CN113551611A - 大尺寸运动物体的立体视觉测量方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法、系统、设备及存储介质，属于光学测量领域。标定得到相机内参、外参及畸变因子；进行同步光调试实现测量子系统的时间基准统一；实现测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；实现测量子系统的同步触发；对左右相机分别所得同一时刻的一对图像，处理后得到对应的只有编码靶标的多对图像；完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，将三维坐标向基准坐标系的转化并传送到基准坐标系，完成大尺寸运动物体的立体视觉测量。本发明解决了现有的双目立体视觉测量系统受到相机视场大小限制、测量速度慢、只能测量静态物象的问题。

Description

大尺寸运动物体的立体视觉测量方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

双目立体视觉测量是目前常用的一种非接触测量方法，是通过各种非接触途径，获取被测物体的特征点，并在某个已建立的世界坐标系中的坐标。数字摄影测量能在实现非接触测量的同时保证较高的精度，此外还能降低传感器带来的设备复杂度和成本。

立体视觉测量法是通过使用两个及以上的面阵相机拍摄被测物图像，经过图像特征计算与追踪、三维重构等处理后，可以获取被测物表面的三维信息。随着数字相机、相机模型与标定、图像处理、特征匹配、多视几何等技术的快速发展，立体视觉测量技术在测量速度、测量范围和测量精度等方面的优势逐渐受到研究人员们的重视，在工业检测、航空航天、汽车制造、生物医学、遥感科学和精密仪器等领域产生了一系列的应用，极大地促进了相关领域的发展。

现有的双目立体视觉测量系统，通常是对不大的空间进行测量，这是受到相机视场大小的限制。已开发出的利用立体视觉进行大尺寸空间测量的测量系统，通常采用的是图像拼接的方法，这种方法耗时长，无法做到对运动的大尺寸物体进行实时的测量，只能对静态物体进行测量。还有少数立体视觉测量系统也是采用相机阵列的方式，但其也只能测量静态的大尺寸物体三维信息，并且需要使用激光跟踪仪等测量仪器，将相机阵列测量系统统一到统一世界坐标系下，测量系统的搭建十分复杂；或者两组相邻双目立体视觉测量系统需要有公共点来完成坐标转化，需要相机数量过多。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法、系统、设备及存储介质，解决了现有的双目立体视觉测量系统受到相机视场大小限制、测量速度慢、只能测量静态物象的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，包括以下步骤：

步骤1，对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；

步骤2，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统均处于统一的时间基准；

步骤3，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；

步骤4，同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一张图像，构成一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；

步骤5，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系，完成大尺寸运动物体的立体视觉测量。

优选地，步骤4中，实现每个测量子系统的同步触发后，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像，具体包括以下步骤：

步骤4.1，在接收到触发相机的触发信号后，每一个测量子系统的左右两台相机分别同时开始采集图像，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像；

步骤4.2，测量子系统配有的上位机对获得的同一时刻的一对图像进行滤波图像预处理，对编码靶标的外侧反光圆轮廓进行快速定位，得到定位后的图像；

步骤4.3，对定位后的图像进行分割拼接，得到提取多目标的编码靶标；

步骤4.4，快速提取到编码后的点对应并对其解码排序，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。

优选地，步骤5中，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系，具体包括：运用最小二乘法求解根据光学三角形模型建立的方程组完成三维重建，并将转化后的三维坐标传送给基准坐标系。

优选地，步骤2中，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一，具体包括：

同步光发射器的LED光源随着距离的增加而减弱，测量时同步循环以下步骤：步骤2.1，同步光发射器依据内部控制器设定好的LED明灭时间，将带有编码信息的光电信号传递给接受光电信息的多个传感器；其中，传感器与双目立体视觉测量单元对应配置；

