轴位移由290mm到267mm之间呈抛物线形变化，这与模拟目标只受重力作用而无初速度释放的实验过程基本符合。 

本发明较好的解决了被测滚转体在绕自身做滚转运动时表面标记点的消隐问题，并且解决了小标记点在高速运动时难匹配等问题，很好的完成了高速运动滚转体位姿信息的测量。 

Claims (1)

1.一种基于视觉的高速滚转体位姿测量方法，其特征是，采用双目视觉系统，利用左右两个高速摄像机（1、1’）实时采集被测滚转体（7）的运动图像，由图形工作站（6）将左右两个超高速摄像机（1、1’）传输来的图片信息进行处理；采用特殊标记点的方式，在被测滚转体（7）表面均匀加工出36个位置已知的标记点，解决被测滚转体（7）在运动过程中表面标记点消隐问题；并且，采用特殊的标记点布局形式，将被测滚转体（7）绕自身轴线每转动30度加工3个共线的标记点，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题，测量方法的具体步骤如下：

首先通过图形工作站控制四维正交电控位移平台（3、3’）移动，调整超高速摄像机（1、1’）的测量位置，然后打开两个低角度光源（2、2’）.以提高测量空间的亮度，最后由图形工作站（6）进行双目图像标定、双目图像的特征点提取、滚转体特征点的匹配、滚转体位姿测量；

（1）两个高速摄像机的标定

首先应用张氏标定方法标定出两相机的内外参数，然后通过双目系统对已知空间参照物的重建约束作为优化目标，对双目系统中左右两个高速摄像机（1、1’）的内外参数进行整体优化；标定所用平面靶标是标定常用的棋盘格标定板，棋盘格标定板上各角点的世界坐标是已知的，而由双目系统重建出来的各靶标角点坐标应与实际坐标相符，各靶标角点坐标与实际坐标的偏差目标函数f(x)如下所示：

f(x)=(X_d-X_r)²+(Y_d-Y_r)²+(Z_d-Z_r)²              (1)

其中：X_d，Y_d，Z_d为各角点的实际坐标，而X_r，Y_r，Z_r为重建得到的各角点坐标，则可建立目标函数F(x)如下：

$F\left(x\right)=\min \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f{\left(x\right)}^2---\left(2\right)$

针对该目标函数F(x)应用Levenberg－Marquardt(LM)方法进行优化，可得到双目视觉系统各摄像机内外参数的全局最优解；

（2）标记点特征的提取

采用梯度重心法提取被测滚转体（7）运动时表面的标记点，首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下：

$C=\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right|G(i,j)|\·P(i,j)]/\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left|G(i,j)\right|---\left(3\right)$

其中：C为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标；

（3）标记点的匹配与标号

采用特殊的标记点布局形式，将传统方法中对个别标志特征的匹配问题转化为对布局宏观特征的匹配问题；首先在被测滚转体（7）表面均匀加工位置已知的标记点，具体布局方式如下：

特殊的布局方式为：在被测滚转体（7）表面绕被测滚转体（7）轴线每隔30度加工出一组标记点，共12组，每组有3个共线点，3个共线点分别分布在被被测滚转体（7）的头部，尾部和中间部分；将36个标记点进行1-36个数字的标号，即确定了所有36个标记点的位置关系；

图像标记点的匹配方法首先对左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点与右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点进行初匹配，初匹配方法如下：先利用Longguet-Higgins提出的归一化8点算法计算出左右两高速摄像机（1、1’）的基本矩阵F，再通过左高速摄像机（1）拍摄图片与右高速摄像机（1’）拍摄图片的极限约束关系进行图像标记点的初匹配，如果左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点x_l与右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点x_r匹配的话，即满足极限约束条件，极限约束条件如下所示：

$x_l^T{\mathrm{Fx}}_r=0---\left(4\right)$

其中：x_l为左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点；x_r为右高速摄像机（1）拍摄的与x_l匹配的图像标记点；F为左右两个高速摄像机（1、1’）间的基本矩阵；

然后将所有满足极限约束条件的左右图像标记点进行三维重建，重建出空间标记点在世界坐标系下的三维坐标值，其重建公式如下所示：

$x=\frac{{\mathrm{zX}}_1}{f_1}$

$y=\frac{{\mathrm{zY}}_1}{f_1}---\left(5\right)$

$z=\frac{f_1(f_2{t}_y-y_2{t}_z)}{Y_1(r_7{X}_1+r_8{Y}_1+r_9{f}_1)-f_2(r_4{X}_1+r_5{Y}_1+r_6{f}_1)}$

