CN112325767B - 一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法 - Google Patents

一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法。所述方法包括：步骤1、控制测量装置上的TOF测距仪旋转角度，使TOF测距仪对准目标平面上不在一条直线的三个点，并读取TOF测距仪读数；步骤2、通过所述TOF测距仪的旋转角度和读数计算获取所述三个点的空间坐标；步骤3、利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程；步骤4、利用控制测量装置上的CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素对应的空间直线的方程向量和点坐标；步骤5、利用所述方程向量和点坐标计算获取所述目标的平面图像上任意两点的空间尺寸。

Description

一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法
技术领域
本发明提出了一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，属于平面测量。
背景技术
CCD相机是在安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD相机，CCD是电荷耦合器件(charge coupleddevice)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。现有三维物体数据测量过程中，往往需要多个CCD相机配合采集目标图像，但是这种方法增加了数据处理环节和数据处理量，造成测量过程复杂，运算量大等问题。
发明内容
本发明提供了一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，用以解决现有目标的三维数据测量过程复杂、运算量较大的问题，所采取的技术方案如下：
本发明提出的一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，所述方法包括：
步骤1、控制测量装置上的TOF测距仪旋转角度，使TOF测距仪对准目标上不再一条直线的三个点，并读取TOF测距仪读数；
步骤2、通过所述TOF测距仪的旋转角度和读数计算获取所述三个点的空间坐标；
步骤3、利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程；
步骤4、利用控制测量装置上的CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素对应的空间直线的方程向量和点坐标；
步骤5、利用所述方程向量和点坐标计算获取所述目标的平面图像上任意两点的空间尺寸。
进一步地，通过如下公式获取所述三个点的空间坐标：
xd＝L·cos(θa)·cos(θc)
yd＝L·cos(θa)·sin(θc)
zd＝L·sin(θc)
其中，xd、yd和zd分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，θa和θc分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度，其中，所述A轴表示TOF测距仪沿垂直方向旋转，θa即表示TOF测距仪沿垂直方向旋转的角度。所述C轴表示TOF测距仪沿水平方向旋转，θc即表示TOF测距仪沿水平方向旋转的角度。
进一步地，步骤3所述利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程，包括：
步骤301、确定所述三个点对应的坐标分别为：D1(x1，y1，z1)、D2(x2，y2，z2)和D3(x3，y3，z3)；
步骤302、利用所述三个点的坐标确定所述三个点对应的平面法向量；
步骤303、通过所述平面法向量计算获取所述三个点对应的平面方程。
进一步地，通过如下公式获取所述三个点对应的平面法向量：
Figure BDA0002728348380000021
其中，i、j和k分别表示x,y,z轴正方向上的单位向量。
进一步地，所述三个点对应的平面方程通过如下方程确定：
ax+by+cz+d＝0
a＝(y2-y1)·(z3-z1)-(y3-y1)·(z2-z1)
b＝(z2-z1)·(x3-x1)-(z3-z1)·(x2-x1)
c＝(x2-x1)·(y3-y1)-(x3-x1)·(y2-y1)
且，d＝-a·x1-b·y1-c·z1；
其中，x1、y1和z1表示点D1的xyz轴坐标，x2、y2和z2表示点D2的xyz轴坐标；x3、y3和z3表示点D3的xyz轴坐标。
进一步地，步骤4所述利用CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素点对应的空间直线的方程向量和点坐标，包括：
步骤401、利用所述CCD相机采集目标的平面图像；
步骤402、获取所述平面图像上任意一像素点p对应的一空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点和空间直线l对应的方向向量；
步骤403、利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标。
进一步地，步骤403所述利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标，包括：
步骤4031、确定CCD相机的像素点对应的空间直线l经过点m(m1，m2，m3)；
步骤4032、确定所述空间直线l的方向向量为VL＝(v1，v2，v3)；
