CN109405737B - 面向大尺寸测量的相机系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大尺寸测量的相机系统，包括平台底座、第一相机测量装置、第二相机测量装置、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、控制装置，第一相机测量装置、第二相机测量装置可直线滑动地安装平台底座上，第一直线驱动装置、第二直线驱动装置用于分别驱动第一相机测量装置、第二相机测量装置在平台底座上滑动，控制装置与第一直线驱动装置、第二直线驱动装置的控制端连接以控制第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量。本发明仅采用两台相机通过精密控制其姿态角和空间平移的偏移量，可替代传统方法中多个相机的功能，其使用两台相机可实现大视场拍摄，减少了成本。本发明还公开了一种该相机系统对大尺寸物体进行测量的方法。

Description

面向大尺寸测量的相机系统及测量方法

技术领域

本发明属于机器视觉三维测量的技术领域，具体涉及一种针对测量大尺寸物体的相机工作平台及测量方法。

背景技术

目前，对大视场场景或者大尺寸物体进行三维测量时，两个摄像机一般不能同时保证测量范围和测量精度，所以常常使用多个摄像机在不同视点对场景进行采集，根据双目立体视觉的几何原理，如果摄像机与相邻的摄像机能形成有效视场，那么对测量域范围的物体进行测量时，将每两个有公共视场的摄像机两两结合，从而对整个场景进行测量。但是，当场景或被测物体较长，就需要使用较多个摄像机按照一定规则两两组成多个双目立体视觉摄像机并安装在测量工作平台上，由于所需摄像机数量较多，整个测量设备则需要大型标定框架与校准仪，以及传统标定方法中标定算法、图像特征提取精度、镜头畸变、环境噪声等引起的误差以及误差的逐级累积传播，使得测量设备造价成本高，标定过程复杂且不够精准。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种面向大尺寸测量的相机系统及测量方法，其使用两台相机可实现大视场拍摄，以减少整个测量设备的成本。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种面向大尺寸测量的相机系统，包括平台底座、第一相机测量装置、第二相机测量装置、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、控制装置，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置可直线滑动地安装所述平台底座上，且所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动方向相互平行，所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置用于分别驱动所述第一相机测量装置、第二相机测量装置在平台底座上滑动，所述控制装置与所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置的控制端连接以控制所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量。

作为进一步的改进，所述平台底座上设置有相互平行的第一导轨、第二导轨，所述第一导轨、第二导轨上分别设置有第一导轨滑块、第二导轨滑块，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置分别与第一导轨滑块、第二导轨滑块固定连接。

作为进一步的改进，所述第一直线驱动装置包括第一丝杆、螺接在丝杆上的第一丝杆螺母、与第一丝杆螺母固定连接的第一丝杆滑块，所述第一丝杆两端可转动地安装在设置于第一导轨两端的第一丝杆支承座上，所述第一丝杆滑块与第一导轨滑块固定连接，所述第一丝杆连接有可驱动其转动的驱动部件；

所述第二直线驱动装置包括第二丝杆、螺接在第二丝杆上的第二丝杆螺母、与第二丝杆螺母固定连接的第二丝杆滑块，所述第二丝杆两端可转动地安装在设置于第二导轨两端的第二丝杆支承座上，所述第二丝杆滑块与第二导轨滑块固定连接，所述第二丝杆连接有可驱动其转动的驱动部件。

作为进一步的改进，所述驱动部件为步进电机，所述步进电机的控制端与所述控制装置连接。

作为进一步的改进，所述第一丝杆、第二丝杆由同一个步进电机驱动，所述步进电机可同时或单独地驱动所述第一丝杆、第二丝杆转动。

作为进一步的改进，所述步进电机的电机轴上连接有主动齿轮，所述第一丝杆、第二丝杆的端部分别通过第一电磁离合器、第二电磁离合器连接有第一从动齿轮、第二从动齿轮，所述第一从动齿轮、第二从动齿轮均与主动齿轮相啮合，所述第一电磁离合器、第二电磁离合器的控制端与所述控制装置连接。

作为进一步的改进，所述控制装置包括单片机、步进电机驱动器以及继电器，所述单片机通过向步进电机驱动器发送控制信号以控制所述步进电机动作，所述单片机通过向继电器发送电信号以控制所述第一电磁离合器、第二电磁离合器动作。

作为进一步的改进，所述第一相机测量装置包括第一安装座、第一云台机构、第一相机固定座、第一CCD相机，所述第一云台机构通过第一安装座安装在第一丝杆滑块上，所述第一CCD相机通过第一相机固定座安装在第一云台机构上。