步骤2.2，传感器在接收到光电信号后，进行排序、解码等高速处理，生成可以触发相机的脉冲信号，实现所有测量子系统的时间基准相同。

优选地，步骤3中，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系，具体包括：

步骤3.1，保证第一个测量子系统与中间转化测量系统有公共的测量视场，两个系统分别同时测量3个及以上的特征点坐标信息，得到坐标点集A、B；

步骤3.2，分别对A、B点集进行中心化处理，并计算其协方差矩阵；

步骤3.3，对协方差矩阵进行奇异值分解；

步骤3.4，计算出旋转矩阵R，然后计算平移矩阵T，从而实现坐标的转化；

步骤3.5，同理可以求得第二个测量子系统和中间转化系统的坐标转化关系，从而求得两个测量子系统间的坐标转化关系；

依次完成步骤3.1～步骤3.5，实现所有测量子系统间的坐标转化，完成每个测量子系统的空间基准的标定统一。

优选地，步骤3中，基准坐标系为任意一个测量子系统坐标系或外部坐标系。

本发明公开了一种大尺寸运动物体的立体视觉测量系统，包括：

测量子系统标定模块，用于对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；

同步光模块，用于进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一；

空间基准标定模块，用于运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；

同步光触发模块，用于同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；(同步光发射器可以设置一个或者多个，同时扩展对应视场的范围大小)

图像处理模块，用于每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；

三维重建模块，用于先结合测量测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

优选地，还包括相机阵列，为若干测量子系统及若干编码靶标组成的相机阵列，每个测量子系统包括一个双目立体视觉单元，一个双目立体视觉单元包括左、右相机，并配有相应的近红外补光灯。

本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的步骤。

本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法通过合理的测量方案的设计，即采用同步光来统一测量的时间基准，以及相机阵列的测量方式，开发出相应程序及相机阵列测量系统的快速标定方法，使得测量系统实现了对大尺寸运动物体的在线高精度快速测量，解决了立体视觉测量系统只能测量大尺寸静止物体的问题，提高了立体视觉的应用性。本发明通过适用于触发相机的同步光模块设计。目前的使用相机阵列对大尺寸物体进行测量的方法，无法保证每一个双目立体视觉单元间的测量时间相同，当物体运动时，测量子系统间测量的坐标点的时刻是无法匹配的，则每一个测量子系统无法记录物体同一时刻的运动信息并将其转化到统一的世界坐标系，无法真正反映物体的运动状态，因此只能进行静态测量。并且如果采用拉线缆的方式来实现同时驱动测量子系统，这种方法除了现场布置杂乱的缺点外，并且在线缆上会损失大量时间，无法做到真正的时间基准同步。本发明设计了将光作为载体的同步光系统来驱动相机，可以使传感器同一时刻触发测量子系统的脉冲信号，且可以根据测量需求调整占空比。实现了时间基准的统一，以实现对运动的大尺寸物体的测量。

进一步地，本发明所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，与目前现有技术相比相机阵列统一坐标系的方法采用借助激光跟踪仪等测量设备进行坐标转化，其转化条件严格，并不是所有的工业现场都有激光跟踪仪。本发明不需要借助外部设备，使用测量子系统即可完成坐标转化，降低了相机阵列测量的使用要求。并且可以实现测量子系统间的分散化(即相邻两个测量子系统不需要公共视场)，相比于两个测量子系统必须有公共部分的测量方法，在一定程度上减少了相机的使用对数，提高了相机阵列测量系统的实用性。

附图说明

图1为本发明的三维重建原理图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明中同步光发射器的装置图；

图4为本发明中相机模块图；

图5为本发明中坐标系转化流程图；

图6为本发明中测量子系统的测量流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明公开的大尺寸运动物体的立体视觉测量系统，包括，相机阵列、测量子系统标定模块、同步光模块、空间基准标定模块、同步光触发模块、图像处理模块和三维重建模块。相机阵列包括若干测量子系统及若干编码靶标组成，每个测量子系统包括一个双目立体视觉单元，一个双目立体视觉单元包括左、右相机，并配有相应的近红外补光灯。测量子系统标定模块用于对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子。相机阵列通过同步光模块实现各个双目立体视觉单元的之间以及各个双目立体视觉单元内部两台相机间的时间基准同步。并通过空间基准标定模块进行相机阵列中相机阵列的快速统一世界坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，亦为快速实现各个测量子系统的世界坐标系的统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。同步光触发模块用于通过同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发。图像处理模块通过每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。三维重建模块用于先结合测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。从而完成测量系统的搭建。

相机阵列由于双目立体视觉测量系统受到自身视场不够大的限制，无法实现对大尺寸运动物体的测量，故采用相机阵列来进行测量。相机阵列主要是由多个测量子系统模块，每个测量子系统模块包括双目立体视觉单元及编码靶标组成，每个双目立体视觉测量单元由两台工业相机及模块化装置组成，并配有相应的近红外补光灯。