其中：x_l=[X₁ Y₁]，X₁,Y₁分别为左高速摄像机（1）拍摄的图像标记点x_l的横、纵坐标；x_r=[X₂ Y₂]，X₂,Y₂分别为右高速摄像机（1’）拍摄的图像标记点x_r的横、纵坐标；(x y z)为由左两图像标记点x_l和右两图像标记点x_r重建出来的空间标记点的三维坐标；f₁、f₂分别为左右高速摄像机（1、1’）的焦距； $\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]$ 为右高速摄像机（1’）相对于左高速摄像机（1）的旋转矩阵，[t_x t_y t_z]是右高速摄像机（1’）相对于左高速相机（1）的平移矩阵；得到拟匹配空间标记点在世界坐标系下的三维坐标后，通过标记点宏观位置的已知关系对标记点进一步匹配，进一步匹配的步骤如下：首先计算所有空间点每两个点间的距离，记为集合P，在集合P中分别寻找距离为L1、L2、L3、L4的标记点对，然后在满足L1、L2、L3、L4距离约束的空间标记点对所形成的直线上寻找空间标记点，并且将标记点对于满足直线条件的标记点组成三个点的小组，将匹配后的标记点与布局中的标记点一一对应，并按照布局中的标号对匹配后的标记点进行标号，排除不满足以上条件的空间标记点，完成左右图像标记点的匹配并且对匹配完成的空间标记点进行标号；

（4）位置姿态的求解

●标记点坐标优化

利用特殊布局标记点的位置关系，将上述匹配完的空间标记点坐标进行优化，提高坐标精度目标函数F(x)如下所示：

$F\left(x\right)=\min \underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{(L_{\mathrm{ij}}-l_{\mathrm{ij}})}^2---\left(6\right)$

L_ij为标号为i的标记点到标号为j的标记点的测量距离，l_ij为标号为i标记点到标号为j标记点加工的实际距离；

●求解被测滚转体的质心实际坐标

被测滚转体与标记点加工完成时，质心与标记点的相对位置已经确定，所以质心与每个标记点的实际距离已知，首先根据上述已经提取的匹配后的9个标记点到质心距离的已知条件，可以计算出被测滚转体（7）的质心坐标为O_t；

$L_{Q_t{B}_1}=l_{Q_t{B}_1}$

$L_{Q_t{B}_2}=l_{Q_t{B}_2}---\left(7\right)$

$L_{Q_t{B}_3}=l_{Q_t{B}_3}$

其中：B₁、B₂、B₃为提取、匹配、标号后的三个点，

为被测滚转体（7）的质心坐标到B₁空间标记点的测量距离，

为被测滚转体（7）的质心坐标到B₁空间标记点的实际距离；

然后为便于建立被测滚转体的局部坐标系，还需要求取局部坐标系Y轴上距质心距离已知的另外一点坐标O_d，求取方法与质心求取方法一致；

●求解被测滚转体位姿参数

求解被测滚转体（7）的位姿信息，首先要建立被测滚转体（7）的局部坐标系，局部坐标系O_tX_tY_tZ_t为：以其质心O_t为局部坐标系的原点，

即为局部坐标系的Y_t轴，匹配标号后的9个标记点中选择亮度最大的标记点B；O_tX_tY_t平面即为O_tO_dB所形成的的平面；

世界坐标系中任意点p_ow=(x_p y_p z_p)^T在变化得到的目标体坐标系O_tX_tY_tZ_t下的坐标p_ow=(x_t y_t z_t)^T之间存在如下关系:

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{\mathrm{wb}}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中：(x₀ y₀ z₀)为目标体坐标系原点即被测物体质心在世界坐标系中的坐标；R_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，T_wb为局部坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵；

$R_{\mathrm{wb}}=R_{{\mathrm{\θ}}_Y}{R}_{{\mathrm{\θ}}_X}{R}_{{\mathrm{\θ}}_Z}=$

$\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

综上，T_wb=[x₀ y₀ z₀]^T描述了目标体的质心在世界坐标系中的位置，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y表示了被测物体相对于世界坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角因此，只要求得R_wb，T_wb即可根据公式（8），（9）求得目标模型坐标系与世界坐标系之间的关系，来获得模型相对于世界坐标系的位姿信息。

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