步骤4033、确定所述三个点形成的对应平面上的任意一点n的坐标为n(n1，n2，n3)，且，所述任意一点n的法向量为VP＝(vD1，vD2，vD3)；
步骤4034、将所述空间直线l的直线方程转化为参数方程形式，并将所述三个点对应的平面方程转化为点法式方程；
步骤4035、通过参数方程和点法式方程计算获取所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标(xo，yo，zo)。
进一步地，所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标(xo，yo，zo)的过程包括：
第一步、将所述参数方程和点法式方程联立，其中，所述参数方程为：
x＝m1+v1·t
y＝m2+v2·t
z＝m3+v3·t
其中，t表示参变量；m1，m2，m3分别表示空间直线l经过点m的坐标值；v1，v2，v3分别表示所述空间直线l的方向向量；
所述点法式方程为：
vD1·(x-n1)+vD2·(y-n2)+vD3·(z-n3)＝0
第二步、通过联立参数方程和点法式方程获取所述参数方程中参变量t的表达式为：
Figure BDA0002728348380000031
第三步、将参变量t代入所述参数方程中，计算获取O的坐标(xo，yo，zo)。
进一步地，所述测量装置包括：计算机、承载台、CCD相机和TOF测距仪；所述计算机分别与所述承载台、CCD相机和TOF测距仪进行电连接；所述CCD相机设置于承载台内部；所述TOF测距仪以可旋转方式活动安装于所述所述承载台上。
进一步地，所述承载台的上表面设置有水平方向旋转的水平旋转轴，所述水平旋转轴上设有垂直方向转动的垂直转动轴；所述TOF测距仪4固定安装在所述的垂直转动轴上。
本发明有益效果：
本发明提出的一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法将TOF测距仪和CCD相机结合，通过所述TOF测距仪测量远处待测目标的平面数据和投影平面角度，结合通过CCD相机测量投影尺寸的方式，获取被测目标的空间平面尺寸数据。通过本发明所述融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法能够有效提高空间平面尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率，同时，通过将TOF测距仪和CCD相机结合实现了被测目标任意形状下的三维方向上的快速测量和高精准度测量。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图；
图2为本发明所述方法原理图一；
图3为本发明所述方法原理图二；
图4为本发明所述方法原理图三；
图5为本发明所述测量装置结构示意图；
(1，计算机；2，承载台；3，CCD相机；4，TOF测距仪；21，水平旋转轴；22，垂直转动轴)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，用以解决现有目标的三维数据测量过程复杂、运算量较大的问题。
本发明实施例提出一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，如图1和图2所示，所述方法包括：
步骤1、控制测量装置上的TOF测距仪旋转角度，使TOF测距仪对准目标上不再一条直线的三个点，并读取TOF测距仪读数；
步骤2、通过所述TOF测距仪的旋转角度和读数计算获取所述三个点的空间坐标；
步骤3、利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程；
步骤4、利用控制测量装置上的CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素对应的空间直线的方程向量和点坐标；
步骤5、利用所述方程向量和点坐标计算获取所述目标的平面图像上任意两点的空间尺寸。
其中，如图3所示，通过如下公式获取所述三个点的空间坐标：
xd＝L·cos(θa)·cos(θc)
yd＝L·cos(θa)·sin(θc)
zd＝L·sin(θc)
其中，xd、yd和zd分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，θa和θc分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度。其中，所述A轴表示TOF测距仪沿垂直方向旋转，θa即表示TOF测距仪沿垂直方向旋转的角度。所述C轴表示TOF测距仪沿水平方向旋转，θc即表示TOF测距仪沿水平方向旋转的角度。
本发明的一个实施例，步骤3所述利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程，包括：
步骤301、确定所述三个点对应的坐标分别为：D1(x1，y1，z1)、D2(x2，y2，z2)和D3(x3，y3，z3)；
步骤302、利用所述三个点的坐标确定所述三个点对应的平面法向量；
步骤303、通过所述平面法向量计算获取所述三个点对应的平面方程。
其中，通过如下公式获取所述三个点对应的平面法向量：
Figure BDA0002728348380000051
其中，i、j和k分别表示x,y,z轴正方向上的单位向量。
所述三个点对应的平面方程通过如下方程确定：
ax+by+cz+d＝0
a＝(y2-y1)·(z3-z1)-(y3-y1)·(z2-z1)
b＝(z2-z1)·(x3-x1)-(z3-z1)·(x2-x1)
c＝(x2-x1)·(y3-y1)-(x3-x1)·(y2-y1)
且，d＝-a·x1-b·y1-c·z1；
其中，x1、y1和z1表示点D1的xyz轴坐标，x2、y2和z2表示点D2的xyz轴坐标；x3、y3和z3表示点D3的xyz轴坐标。