所述第二相机测量装置包括第二安装座、第二云台机构、第二相机固定座、第二CCD相机，所述第二云台机构通过第二安装座安装在第二丝杆滑块上，所述第二CCD相机通过第二相机固定座安装在第二云台机构上。

作为进一步的改进，第一云台机构、第二云台机构上设置有用于指示水平和俯仰调节旋转角位移的刻度尺。

本发明提供的面向大尺寸测量的相机系统，包括平台底座、第一相机测量装置、第二相机测量装置、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、控制装置，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置可直线滑动地安装所述平台底座上，且所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动方向相互平行，所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置用于分别驱动所述第一相机测量装置、第二相机测量装置在平台底座上滑动，所述控制装置与所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置的控制端连接以控制所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量。本发明仅采用两台相机通过精密控制其姿态角和空间平移的偏移量，可替代传统方法中多个相机的功能，其使用两台相机可实现大视场拍摄，减少了整个测量设备的成本。此外，本发明不需要大型标定框架和全场标定，避免了传统标定方法中标定算法、图像特征提取精度、镜头畸变、环境噪声等引起的误差以及误差的逐级累积传播，并且，只需经过一次初始标定，可获得准确的相机内部参数，两两组成立体像对，简化了标定过程并精准有效地辅助相机完成尺寸测量。

另一方面，本发明还提供一种利用如上所述的相机系统对大尺寸物体进行测量的方法，包括如下步骤：

步骤A：调整第一相机测量装置、第二相机测量装置的两台相机各自的角度与距离使之间形成一公共视场，即双目视觉测量的有效测量域；

步骤B：分别对两台相机进行标定，获得两台相机的参数以及它们之间的相对位置关系，包括旋转矩阵与平移矩阵；

步骤C：将被测物分为若干个测量子区域，调整两台相机至第一个测量子区域，根据标定所获得的两台相机的相对位置关系与各自调整后的旋转角度和位移距离，计算两台相机新的相对位置关系；以第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系，根据两台相机的内参、畸变参数与所述新的相对位置关系计算进行第一个测量子区域的测量；

步骤D：旋转与平移第一相机测量装置的相机以及旋转第二相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；根据相机各自的旋转角度与位移距离计算获得相机之间的旋转矩阵和位移矩阵；根据两台相机的内参、畸变参数与之间的旋转矩阵、位移矩阵进行计算，测量被测物的第二个测量子区域；

步骤E：旋转与平移第二相机测量装置的相机以及旋转第一相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；重复步骤D的计算步骤，测量被测物的第三个测量子区域；

步骤F：拼接各个测量子区域，根据各个测量子区域的相机相对位置关系，计算得到以步骤C中的第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系下的被测物的三维坐标，对被测物进行完整的测量。

本发明提出的测量方法，利用上述面向大尺寸测量的相机系统进行测量，将被测物体划分为若干个测量子区域，使用两台相机通过相机工作平台来调整相机的位姿，使得两台相机组成的双目立体视觉在每一个测量子区域进行测量，最后将测量结果拼接，完成对被测物体的完整测量。本发明仅采用两台相机通过精密控制其姿态角和空间平移的偏移量，可替代传统方法中多个相机的功能，不需要大型标定框架和全场标定，避免了传统标定方法中标定算法、图像特征提取精度、镜头畸变、环境噪声等引起的误差以及误差的逐级累积传播；只需经过一次初始标定，可获得准确的相机内部参数，两两组成立体像对，简化了标定过程并精准有效地辅助相机完成尺寸测量。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是面向大尺寸测量的相机系统的立体结构示意图。

图2是面向大尺寸测量的相机系统的丝杆导轨的立体装配示意图。

图3是图1中的面向大尺寸测量的相机系统的正视图。

图4是图3的俯视图。

图5是面向大尺寸测量的相机系统的工作示意图。

图6是面向大尺寸测量的相机系统对大尺寸物体进行测量的工作过程示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种面向大尺寸测量的相机系统，包括平台底座8、第一相机测量装置、第二相机测量装置、第一直线驱动装置6、第二直线驱动装置7、控制装置。所述第一相机测量装置、第二相机测量装置可直线滑动地安装所述平台底座上，且所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动方向相互平行。具体的，在所述平台底座8上设置有相互平行的第一导轨17、第二导轨，所述第一导轨17、第二导轨上分别设置有第一导轨滑块16、第二导轨滑块，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置分别与第一导轨滑块16、第二导轨滑块固定连接。所述第一直线驱动装置6、第二直线驱动装置7用于分别驱动所述第一相机测量装置、第二相机测量装置在平台底座8上滑动，所述控制装置与所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置的控制端连接以控制所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量。

