CN209357119U - 一种基于主动视觉的空间位姿测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及测量技术领域，具体公开了一种基于主动视觉的空间位姿测量系统，包括红外发光靶板、摄像机和监控终端；红外发光靶板为安装于被测物体上的标志物，标志物上设有用于反映标志物位姿状态的图像特征信息；摄像机用于提取靶板上的图像特征信息；监控终端用于处理摄像机获得的图像特征信息。通过主动视觉的方式，在传统摄像测量系统的基础上优化创新，开发出符合现代制造业要求的新型空间位姿测量系统。

Description

一种基于主动视觉的空间位姿测量系统

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种基于主动视觉的空间位姿测量系统。

背景技术

在大型工业产品的制造及装配过程中，对其几何尺寸和位置误差的测量，是保证产品质量的关键因素。大型工业产品的测量是现代先进制造系统中的关键技术之一，被广泛地应用到涉及航空航天、冶金设备、造船工业、汽车制造、港口机械、探矿设备、电站设备、造纸印刷等诸多工业领域。

大型工业产品测量方式通过近十几年来的不断发展，已经在传统三坐标测量系统(CMM)基础上，创新出了多种大型工业产品测量系统。除了传统三坐标测量系统(CMM)以外，比较成熟的还有电子经纬仪工业测量系统(MTS)、全站仪极坐标测量系统、激光跟踪测量系统(LTS)、激光扫描测量系统(LSS)、基于GPS原理的空间测量系统等。特别是近几年随着计算机视觉相关技术的发展，利用摄像机通过直接拍摄目标物的方式来进行测量活动的摄像测量系统也在实际应用中发挥了重要作用。几种工业产品数字化测量技术特点的对比具体见下表。

计算机视觉技术的目的是让计算机能够以类似人类的方式来“看”世界，即利用计算机软硬件模拟出人类对整个三维世界图像采集、处理、分析和学习能力，使计算机和机器人系统具有智能化的视觉功能。

计算机视觉技术的核心问题在于如何对图像信息进行提取，不同于人类对图像信息的提取过程，现在大多数的计算机视觉问题只能采用“逆向推导机制”，即利用已知或假设的关联将视觉系统的输入(数字图像)和输出(语义描述) 对应起来，通过图片猜测真实世界物体具有的形状、照明度以及颜色分布。也有部分计算机视觉问题尝试通过正向推导来解决问题，但其系统的输入一般为人造图像，如条形码、商标等。这类人造图像中的信息完全由人工控制生成，所以其输入和输出的对应关系完全已知，推导过程比较容易实现。应用了此类技术的相关系统已经有很多，并且都能较好地满足目标要求。

计算机视觉技术自二十世纪七十年代出现以来，已经发展了四十多年。从最开始的数字图像处理，到双目匹配技术，到人脸检测与识别，再到最近几年火热的机器学习。计算机视觉技术与时俱进，不断探索出新的应用技术。被广泛地应用于，如数字图像检索管理、医学影像分析、智能安检、人机交互等领域。

如何更好地将测量技术与计算机视觉技术结合起来，以发展出匹配现代制造业的工业测量系统是目前的难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于主动视觉的空间位姿测量系统，通过主动视觉的方式，在传统摄像测量系统的基础上优化创新，开发出符合现代制造业要求的新型空间位姿测量系统。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种基于主动视觉的空间位姿测量系统，包括红外发光靶板、摄像机和监控终端；

红外发光靶板为安装于被测物体上的标志物，标志物上设有用于反映标志物位姿状态的图像特征信息；

摄像机，用于提取红外发光靶板上的图像特征信息；

监控终端，用于处理摄像机获得的图像特征信息。

进一步，摄像机采用CMOS近红外增强型工业摄像机。

进一步，在摄像机上加设有工业镜头和滤波片。

进一步，工业镜头型号为SA3520M-10MP，滤波片的型号为JT03-BP850-40.5。

进一步，红外发光靶板包括光源、靶板和驱动电路，光源固定在靶板上，驱动电路用于驱动光源发光。

进一步，光源采用红外发光二极管。

进一步，红外发光二极管为PH301型红外发光二极管。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型公开的基于主动视觉的空间位姿测量系统，包括红外发光靶板、摄像机和监控终端；红外发光靶板可以主动发光，摄像机用于提取靶板上的图像特征信息，监控终端用于处理摄像机获得的图像特征信息。将主动视觉技术与摄像测量技术相结合，从而扩大了摄像测量系统的适用范围，提高了测量精度，降低了测量成本。

进一步，摄像机采用的是近红外增强型工业CMOS摄像机，通过搭配镜头和滤光片，可以获得理想的红外光斑图像。

进一步，红外发光靶板采用红外发光二极管作为主动视觉光源，靶板上的红外发光二极管以一定位置关系被固定住，驱动电路用来驱动红外发光二极管，实现了摄像机可全天候地对靶板上的信息进行提取。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型近红外增强型工业摄像机光谱响应特性图；