步骤4所述利用CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素点对应的空间直线的方程向量和点坐标，包括：
步骤401、利用所述CCD相机采集目标的平面图像；
步骤402、获取所述平面图像上任意一像素点p对应的一空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点和空间直线l对应的方向向量；
步骤403、利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标。
其中，如图4所示，步骤403所述利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标，包括：
步骤4031、确定CCD相机的像素点对应的空间直线l经过点m(m1，m2，m3)；
步骤4032、确定所述空间直线l的方向向量为VL＝(v1，v2，v3)；
步骤4033、确定所述三个点形成的对应平面上的任意一点n的坐标为n(n1，n2，n3)，且，所述任意一点n的法向量为VP＝(vD1，vD2，vD3)；
步骤4034、将所述空间直线l的直线方程转化为参数方程形式，并将所述三个点对应的平面方程转化为点法式方程；
步骤4035、通过参数方程和点法式方程计算获取所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标(xo，yo，zo)。
其中，所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标(xo，yo，zo)的过程包括：
第一步、将所述参数方程和点法式方程联立，其中，所述参数方程为：
x＝m1+v1·t
y＝m2+v2·t
z＝m3+v3·t
其中，t表示参变量；m1，m2，m3分别表示空间直线l经过点m的坐标值；v1，v2，v3分别表示所述空间直线l的方向向量；
所述点法式方程为：
vD1·(x-n1)+vD2·(y-n2)+vD3·(z-n3)＝0
第二步、通过联立参数方程和点法式方程获取所述参数方程中参变量t的表达式为：
Figure BDA0002728348380000061
第三步、将参变量t代入所述参数方程中，计算获取O的坐标(xo，yo，zo)。
上述技术方案的工作原理：首先在被测目标上选取不在一条直线上的三个点，然后，利用TOF测距仪分别测量这三个点至所述测距仪之间的距离，并利用所述TOF测距仪的旋转角度和三个点至所述测距仪之间的距离计算获取所述三个点的空间坐标，以及三个点所在平面对应的平面方程，通过CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素对应的空间直线的方程向量和点坐标；最后，利用所述方程向量和点坐标计算获取所述目标的平面图像上任意两点的空间尺寸，并通过平面图像上任意两点的空间尺寸整合即可获取所述被测目标的空间三维尺寸数据。
上述技术方案的效果：现有物体的三维测量中，往往需要多个CCD相机相互配合，采集多角度的目标物体数据才能获取目标物体的三维数据，而单独一个CCD只能采集目标物体的平面图像，无法获得目标在三维角度的测量数据，因此，本实施例提出的一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法将TOF测距仪和CCD相机结合，通过所述TOF测距仪测量远处待测目标的平面数据和投影平面角度，结合通过CCD相机测量投影尺寸的方式，获取被测目标的空间平面尺寸数据(被测目标任意两点之间形成的空间直线的所在平面尺寸，通过多个空间平面的整合即可获取所述被测目标的三维尺寸数据)。通过所述融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法能够有效提高空间平面尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率，同时，通过将TOF测距仪和CCD相机结合实现了被测目标三维方向上的快速测量和高精准度测量。
本发明的一个实施例，如图5所示，所述测量装置包括：计算机1、承载台2、CCD相机3和TOF测距仪4；所述计算机1分别与所述承载台2、CCD相机3和TOF测距仪4进行电连接；所述CCD相机3设置于承载台2内部；所述TOF测距仪4以可旋转方式活动安装于所述所述承载台2上。
其中，所述承载台2的上表面设置有水平方向旋转的水平旋转轴21，所述水平旋转轴21上设有垂直方向转动的垂直转动轴22；所述TOF测距仪4固定安装在所述的垂直转动轴22上。
上述技术方案的工作原理：所述测量装置通过计算机控制承载台上的各转动轴体进行转动，通过调节水平旋转轴的旋转角度来实现TOF测距仪水平方向上的旋转调节，通过调节垂直转动轴的旋转角度实现TOF测距仪垂直方向上的旋转调节。所述TOF测距仪和CCD相机测量获取的数据通过数据传输方法发送至计算机，所述计算机利用上述融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法计算获取被测目标的三维数据。
上述技术方案的效果：将TOF测距仪和CCD相机结合，通过所述TOF测距仪测量远处待测目标的平面数据和投影平面角度，结合通过CCD相机测量投影尺寸的方式，获取被测目标的空间平面尺寸数据，能够有效提高空间平面尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率，同时，通过将TOF测距仪和CCD相机结合实现了被测目标三维方向上的快速测量和高精准度测量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种融合机器视觉和飞行时间测量的空间平面尺寸测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、控制测量装置上的TOF测距仪旋转角度，使TOF测距仪对准目标上不再一条直线的三个点，并读取TOF测距仪读数；