作为进一步优选的实施方式，所述第一直线驱动装置6包括第一丝杆9、螺接在丝杆9上的第一丝杆螺母14、与第一丝杆螺母14固定连接的第一丝杆滑块15，所述第一丝杆9两端通过轴承10、11可转动地安装在设置于第一导轨17两端的两个第一丝杆支承座12上，所述第一丝杆滑块15与第一导轨滑块16固定连接，所述第一丝杆9连接有可驱动其转动的驱动部件；所述第二直线驱动装置7包括第二丝杆34、螺接在第二丝杆34上的第二丝杆螺母、与第二丝杆螺母固定连接的第二丝杆滑块，所述第二丝杆34两端可转动地安装在设置于第二导轨两端的两个第二丝杆支承座33上，所述第二丝杆滑块与第二导轨滑块固定连接，所述第二丝杆34连接有可驱动其转动的驱动部件。所述驱动部件为步进电机1，所述步进电机1的控制端与所述控制装置连接，利用单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电动机的控制，第一相机测量装置随着丝杆9的转动可在水平方向移动，第二相机测量装置随着丝杆34的转动可在水平方向移动。

作为进一步优选的实施方式，所述第一丝杆9、第二丝杆34由同一个步进电机1驱动，所述步进电机1可同时或单独地驱动所述第一丝杆9、第二丝杆34转动。具体的，所述步进电机1的电机轴通过联轴器3连接有主动轴4，主动轴4通过轴承30转动支承在平台底座8上的支撑架2上。所述主动轴4上固定安装有主动齿轮5，步进电机1可直接输出扭矩给主动轴4带动主动齿轮5旋转。所述第一丝杆9、第二丝杆34的端部分别通过第一电磁离合器18、第二电磁离合器19连接有联轴器28、29，两个联轴器28、29分别与第一从动轴26、第二从动轴27的一端连接，第一从动齿轮24、第二从动齿轮25分别固定安装在第一从动轴26、第二从动轴27上，第一从动轴26、第二从动轴27分别通过轴承32、31转动支承在平台底座8上的支撑架2上。所述第一从动齿轮24、第二从动齿轮25均与主动齿轮5相啮合，所述第一电磁离合器18、第二电磁离合器19的控制端与所述控制装置连接。这样，通过控制第一电磁离合器18、第二电磁离合器19的离合状态，步进电机1即可同时或单独地驱动所述第一丝杆9、第二丝杆34转动，进而调节第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量。

作为进一步优选的实施方式，所述控制装置包括单片机、步进电机驱动器以及继电器，所述单片机通过向步进电机驱动器发送控制信号以控制所述步进电机1动作，所述单片机通过向继电器发送电信号以控制所述第一电磁离合器18、第二电磁离合器19动作。电磁离合器利用单片机通过输入电信号给继电器进而控制电磁离合器接合与分离，当电磁离合器工作时，离合器内的电磁铁闭合，否则分离；通过两个电磁离合器，可以分别控制两个丝杆导轨的运动，从而可以对第一相机测量装置、第二相机测量装置的水平位置实现分时控制。由步进电机的步距角与收到的脉冲数的乘积得出步进电机的旋转周数，通过变速箱内部的传动比求出丝杆转动的周数，最后根据丝杆的旋转周数与丝杆旋转一周的导程的乘积求得相机在水平方向的位移量。

作为进一步优选的实施方式，所述第一相机测量装置包括第一安装座13、第一云台机构20、第一相机固定座21、第一CCD相机36，所述第一云台机构20通过第一安装座13安装在第一丝杆滑块15上，所述第一CCD相机36通过第一相机固定座21安装在第一云台机构20上。所述第二相机测量装置包括第二安装座、第二云台机构、第二相机固定座、第二CCD相机37，所述第二云台机构通过第二安装座安装在第二丝杆滑块上，所述第二CCD相机37通过第二相机固定座安装在第二云台机构上。第一云台机构20通过竖向的旋转轴23、轴承22转动安装在第一安装座13上，第一云台机构可调节第一CCD相机36绕X轴、Z轴的转动角度，第二云台机构可调节第二CCD相机绕X轴、Z轴的转动角度。这样，将第一CCD相机安装在第一云台机构上，可控制第一CCD相机的水平方向的位移与绕x、z轴两个方向的旋转；同样的，将第二CCD相机安装在第二云台机构上，可控制第二CCD相机的水平方向的位移与绕x、z轴两个方向的旋转。第一云台机构20、第二云台机构上设置有用于指示水平和俯仰调节旋转角位移的刻度尺，旋转时可直接读出旋转的角度，以指示调节的角位移量。