其中，编码靶标，用于实现多目标并行测量时的快速精确匹配；

其中，近红外补光灯，用于使需要捕捉提取的编码靶标特征更加明显，更易于实现快速精确捕捉定位；

其中，模块化装置，用于双目立体视觉集成于一个装置，使测量系统便于移动及携带；

其中，相机标定，在针孔相机投影模型中有四个坐标系，分别为世界坐标系、相机坐标系、图像物理坐标系、图像像素坐标系，测量子系统标定模块用于对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子，即为了得到世界坐标系与图像像素坐标系间的转化关系以及图像的畸变参数；

同步光模块，用于实现各个双目立体视觉单元的之间以及各个双目立体视觉单元内部两台相机间的时间基准同步。

空间基准标定模块，用于进行相机阵列中相机阵列的快速统一世界坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。

同步光触发模块，用于通过同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发。

图像处理模块通过每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。具体包括：图像采集，PC连接相机实现视频流输出；图像处理，包括了滤波处理、图像二值化等图像预处理，实现了图像的快速定位，以及对图像的进行分割、拼接，减少了提取角点时遍历图像的像素点数量；特征点提取及匹配，包括了快速提取像素点对应，并对提取到的像素点进行编码与解码，以得到排列有序的点对应；

三维重建模块，用于先结合测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。具体包括：三维重建，在进行图像的畸变修正后，以光学三角形模型建立方程组并通过最小二乘法求解，求得目标点的三维坐标。数据的接收发送，在测量子系统完成坐标转化后，将转化后的坐标发送给统一的世界坐标系，作为基准的测量子系统应当有接收数据的功能。光学三角形模型如图1所示。

同步光模块和同步光触发模块；

同步光模块和同步光触发模块，包括了时钟光的发射装置以及接受时钟光的传感器。光同步技术的本质就是传感器网络时钟同步，即在同一个测量区域只安装一个时钟光的发射器，每一个双目立体视觉测量系统都配有一个接受时钟光的传感器，在一定的时间偏差内，各个传感器保持同样的时间，同时输出一个驱动相机的脉冲信号。

时钟光的发射装置，选用发光二极管(LED)作为定位系统的同步光源，由光同步控制器产生带有编码的脉冲驱动信号，实现LED的明灭状态。

传感器，高速采集带有编码信息的光电信号，并进行快速识别、匹配、以及同步光的解码等，最终实现每一个传感器间的时钟同步，同时输出驱动相机的脉冲信号。

空间基准标定模块；

空间基准标定模块，用于进行相机阵列中相机阵列的快速统一世界坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。具体为利用双目立体视觉测量系统间的相互传递，将所有测量子系统的测量坐标系快速统一到一个世界坐标系。例如采用A,B,C,D,E五个双目立体视觉测量子系统测量某一片空间，且五个测量子系统分散，任意两个测量子系统间都没有公共视场，选用A系统坐标系为世界坐标系，再利用另一个测量子系统F作为中间传递系统，即测量子系统A和F有公共视场，测量子系统B和F也有公共视场，通过分别对A、F以及B、F进行坐标系转化，得到测量子系统A与F以及B与F的转化关系，即可知道B与A的转化关系，从而将B坐标系转化到A坐标系下，并对剩下的测量子系统依次采用上述转化方法，将测量子系统E坐标系转化到D坐标系、D坐标系转化到C坐标系、C坐标系转化到B坐标系,最终实现各个测量子系统的坐标系都统一到A坐标系下。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图2所示，为本发明所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的流程图。具体包括：

在测量前分别对相机阵列中的若干个测量子系统的每一个双目立体视觉单元进行相机标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子。

然后同步光模块发出具有编码的光电信号，多个双目立体视觉测量系统配有的传感器接收光电信号并进行快速处理，对每一个测量子系统都发出触发相机的脉冲信号，以保证每一个测量子系统的时间基准统一。

运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。

每个测量子系统在接收到触发脉冲信号后实现快速响应：

同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发。同步光发射器的装置图如图3所示。

每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。

快速测量出对应区域物体上的编码靶标的三维坐标信息，从而保证每一个测量系统测量的坐标信息记录的是运动物体同一时刻的运动信息，最后将每一个测量子系统测得的信息通过标定好的坐标系转化关系，实时转化到统一世界坐标系，从而完成整个对运动的大尺寸物体的测量。具体为：先结合测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

本发明所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，使用相机阵列对运动的大尺寸物体进行在线测量的重点主要包括了以下两个：一是各个测量子系统间的时间基准的统一；二是各个测量子系统间的空间基准的统一。

