CN108871190A - 一种用于双目立体视觉测量中的手持球型靶标及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双目立体视觉测量中的手持球型靶标及测量方法，手持球型靶标由球体、连接杆和测头组成，其中球体上打有一个螺纹孔，螺纹孔轴线通过球心，在垂直于螺纹孔轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点；连接杆将球体和测头通过螺纹连接起来，同时要保证测头中心，连接杆轴线和球心在一条直线上。球体表面特征点在球坐标系下的坐标是已知的，因此球型靶标可以作为3D靶标对相机进行标定，也可以作为手持靶标完成测量功能。球型靶标将3D靶标和手持靶标融为一体，减少了双目立体视觉测量系统的硬件组成，同时克服了传统平面靶标的测量位姿受限的不足，提高了测量的效率和适应性。

Description

一种用于双目立体视觉测量中的手持球型靶标及测量方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，涉及一种用于双目立体视觉测量中的手持球型靶标及测量方法。

背景技术

在基于手持靶标的双目立体视觉测量系统中，手持靶标是测量系统的核心部件之一，手持靶标上特征点坐标的定位精度直接影响着测头中心点的定位精度，是影响基于手持靶标的双目立体视觉测量系统精度的重要因素之一。

目前的手持靶标多是平面靶标并以LED为特征点，即把若干LED嵌在同一个平面上，测量时利用灰度重心法或者加权灰度重心法求得特征点像面光斑中心作为物理中心来计算特征点坐标。由于LED成像的光亮度与LED和相机的相对位置有关，这就使得求得的特征中心不稳定，导致特征点的提取出现偏差。所以，使用LED作为特征点将不可避免的引入误差。另外，特征点分布在一个平面，在测量时会使光笔的位姿受到限制，因为当靶标平面与CCD成像平面夹角过大时，会降低特征点的提取精度甚至提取特征点失败，严重影响立体视觉测量系统的测量精度。

发明内容

针对上述平面靶标的不足，本发明的目的在于提出一种用于双目立体视觉测量中的手持球型靶标及测量方法来克服传统平面靶标测量时位姿受到限制的问题。

本发明提出了一种用于双目立体视觉系统中的手持球型靶标包括依次固定连接的球体、连接杆和测头，连接杆和和测头的中轴线过球体的球心，测头用来与被测点接触，球体的球面上，在垂直于连接杆轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点。

进一步的，连接杆上设置有弧形的手握部。

进一步的，分布有特征点的纬圆等间距布置。

进一步的，特征点为圆点、直线交点、十字交叉点或黑白相间块的角点。

一种基于手持球型靶标进行立体视觉测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用球靶标对双相机进行标定，得到左、右相机的内外参数；

步骤2、对球靶标进行自标定，得到球心到测头中心点的距离L；

步骤3、利用球靶标进行测量，得到测头下端面中心点的坐标，测头下端面中心点的坐标即被测点的坐标，具体包括以下步骤：

步骤3.1、测头接触被测点，用左、右相机拍摄一副球靶标图像；

步骤3.2、对左、右相机共同视场内的特征点进行检测，得到其在左右球靶标图像上的图像坐标；

步骤3.3、利用左、右相机的相机内外参数和特征点的图像坐标对特征点进行三维还原，得到特征点在相机坐标系下的三维坐标；

步骤3.4、根据特征点在相机坐标系下的三维坐标对球体进行球心拟合，得到球心的三维坐标；

步骤3.5、根据特征点在相机坐标系下的三维坐标和球心坐标求出球心和测头中心连线的方向向量；

步骤3.6、根据球心三维坐标，球心与测头之间的方向向量和距离L求出测头下端面中心点坐标。

进一步的，步骤3.6中,由球心坐标，球心与测头中心连线长度L，方向向量即可分别求得测头下端面中心点的xyz坐标，由下式计算求出：

进一步的，利用球型靶标进行双相机标定的步骤包括步骤1.1至步骤1.4：

步骤1.1、利用双目立体视觉系统拍摄一副球靶标图像，并对处于左右相机共同视场内的特征点进行亚像素定位，得到特征点的图像坐标；

步骤1.2、建立球坐标系，得到上述特征点在球坐标系下的世界坐标；

步骤1.3、根据特征点在世界坐标系下的坐标和图像坐标计算得到左右相机的内外参数，并进行非线性优化；

步骤1.4、根据左右相机对同一世界坐标系的转换关系，得到左右相机坐标系之间的平移旋转矩阵，完成双相机的标定。

进一步的，对球靶标进行自标定，得到球心与测头下端面中心之间的距离L，自标定的方法为：

步骤2.1、把测头放置在一个倒锥中，球靶标绕以测头为球心旋转n个位置拍摄n幅图像；

步骤2.2、对在每个位置拍摄得到的左右图像进行亚像素特征点检测，得到在左右相机共同视场中的特征点图像坐标，利用相机的内外参数对特征点进行三维还原，得到特征点在左相机坐标系下的坐标；