步骤2、通过所述TOF测距仪的旋转角度和读数计算获取所述三个点的空间坐标；
步骤3、利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程；
步骤4、利用控制测量装置上的CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素对应的空间直线的方程向量和点坐标；
步骤5、利用所述方程向量和点坐标计算获取所述目标的平面图像上任意两点的空间尺寸；
其中，步骤4所述利用CCD相机对目标进行采样，获取目标的平面图像，并获得所述平面图像中每一像素点对应的空间直线的方程向量和点坐标，包括：
步骤401、利用所述CCD相机采集目标的平面图像；
步骤402、获取所述平面图像上任意一像素点p对应的一空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点和空间直线l对应的方向向量；
步骤403、利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过如下公式获取所述三个点的空间坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，x d 、y d 和z d 分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，θ a 和θ c 分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3所述利用所述空间坐标获取所述三个点对应的平面方程，包括：
步骤301、确定所述三个点对应的坐标分别为：D 1（x 1，y 1，z 1）、D 2（x 2，y 2，z 2）和D 3（x 3，y 3，z 3）；
步骤302、利用所述三个点的坐标确定所述三个点对应的平面法向量；
步骤303、通过所述平面法向量计算获取所述三个点对应的平面方程。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，通过如下公式获取所述三个点对应的平面法向量：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，i、j和k分别表示x,y,z轴正方向上的单位向量。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述三个点对应的平面方程通过如下方程确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，x 1、y 1和z 1表示点D 1的xyz轴坐标，x 2、y 2和z 2表示点D 2的xyz轴坐标；x 3、y 3和z 3表示点D 3的xyz轴坐标。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤403所述利用所述交点坐标和空间直线l对应的方向向量，计算获取每一像素点对应的空间直线的方向向量和点坐标，包括：
步骤4031、确定CCD相机的像素点对应的空间直线l经过点m（m 1，m 2，m 3）；
步骤4032、确定所述空间直线l的方向向量为VL=（v 1，v 2，v 3）；
步骤4033、确定所述三个点形成的对应平面上的任意一点n的坐标为n（n 1，n 2，n 3），且，所述任意一点n的法向量为VP=（vD 1，vD 2，vD 3）
步骤4034、将所述空间直线l的直线方程转化为参数方程形式，并将所述三个点对应的平面方程转化为点法式方程；
步骤4035、通过参数方程和点法式方程计算获取所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标（x o，y o，z o）。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述空间直线l与所述三个点形成的对应平面的交点O的坐标（x o，y o，z o）的过程包括：
第一步、将所述参数方程和点法式方程联立，其中，所述参数方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，t表示参变量；m 1，m 2，m 3分别表示空间直线l经过点m的坐标值；v 1，v 2，v 3分别表示所述空间直线l的方向向量；
所述点法式方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
第二步、通过联立参数方程和点法式方程获取所述参数方程中参变量t的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
第三步、将参变量t代入所述参数方程中，计算获取O的坐标（x o，y o，z o）。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述测量装置包括：计算机（1）、承载台（2）、CCD相机（3）和TOF测距仪（4）；所述计算机（1）分别与所述承载台（2）、CCD相机（3）和TOF测距仪（4）进行电连接；所述CCD相机（3）设置于承载台（2）内部；所述TOF测距仪（4）以可旋转方式活动安装于所述所述承载台（2）上。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述承载台（2）的上表面设置有水平方向旋转的水平旋转轴（21），所述水平旋转轴（21）上设有垂直方向转动的垂直转动轴（22）；所述TOF测距仪（4）固定安装在所述的垂直转动轴（22）上。
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