本发明所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，具体内容如下。

其中如图4所示，相机阵列由多个测量子系统组成，每一个测量子系统包括了两台工业相机并将其固定于一个相机模块化装备上(模块化装备应当在测量前根据相机长度等信息定制)。每一个测量子系统完成整个测量有以下几个步骤。

具体包括：

步骤1，对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子。

步骤2，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一。

步骤3，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。

步骤4，同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，通过传感器产生触发信号，实现每个测量子系统的同步触发；每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。

步骤5，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。具体可参见图6。

步骤4中，实现每个测量子系统的同步触发后，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；包括以下步骤：

步骤4.1，在接收到触发相机的触发信号后，每一个测量子系统的左右两台相机分别同时开始采集图像，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像；

步骤4.2，测量子系统配有的上位机对获得的同一时刻的一对图像进行滤波图像预处理，对编码靶标的外侧反光圆轮廓进行快速定位，得到定位后的图像；

步骤4.3，对定位后的图像进行分割拼接，提取多目标的编码靶标；

步骤4.4，快速提取到编码后的点对应，实现快速提取角点，并对其解码匹配，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；

步骤5中，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系，具体包括：运用最小二乘法求解根据光学三角形模型建立的方程组完成三维重建，并将转化后的三维坐标传送给基准坐标系。

步骤2中，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一；具体包括：同步光发射器的LED光源随着距离的增加而减弱。在正式开始测量时同步光模块首先开始工作，循环以下步骤。

步骤2.1，同步光发射器依据内部控制器设定好的LED明灭时间，将带有编码信息的光电信号传递给接受光电信息的多个传感器；

步骤2.2，传感器在接收到光电信号后，进行排序、解码等高速处理，生成可以触发相机的脉冲信号，从而保证了所有测量子系统的时间基准相同。

步骤3中，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；具体包括：

在进行测量之前，按照前文所述的相机阵列快速统一坐标系的方法统一坐标系，即不需要借助于其他测量设备，使用一个系统外的测量子系统作为中间测量坐标系完成世界坐标系的快速统一。两个测量子系统快速统一坐标系，具体是两个测量子系统分别与中间转化坐标系进行坐标系转化，转化流程如图5所示，具体步骤如下。

步骤3.1，保证第一个测量子系统与中间转化测量系统有公共的测量视场，两个系统分别同时测量3个及以上的特征点坐标信息，得到坐标点集A、B；

步骤3.2，分别对A、B点集进行中心化处理，并计算其协方差矩阵；

步骤3.3，对协方差矩阵进行奇异值分解(SVD)；

步骤3.4，计算出旋转矩阵R，然后计算平移矩阵T，从而实现坐标的转化；

步骤3.5，同理可以求得第二个测量子系统和中间转化系统的坐标转化关系，从而求得两个测量子系统间的坐标转化关系。

采用前文所述方法，依上述步骤3.1～3.5依次完成相机阵列所有的测量子系统间的坐标转化，完成相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，实现快速统一坐标系。

本发明所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法稳定可靠，实现了相机阵列的世界坐标系的快速统一，去除了测量系统需要借助其他测量设备完成坐标系的统一的限定，设计的同步光模块实现了时间基准的统一，并且减少了现场的复杂线缆的布置，实现了对运动的大尺寸物体的测量，每一个测量子系统都实现了多目标并行测量以及测量数据的实时传输与接收。经过实验验证，本测量方法稳定可靠，在单个同步光模块下、在25米范围内传感器可以稳定接收到同步光发射器发出的光电信息，完成测量的目的，较好的恢复大尺寸物体的运动信息。本方法成功实现了基于同步光的大尺寸运动物体的立体视觉在线高精度测量。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

本发明再一个实施例中，提供了一种大尺寸运动物体的立体视觉测量系统，该大尺寸运动物体的立体视觉测量系统可以用于实现上述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，具体的，该大尺寸运动物体的立体视觉测量系统包括相机阵列、测量子系统标定模块、同步光模块、空间基准标定模块、同步光触发模块、图像处理模块和三维重建模块。

其中，相机阵列为若干测量子系统及若干编码靶标组成的相机阵列，每个测量子系统包括一个双目立体视觉单元，一个双目立体视觉单元包括左、右相机，并配有相应的近红外补光灯。