如图5所示，本发明实施例还提供一种利用如上所述的相机系统对大尺寸物体进行测量的方法，其中35是被测物体，两个相机测量装置的初始位置为丝杆的最左端，先通过单片机给步进电机驱动电路发送信号使得步进电机开始工作，此时因电磁离合器属于关闭状态，步进电机输出的动力不能传入丝杆导轨上，所以相机测量装置始终处于初始位置；给其中任意一个电磁离合器输入信号，电磁离合器内的电磁铁接合，步进电机的动力传入与此电磁离合器连接的丝杆中，带动该相机测量装置发生水平位移后，停止输入信号，电磁离合器关闭，丝杆导轨的动力中断，该相机测量装置停止移动，使该相机测量装置的相机与另一台相机相隔一定距离；电磁离合器工作时，计算机会开始记录此时步进电机所收到的脉冲数，直到电磁离合器停止工作，通过计算机软件计算可测得该相机的移动距离。

如图6所示，测量方法具体步骤如下：

步骤A：调整第一相机测量装置、第二相机测量装置的两台相机36、37各自的角度与距离使之间形成一公共视场，即双目视觉测量的有效测量域38，两台相机36、37分别构成双目视觉测量的左相机和右相机；

步骤B：分别对两台相机进行标定，获得两台相机的参数以及它们之间的相对位置关系，包括旋转矩阵与平移矩阵；相机的标定方法有传统相机标定法、相机自标定法、主动视觉相机标定方法等，本实施例采用张正友标定法分别对左右相机36、37进行标定，获得左右相机的内参、外参和畸变参数；再根据双摄像机标定法对左右相机进行标定，获得两台相机之间的相对位置关系，包括旋转矩阵与位移矩阵；

步骤C：将被测物分为若干个测量子区域，调整两台相机36、37至第一个测量子区域，根据标定所获得的两台相机的相对位置关系与各自调整后的旋转角度和位移距离，计算两台相机新的相对位置关系；以第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系，根据两台相机的内参、畸变参数与所述新的相对位置关系计算进行第一个测量子区域的测量；

步骤D：旋转与平移第一相机测量装置的相机以及旋转第二相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；根据相机各自的旋转角度与位移距离计算获得相机之间的旋转矩阵和位移矩阵；根据两台相机的内参、畸变参数与之间的旋转矩阵、位移矩阵进行计算，测量被测物的第二个测量子区域；

步骤E：旋转与平移第二相机测量装置的相机以及旋转第一相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；重复步骤D的计算步骤，测量被测物的第三个测量子区域；

步骤F：拼接各个测量子区域，根据各个测量子区域的相机相对位置关系，计算得到以步骤C中的第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系下的被测物的三维坐标，对被测物进行完整的测量。

本发明实施例提出的测量方法，利用上述面向大尺寸测量的相机系统进行测量，将被测物体划分为若干个测量子区域，使用两台相机通过相机工作平台来调整相机的位姿，使得两台相机组成的双目立体视觉在每一个测量子区域进行测量，最后将测量结果拼接，完成对被测物体的完整测量。本发明仅采用两台相机通过精密控制其姿态角和空间平移的偏移量，可替代传统方法中多个相机的功能，不需要大型标定框架和全场标定，避免了传统标定方法中标定算法、图像特征提取精度、镜头畸变、环境噪声等引起的误差以及误差的逐级累积传播；只需经过一次初始标定，可获得准确的相机内部参数，两两组成立体像对，简化了标定过程并精准有效地辅助相机完成尺寸测量。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向大尺寸测量的相机系统，其特征在于：包括平台底座(8)、第一相机测量装置、第二相机测量装置、第一直线驱动装置、第二直线驱动装置、控制装置，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置可直线滑动地安装所述平台底座上，且所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动方向相互平行，所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置用于分别驱动所述第一相机测量装置、第二相机测量装置在平台底座(8)上滑动，所述控制装置与所述第一直线驱动装置、第二直线驱动装置的控制端连接以控制所述第一相机测量装置、第二相机测量装置的滑动位移量；所述第一直线驱动装置包括第一丝杆(9)、螺接在丝杆(9)上的第一丝杆螺母(14)、与第一丝杆螺母(14)固定连接的第一丝杆滑块(15)，所述第一丝杆(9)两端可转动地安装在设置于第一导轨(17)两端的第一丝杆支承座(12)上，所述第一丝杆滑块(15)与第一导轨滑块(16)固定连接，所述第一丝杆(9)连接有可驱动其转动的驱动部件；所述第二直线驱动装置包括第二丝杆(34)、螺接在第二丝杆(34)上的第二丝杆螺母、与第二丝杆螺母固定连接的第二丝杆滑块，所述第二丝杆(34)两端可转动地安装在设置于第二导轨两端的第二丝杆支承座(33)上，所述第二丝杆滑块与第二导轨滑块固定连接，所述第二丝杆(34)连接有可驱动其转动的驱动部件；所述驱动部件为步进电机(1)，所述步进电机(1)的控制端与所述控制装置连接；所述第一丝杆(9)、第二丝杆(34)由同一个步进电机(1)驱动，所述步进电机(1)可同时或单独地驱动所述第一丝杆(9)、第二丝杆(34)转动；所述步进电机(1)的电机轴上连接有主动齿轮(5)，所述第一丝杆(9)、第二丝杆(34)的端部分别通过第一电磁离合器(18)、第二电磁离合器(19)连接有第一从动齿轮(24)、第二从动齿轮(25)，所述第一从动齿轮(24)、第二从动齿轮(25)均与主动齿轮(5)相啮合，所述第一电磁离合器(18)、第二电磁离合器(19)的控制端与所述控制装置连接。