步骤2.3、由特征点在左相机坐标系下的坐标进行球心拟合，拟合出球体半径R和球心的XYZ坐标，然后依次求出n个位置的球靶标的球心坐标；

步骤2.4、由所得到的n个球心坐标进行球心拟合，最后所得到的球心坐标即为测头中心坐标，所得到的球的半径即为球靶球心与测头中心点之间的距离L。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明提出的手持球型靶标球体表面上分布坐标是已知的特征点，特征点在球体坐标系下的坐标已知，在测量时，无论球靶标处于何种位姿都有合适的特征点在双相机的共同视场中，克服了现有双目立体视觉系统中平面靶标测量时位姿受限的不足。球型靶标可以作为手持靶标完成测量功能，操作方便；球型靶标将3D靶标和手持靶标融为一体，减少了双目立体视觉测量系统的硬件组成，同时克服了传统平面靶标的测量位姿受限的不足，提高了测量的适应性。

进一步的，由于特征点的精度高，由于球体表面分布的特征点在球坐标系下的坐标是已知的，因此球型靶标可以作为3D靶标对相机进行标定。

进一步的，对特征点的亚像素检测能够避免LED作为特征点时，特征点定位不稳定的缺陷。

进一步的，连接杆上设置有弧形的手握部，在使用时，方便手握。

进一步的，分布有特征点的纬圆等间距布置，方便计算不同特征点在不同坐标系下的坐标，提高测量效率。

附图说明

图1为实施例1的球靶标结构示意图；

图2为实施例2的靶标结构样式示意图；

图3为球靶标球体部分透视成像示意图；

附图中：1、球体，2、连接杆，3、测头，4、特征点，5、手握部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，手持球型靶标包括球体1、连接杆2和测头3，球体1为空心球体，球体1上攻有一个螺纹孔，用于和连接杆2相连，螺纹孔轴线通过球体中心，在垂直于螺纹孔轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点，特征点4可以为圆心点(图2)、直线交点、十字交叉点、黑白相间块的角点(图1)等特征点，这些特征点在球面上的坐标精确可知。连接杆2一端攻有外螺纹，一端攻有内螺纹，分别用于与球体1和测头3相连，且连接杆2可以根据不同的应用场合和待测工件特征选用不同的长度和形状(图2)，测头3用来与被测点接触。

实施例1

照图1，手持球型靶标包括球体1、连接杆2和测头3，球体1上攻有一个螺纹孔，用于和连接杆2相连，螺纹孔轴线通过球体中心，在垂直于螺纹孔轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点4，特征点为黑白相间块的角点(黑白块相交处为特征点)，特征点布置在间隔15°的经线上，在横向上，特征点布置在间隔15°的纬线上。连接杆2包括圆柱体和设置在圆柱体下端的关于圆柱体的轴线对称的弧形杆，两个弧形杆两端闭合，形成手握部5，便于手握；圆柱体上端攻有外螺纹，弧形杆下端攻有内螺纹，分别用于与球体1和测头3相连，测头的中轴线过球体1的球心。

实施例2

照图2，手持球型靶标包括球体1、连接杆2和测头3，球体1上攻有一个螺纹孔，用于和连接杆2相连，螺纹孔轴线通过球体中心，在垂直于螺纹孔轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点4，特征点4为圆点，特征点4布置在间隔15°的经线上，在横向上，特征点4布置在间隔15°的纬线上，这些特征点在球面上的坐标精确可知。且连接杆2位圆柱体，连接杆2一端攻有外螺纹，一端攻有内螺纹，分别用于与球体1和测头3相连，测头3用来与被测点接触，测头的中轴线过球体1的球心。

图3为本发明球靶标球体部分透视成像示意图。OXYZ，O_rX_rY_rZ_r坐标系分别为左右相机坐标系，O，O_r分别为左右相机光心，U_lV_l，U_rV_r分别为左右相机图像像素坐标系，O_wX_wY_wZ_w为球靶标所在的球坐标系(即世界坐标系)，O_w为球心所在位置，Z_w方向与球心和测头中心点连线方向重合。

基于手持球型靶标的双目立体视觉测量方法包括三个步骤：首先利用球型靶标对双相机进行标定，得到相机的内外参数；然后利对球靶标进行自标定，得到球靶球心到测头中心点距离L，最后利用球靶标进行测量，得到测头下端面中心点的坐标。具体为：