其中，测量子系统标定模块用于对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子。同步光模块用于实现各个双目立体视觉单元的之间以及各个双目立体视觉单元内部两台相机间的时间基准同步。空间基准标定模块用于实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系。同步光触发模块用于通过同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发。图像处理模块用于通过每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。三维重建模块用于先结合测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的操作，包括：步骤1，对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；步骤2，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一；步骤3，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；步骤4，同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；步骤5，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：步骤1，对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；步骤2，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一；步骤3，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；步骤4，同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；步骤5，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；

步骤2，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统均处于统一的时间基准；

步骤3，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；

步骤4，同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一张图像，构成一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；

步骤5，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系，完成大尺寸运动物体的立体视觉测量。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，步骤4中，实现每个测量子系统的同步触发后，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像，具体包括以下步骤：

步骤4.1，在接收到触发相机的触发信号后，每一个测量子系统的左右两台相机分别同时开始采集图像，每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像；

步骤4.2，测量子系统配有的上位机对获得的同一时刻的一对图像进行滤波图像预处理，对编码靶标的外侧反光圆轮廓进行快速定位，得到定位后的图像；

步骤4.3，对定位后的图像进行分割拼接，得到提取多目标的编码靶标；

步骤4.4，快速提取到编码后的点对应并对其解码排序，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，步骤5中，结合步骤1的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，结合步骤3的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系，具体包括：运用最小二乘法求解根据光学三角形模型建立的方程组完成三维重建，并将转化后的三维坐标传送给基准坐标系。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，步骤2中，进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一，具体包括：

同步光发射器的LED光源随着距离的增加而减弱，测量时同步循环以下步骤：步骤2.1，同步光发射器依据内部控制器设定好的LED明灭时间，将带有编码信息的光电信号传递给接受光电信息的多个传感器；其中，传感器与双目立体视觉测量单元对应配置；

步骤2.2，传感器在接收到光电信号后，进行排序、解码等高速处理，生成可以触发相机的脉冲信号，实现所有测量子系统的时间基准相同。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，步骤3中，运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系，具体包括：

步骤3.1，保证第一个测量子系统与中间转化测量系统有公共的测量视场，两个系统分别同时测量3个及以上的特征点坐标信息，得到坐标点集A、B；

步骤3.2，分别对A、B点集进行中心化处理，并计算其协方差矩阵；

步骤3.3，对协方差矩阵进行奇异值分解；

步骤3.4，计算出旋转矩阵R，然后计算平移矩阵T，从而实现坐标的转化；

步骤3.5，同理可以求得第二个测量子系统和中间转化系统的坐标转化关系，从而求得两个测量子系统间的坐标转化关系；

依次完成步骤3.1～步骤3.5，实现所有测量子系统间的坐标转化，完成每个测量子系统的空间基准的标定统一。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量方法，其特征在于，步骤3中，基准坐标系为任意一个测量子系统坐标系或外部坐标系。

7.一种大尺寸运动物体的立体视觉测量系统，其特征在于，包括：

测量子系统标定模块，用于对相机阵列中的若干个测量子系统分别进行标定，得到了相机的内参、外参以及畸变因子；

同步光模块，用于进行同步光调试，实现相机阵列中每个测量子系统的时间基准统一；

空间基准标定模块，用于运用相机阵列快速统一坐标系的方法，实现相机阵列中每个测量子系统的空间基准的标定统一，确定基准坐标系以及多个测量子系统转化到基准坐标系的转化关系；

同步光触发模块，用于同步光发射器将设定好的光电信号发射至相机阵列中的每个测量子系统，实现每个测量子系统的同步触发；

图像处理模块，用于每个测量子系统的左右相机分别得到同一时刻的一对图像，对所得一对图像先进行预处理，然后进行分割和拼接处理，依据多目标的编码靶标，得到对应的只有编码靶标的多对图像；

三维重建模块，用于先结合测量测量子系统标定模块的标定结果，完成相应的目标点在对应的测量子系统里的三维坐标的测量，然后并结合空间基准标定模块的标定结果，实现每一个测量子系统测得的三维坐标向基准坐标系的转化，并传送到基准坐标系。

8.根据权利要求7所述的一种大尺寸运动物体的立体视觉测量系统，其特征在于，还包括相机阵列，为若干测量子系统及若干编码靶标组成的相机阵列，每个测量子系统包括一个双目立体视觉单元，一个双目立体视觉单元包括左、右相机，并配有相应的近红外补光灯。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述大尺寸运动物体的立体视觉测量方法的步骤。

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