图3为重投影误差分布图；

其中，1为红外发光靶板，2为摄像机，3位监控终端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型的基于主动视觉的空间位姿测量系统，包括三个部分，第一个部分是安装于被测物体上的标志物，本方案中的标志物是红外发光靶板1，标志物上有已知的特征信息，这些特征信息反映了标志物的一种确定位姿状态；第二个部分是用于提取图像信息的摄像机2，本方案采用的是近红外增强型工业CMOS摄像机；第三个部分是监控终端3，用于处理摄像机2获得的图像信息，并通过相关算法解算出红外发光靶板1的实际空间位姿信息。

红外发光靶板1与被测物体连接，当被测物体相对于原姿态发生改变时，这种改变就会被传递到红外发光靶板1上。尽管这种改变是极其微小的，但摄像机2依然能够捕捉的到。摄像机2将此时靶板的图像拍摄下来，通过数据线发送给监控终端3。监控终端3利用相关算法，通过参考图像上特征点与红外发光靶板1上特征点的对应关系，就能得到红外发光靶板1目前的空间位姿信息。这就是整个系统实现测量的原理。

针对测量系统在5至20米的实际空间中，对一块25*25厘米的正方形靶板上的图像信息进行提取的要求下，以保证高质量成像为前提，经过长时间的调研和测试，最终选择国产海康威视公司旗下生产的MV-CA050-20GN近红外增强型工业摄像机，并搭配SA3520M-10MP工业镜头。该款摄像机的光谱响应范围如图2所示。

通过与镜头的组合，该款工业摄像机在测量要求的范围均能获得清晰的图片。从光谱响应特性图中可以看出，相比于传统工业摄像机，该款工业摄像机在近红外光下的吸收峰出现在频率更高的波段处。

实际中为了获取更高质量的红外图像，还在镜头上加装了JT03-BP850-40.5 带通滤波片，通过只允许940±40nm的波段范围内的红外光进入摄像机的方法来进一步改善成像质量。

滤光片除了可以滤除目标波段以外的光线外，还能够有效减少工业摄像机镜头眩光现象的出现。当光源垂直照射入镜头内时，由于镜头机械结构的原因，会出现极为剧烈的眩光现象。伴随着眩光，画面边缘附近还会出现星芒状光斑的残影，无论哪一种现象都会严重妨碍后续的测量工作。而当镜头加装了滤波片后，相当于起了镜头中光阑的作用，减小了通过光线的强度，眩光现象随之消失，成像质量也获得了进一步提升。

靶板是人工制造的一种可以供摄像机进行摄像识别的标志物，其表面的特殊图案或者特殊结构代表的是某些信息，而这些信息与靶板实时空间位姿的对应关系是已知的。那么当摄像机拍摄到某一帧图像后，监控终端3就可以通过这帧图像中信息与位姿的对应关系来解算出目标的三维特征信息，靶板是单目视觉位姿测量系统中必不可少的一个组成部分。传统的靶板一般是通过其表面的特殊图案来代表不同的信息，比较常见是运用于增强现实技术中的靶板。这些特殊图案中包含了空间位姿的绝对信息，摄像机对其进行拍摄的时候就可以获得摄像机相对于靶板的位置关系，从而对虚拟图像的投影位置进行调整。但是这种靶板只能被用于光照强度足够强的环境中，如果环境中光照强度不够，那么靶板就无法把足够的光线反射到摄像机的镜头中，摄像机也就无法进行正常的摄像活动，所以这是一种被动视觉技术。

针对实际测量要求，要全天候地对靶板上的信息进行提取的话，就必须采用主动视觉相关技术，也就是本方案中红外发光靶板1所采用的技术。红外发光靶板1包括红外发光二极管、靶板和驱动电路三部分，靶板是放置红外发光二极管的平面正方形薄板，靶板上的红外发光二极管以一定位置关系被固定住，驱动电路用来驱动红外发光二极管。

最终选取PH301型红外发光二极管，相关参数见表1。该红外发光二极管的发光角度是60度，在其发光范围内摄像机才能接受到最大发光强度。因为靶板并不是正对着摄像机安装，所以在组合二极管与靶板时应注意调整好二极管的角度。在靶板的可动角度内，使其发光范围尽可能多的覆盖到摄像机，以达到最好的成像质量。

表1红外发光二极管的相关参数

型号	发光波长	正向电压	正向电流	脉冲电流	辐射强度
						PH301	940nm	1.3-1.5V	20-100mA	0.7-1A	25-220mW/sr

因为红外发光二极管的发光强度是由电流的大小来决定的，电流越大发光强度越高。所以常用的红外发光二极管电路都是由恒流源驱动的，组成恒流源的方式有很多种，可以根据实际情况的不同来进行选择。本实用新型的驱动电路要一次点亮多枚红外发光二极管，采用了串联的方式，保证通过所有二极管的电流大小一致。