2.根据权利要求1所述的面向大尺寸测量的相机系统，其特征在于：所述平台底座(8)上设置有相互平行的第一导轨(17)、第二导轨，所述第一导轨(17)、第二导轨上分别设置有第一导轨滑块(16)、第二导轨滑块，所述第一相机测量装置、第二相机测量装置分别与第一导轨滑块(16)、第二导轨滑块固定连接。

3.根据权利要求1所述的面向大尺寸测量的相机系统，其特征在于：所述控制装置包括单片机、步进电机驱动器以及继电器，所述单片机通过向步进电机驱动器发送控制信号以控制所述步进电机(1)动作，所述单片机通过向继电器发送电信号以控制所述第一电磁离合器(18)、第二电磁离合器(19)动作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的面向大尺寸测量的相机系统，其特征在于：所述第一相机测量装置包括第一安装座(13)、第一云台机构(20)、第一相机固定座(21)、第一CCD相机(36)，所述第一云台机构(20)通过第一安装座(13)安装在第一丝杆滑块(15)上，所述第一CCD相机(36)通过第一相机固定座(21)安装在第一云台机构(20)上；

所述第二相机测量装置包括第二安装座、第二云台机构、第二相机固定座、第二CCD相机(37)，所述第二云台机构通过第二安装座安装在第二丝杆滑块上，所述第二CCD相机(37)通过第二相机固定座安装在第二云台机构上。

5.根据权利要求4所述的面向大尺寸测量的相机系统，其特征在于：第一云台机构(20)、第二云台机构上设置有用于指示水平和俯仰调节旋转角位移的刻度尺。

6.一种利用如权利要求1至5中任一项的相机系统对大尺寸物体进行测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：调整第一相机测量装置、第二相机测量装置的两台相机各自的角度与距离使之间形成一公共视场，即双目视觉测量的有效测量域(38)；

步骤B：分别对两台相机进行标定，获得两台相机的参数以及它们之间的相对位置关系，包括旋转矩阵与平移矩阵；

步骤C：将被测物分为若干个测量子区域，调整两台相机至第一个测量子区域，根据标定所获得的两台相机的相对位置关系与各自调整后的旋转角度和位移距离，计算两台相机新的相对位置关系；以第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系，根据两台相机的内参、畸变参数与所述新的相对位置关系计算进行第一个测量子区域的测量；

步骤D：旋转与平移第一相机测量装置的相机以及旋转第二相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；根据相机各自的旋转角度与位移距离计算获得相机之间的旋转矩阵和位移矩阵；根据两台相机的内参、畸变参数与之间的旋转矩阵、位移矩阵进行计算，测量被测物的第二个测量子区域；

步骤E：旋转与平移第二相机测量装置的相机以及旋转第一相机测量装置的相机使两台相机形成新的有效测量域；重复步骤D的计算步骤，测量被测物的第三个测量子区域；

步骤F：拼接各个测量子区域，根据各个测量子区域的相机相对位置关系，计算得到以步骤C中的第一相机测量装置的相机的坐标系为世界坐标系下的被测物的三维坐标，对被测物进行完整的测量。

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