步骤1、其中利用球型靶标实现双相机标定的步骤为：

步骤1.1、利用双目立体视觉系统拍摄一副球靶标图像，并对处于左右相机共同视场内的特征点进行亚像素定位，得到特征点的图像坐标(u_i，v_i)；

步骤1.2、建立球坐标系，得到上述特征点在球坐标系下的世界坐标(X_wi，Y_wi，Z_wi)；

步骤1.3、根据相机成像模型，特征点在世界坐标系下的坐标(X_wi，Y_wi，Z_wi)及其图像坐标(u_i，v_i)具有如下关系：

为特征点图像坐标的扩展矩阵；为特征点世界坐标扩展矩阵；s为任意比例系数；R，t为相机外参，分别为世界坐标系O_wX_wY_wZ_w到被标定相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；A为相机内参矩阵：

(u₀，v₀)为主点坐标，f_x，f_y分别为被标定相机的x，y轴向的等效焦距，γ是成像平面倾斜因子。求出线性模型下得相机内外参数后，再对其进行非线性优化，求出非线性模型下的相机内外参数以及相机的非线性畸变参数k₁，k₂，p₁，p₂即可完成单相机的标定。具体计算方法、步骤可参考文章“张捷,李新德,戴先中.基于立体靶标的相机标定方法[J].东南大学学报(自然科学版),2011,41(3):543-548.”。

步骤1.4、根据步骤1.3求出的左右相机相对球坐标系的平移旋转矩阵：

P_l，P_r，P_w，分别为特征点在左相机坐标系，右相机坐标系和世界坐标系下的坐标，R_l，t_l，R_r，t_r，分别为世界坐标系到左相机坐标系和右相机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，R_l，t_l，R_r，t_r由步骤1.3求得。

对式(3)，消去P_w可得

从而右相机坐标系到左相机坐标系的旋转、平移矩阵R，t为：

得到左右相机坐标系之间的平移矩阵t和旋转矩阵R，完成双相机的标定。

步骤2、对球靶标进行自标定，得到球心与测头下端面中心之间的距离L，自标定的方法为：

步骤2.1、把测头放置在一个倒锥中，球靶标绕以测头为球心旋转n个位置拍摄n(n>3,N越大精度越高)幅图像；

步骤2.2、对在每个位置拍摄得到的左右图像进行亚像素特征点检测，得到在左右相机共同视场中的特征点图像坐标(u_li，v_li)(i＝1，2……m)利用相机的内外参数对特征点进行三维还原，得到特征点在左相机坐标系下的坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2……m)；

步骤2.3、由步骤2.2得到的特征点在左相机坐标(x_i，y_i，z_i)进行球心拟合，球表面的一般表达式为：

(x-x_c)²+(y-y_c)²+(z-z_c)²＝R² (6)

x_c，y_c，z_c为球心的XYZ坐标，R为球体半径。则利用同心球半径不变的约束联合所有球心建立误差最小化函数：

由球面上的特征点坐标(x_i，y_i，z_i)拟合出球体半径R和球心的XYZ坐标(x_c，y_c，z_c)。

同理，依次求出n个位置的球靶标的球心(x_cj，y_cj，z_cj)(j＝1，2……n)；

步骤2.4、由所得到的n个球心坐标进一步进行球心拟合，最后所得到的球心坐标即为测头中心坐标，所得到的半径即为球靶球心与测头中心点之间的距离L。

步骤3、对工件进行测量，测量及数据处理步骤如下：

步骤3.1、使测头接触待测点，利用左、右相机拍摄一副球靶标图像；

步骤3.2、如步骤2.2和步骤2.3所述，求得特征点的世界坐标(x_i，y_i，z_i)(左相机坐标系就是最后统一的世界坐标系)，并拟合出球心(x_c，y_c，z_c)；

步骤3.3、利用步骤3.2中处于一条经线上的特征点和球心(x_c，y_c，z_c)进行平面拟合，得到特征点所在平面的法线向量，设特征点分布在k条经线上，且每条经线上的特征点不少于2个，则可得到k个面的法线向量(x_t，y_t，z_t)(t＝1，2……k)，令球心和测头中心连线方向向量为(a，b，c)，由于球靶上螺纹孔轴线通过球靶球心，所以球心和测头下端面中心点连线应在每条经线和球心所组成的面上，则有:

x_t*a+y_t*b+z_t*c＝0，(t＝1，2……k) (8)，

即

令

利用最小二乘法对A进行SVD分解，

[U S V]＝svd(A) (11)，

其中U由A*A^T的特征向量组成，V由A^T*A的特征向量组成，S为奇异值矩阵，S中最小的奇异值对应的V中的奇异向量即为球心以测头中心连线方向(a，b，c)。

步骤3.4、由球心坐标(x_c，y_c，z_c)，球心与测头中心连线长度L，方向(a，b，c)即可分别求得测头中心点的xyz坐标，

综上所述，本发明设计了一种手持球型靶标，并将它应用于双目立体视觉系统中，既可以作为立体靶标对相机进行标定，减少了系统的硬件组成，又可以作为手持靶标用于测量中，能够有效克服平面靶标的测量位姿受限，以及靶标平面与相机平面夹角过大时会引起特征点提取偏差等的不足，提高了测量的效率和适应性。