红外发光靶板1中的已知信息就是各个红外发光二极管在靶板上的相对位置关系，这些位置关系是绝对的、不会随着靶板本身位姿的变化发生改变。并且红外发光二极管是主动发光的，只要其与摄像机之间没有直接遮挡，其发出的红外光在任何环境光照强度下都能被摄像机所接受到。选择红外光作为主动视觉光源的另一个原因是，通过滤波片和摄像机传感器的共同作用可以完全隔绝位于可见光波段的环境光对所得图像的影响，提高成像质量。

本实用新型的摄像机标定方法采用“Zhang”标定方法或Tsai两步标定方法。无论是“Zhang”标定方法还是Tsai两步标定方法，都只考虑了径向畸变的存在。本实用新型在摄像机成像模型中加入几种畸变模型，因为本测量系统对图像中点坐标信息的提取精度为像素级，任何微小的畸变都可能造成最终测量结果的不准确。

实验结果对比

(1)“Zhang”标定方法的结果

对“Zhang”标定方法的实验验证利用了已经发布在互联网上的标定工具箱，基于MATLAB环境下运行，使用的软件是MATLAB R2018a。具体操作过程在标定工具箱的下载页面中有详细介绍，这里不再赘述。这里只对实验结果进行展示和分析，并简单地讨论了一下“张正友”标定方法的优缺点。

图3展示了标定过程中通过计算得到的重投影误差分布图。在得到标定结果，也就是相机的内外参数矩阵及径向畸变系数后，也就得到了平面棋盘格在世界坐标系下相对于摄像机的空间位姿信息。摄像机标定的过程，也就是找到空间中点的三维位置信息与其在图像中二维位置信息对应关系的过程。完成标定后，这个对应关系被确定下来，也就确定了平面棋盘格相对于摄像机的空间位置关系。“Zhang”标定方法的最终结果如表2所示。

表2“张正友”标定方法的最终结果

(2)Tsai两步标定方法的结果

对Tsai两步标定方法的实验验证利用了Intel公司开发的OpenCV(open sourcecomputer vision library)开源计算机视觉库，通过直接调用其中的摄像机标定函数即可实现对摄像机的标定，实验最终得到的内参数矩阵是：

畸变系数为：

[-4.0483e-001，2.3098e+001，0，0，0]

通过与“Zhang”标定方法的结果对比，发现两次标定的结果虽然不是完全相等，但误差值均在可接受的范围内。利用OpenCv进行Tsai两步法标定时，程序函数通过四副不同的图像求解得到相机的内参数矩阵，而且提取角点的过程是完全不需要人为操作的。最终输出的结果不仅有相机的内参数矩阵，还有每张图像相对于摄像机的空间位姿信息。用四个旋转矢量和平移矢量表示如下。旋转矢量：

[-2.1322e+000，-2.1568e+000，-3.135e-001]

[-1.9699e+000，-2.0737e+000，-5.6898e-001]

[1.9784e+000，2.0993e+000，-1.4327e-001]

[-1.9364e+000，-2.1755e+000，1.6354e-001]

平移矢量：

[-1.0675e+002，-7.7182e+001，1.1348e+003]

[-9.6099e+001，-7.7756e+001，1.0885e+003]

[-8.5664e+001，-7.3304e+001，1.1378e+003]

[-7.7185e+001，-8.2940e+001，1.1086e+003]

也就是说与“Zhang”标定方法类似，Tsai两步标定方法最终也能得到平面棋盘格相对于摄像机的空间位姿信息。

本实用新型采用红外发光二极管作为主动视觉光源，近红外增强型工业摄像机作为图像采集设备，监控终端3作为图像处理及程序运行设备，最终提取出靶板相对于摄像机空间坐标系下的空间位姿信息。

Claims (7)

1.一种基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，包括红外发光靶板(1)、摄像机(2)和监控终端(3)；

红外发光靶板(1)为安装于被测物体上的标志物，标志物上设有用于反映标志物位姿状态的图像特征信息；

摄像机(2)，用于提取红外发光靶板(1)上的图像特征信息；

监控终端(3)，用于处理摄像机(2)获得的图像特征信息。

2.根据权利要求1所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，摄像机(2)采用CMOS近红外增强型工业摄像机。

3.根据权利要求2所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，在摄像机(2)上加设有工业镜头和滤波片。

4.根据权利要求3所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，工业镜头型号为SA3520M-10MP，滤波片的型号为JT03-BP850-40.5。

5.根据权利要求1所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，红外发光靶板(1)包括光源、靶板和驱动电路，光源固定在靶板上，驱动电路用于驱动光源发光。

6.根据权利要求5所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，光源采用红外发光二极管。

7.根据权利要求6所述的基于主动视觉的空间位姿测量系统，其特征在于，红外发光二极管为PH301型红外发光二极管。