Claims (8)

1.一种用于双目立体视觉测量的手持球型靶标，其特征在于，包括依次固定连接的球体(1)、连接杆(2)和测头(3)，连接杆(2)和和测头(3)的中轴线过球体(1)的球心，测头(3)用来与被测点接触，球体(1)的球面上，在垂直于连接杆(2)轴线的纬圆上分布有按照已知方式布置的特征点(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于双目立体视觉测量的手持球型靶标，其特征在于，连接杆(2)上设置有弧形的手握部(5)。

3.根据权利要求1所述的一种用于双目立体视觉测量的手持球型靶标，其特征在于，分布有特征点(4)的纬圆等间距布置。

4.根据权利要求1所述的一种用于双目立体视觉测量的手持球型靶标，其特征在于，特征点(4)为圆点、直线交点、十字交叉点或黑白相间块的角点。

5.一种基于权利要求1所述的手持球型靶标进行立体视觉测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用球靶标对双相机进行标定，得到左、右相机的内外参数；

步骤2、对球靶标进行自标定，得到球心到测头中心点的距离L；

步骤3、利用球靶标进行测量，得到测头下端面中心点的坐标，测头下端面中心点的坐标即被测点的坐标，具体包括以下步骤：

步骤3.1、测头接触被测点，用左、右相机拍摄一副球靶标图像；

步骤3.2、对左、右相机共同视场内的特征点进行检测，得到其在左右球靶标图像上的图像坐标；

步骤3.3、利用左、右相机的相机内外参数和特征点的图像坐标对特征点进行三维还原，得到特征点在相机坐标系下的三维坐标(x_i，y_i，z_i)；

步骤3.4、根据特征点在相机坐标系下的三维坐标(x_i，y_i，z_i)对球体进行球心拟合，得到球心的三维坐标(x_c，y_c，z_c)；

步骤3.5、根据特征点在相机坐标系下的三维坐标(x_i，y_i，z_i)和球心坐标(x_c，y_c，z_c)求出球心和测头中心连线的方向向量(a，b，c)；

步骤3.6、根据球心三维坐标(x_c，y_c，z_c)，球心与测头之间的方向向量(a，b，c)和距离L求出测头下端面中心点坐标。

6.一种基于权利要求5所述的手持球型靶标进行立体视觉测量的方法，其特征在于，步骤3.6中，由球心坐标(x_c，y_c，z_c)，球心与测头中心连线长度L，方向向量(a，b，c)即可分别求得测头下端面中心点的xyz坐标，由下式计算求出：

7.一种基于权利要求5所述的手持球型靶标进行立体视觉测量的方法，其特征在于，利用球型靶标进行双相机标定的步骤为：

步骤1.1、利用双目立体视觉系统拍摄一副球靶标图像，并对处于左右相机共同视场内的特征点进行亚像素定位，得到特征点的图像坐标；

步骤1.2、建立球坐标系，得到上述特征点在球坐标系下的世界坐标；

步骤1.3、根据特征点在世界坐标系下的坐标和图像坐标计算得到左右相机的内外参数，并进行非线性优化；

步骤1.4、根据左右相机对同一世界坐标系的转换关系，得到左右相机坐标系之间的平移旋转矩阵，完成双相机的标定。

8.一种基于权利要求5所述的手持球型靶标进行立体视觉测量的方法，其特征在于，对球靶标进行自标定，得到球心与测头下端面中心之间的距离L，自标定的方法为：

步骤2.1、把测头放置在一个倒锥中，球靶标绕以测头为球心旋转n个位置拍摄n幅图像；

步骤2.2、对在每个位置拍摄得到的左右图像进行亚像素特征点检测，得到在左右相机共同视场中的特征点图像坐标，利用相机的内外参数对特征点进行三维还原，得到特征点在左相机坐标系下的坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2……m)；

步骤2.3、由特征点在左相机坐标系下的坐标(x_i，y_i，z_i)进行球心拟合，拟合出球体半径R和球心的XYZ坐标(x_c，y_c，z_c)，然后依次求出n个位置的球靶标的球心坐标(x_cj，y_cj，z_cj)(j＝1，2……n)；

步骤2.4、由所得到的n个球心坐标进行球心拟合，最后所得到的球心坐标即为测头中心坐标，所得到的球的半径即为球靶球心与测头中心点之间的距离L。