三维尺寸视觉测量系统

现代计量测试1999年第1期
三维尺寸视觉测量系统
邾继贵　王 王　仲　叶声华
(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津　300072)
摘要:视觉测量技术是一种先进的非接触测量手段,具有系统组成灵活、工作空间大、精度合适、自动化程度高等特点,非常适合工业现场的在线测量与质量监控。

本文分析视觉测量的原理及视觉测量系统的组成,研究了一个实际的视觉测量系统。

关键词:三维尺寸　视觉测量
0　引言
视觉测量是采用摄像机作为传感器件,借助计算机强大的数据处理能力实现对物体(物点)空间位置的测量。

较大规模的视觉测量系统一般由多个视觉传感器组成,以完成大空间范围内的测量,要解决的主要问题有视觉传感器的设计、传感器的局部标定和系统全局标定等。

如果被测空间较小,一个传感器应可以组成视觉测量系统,此时局部标定和全局标定是统一的。

视觉传感器的具体结构很灵活,由被测对象来决定,但它们的测量原理是一致的。

1　视觉测量原理
111　视觉传感器测量原理
本质上讲,视觉传感器是基于三角测量原理的,图1示出了光条传感器的测量原理。

图1　光条传感器测量原理由投射器投射出一个光平面,它与被测物体表
面相交形成光条,将物体表面与光条相交的某点记
为P w ,该点在摄像机象面上象点为P i 。

设摄像机坐
标系为OXYZ ,P i 在象面上的坐标为(x i ,y i ),P w 在
OXYZ 中的坐标为(x w ,y w ,z w ),图1中存在下列关
系x i =f x (x w ,y w ,z w )y i =f y (x w ,y w ,z w )(1)式中f x ,f y 是由摄象机成像模型所决定的函数。

如
果选择透视成像模型,则
f
x =x w z w f f y
=y w z w f 其中,f 为摄像机焦距。

此外,因为P w 在光平面内,所以存在如下约束
P(x w,y w,z w)=0(2)
P(x,y,z)为平面在OXYZ中的平面方程。

f x,f y,P(x,y,z)的具体形式可由传感器的局部标定获得。

由式(1)、(2)即可算出P w的坐标。

其它类型的视觉传感器,包括多光条传感器、双目传感器,它们的原理可以用类似的方法来分析。

112　视觉系统原理
由于单个视觉传感器的工作空间有限,因此,通常由多个视觉传感器组成一个较大工作空间的视觉测量系统,如图2所示。

图2　多传感器视觉测量系统在图2示出的系统中,每一个传感器的测量
结果都是在其自身的局部坐标系中得到的,必须
将这些局部坐标系下得到的测量结果统一到测量
坐标系下才有意义。

借助经纬仪可实现这种统一,
这就是视觉系统的全局标定。

设第i个传感器的局部坐标系为O i X i Y i Z i,系
统测量坐标系为O X Y Z,经纬仪坐标系为
O o X o Y o Z o,则
x o
y o
z o
=R o i
x i
y i
z i
+T o i(3)
x
y
z
=R o
x o
y o
z o
+T o(4)
式中R o i,T o i为坐标系O i X i Y i Z i到O o X o Y o Z o之间的旋转矩阵和平移矩阵,R o,T o为坐标系O o X o Y o Z o 到O X Y Z之间的旋转矩阵和平移矩阵,它们均通过经纬仪的全局标定获得。

于是
x
y
z
=R o R o i
x i
y i
z i
+R o T o i+T o(5)
通过上式就可以实现各个传感器的局部坐标系到系统测量坐标系之间的统一,如果测量系统只包含一个视觉传感器,那么全局标定就可以省略。

下面研究一个车身三维尺寸视觉测量系统。

2　车身三维尺寸视觉测量系统
汽车在生产过程中,需要对白车身(未喷漆前的已焊装好的车身)上的关键部位及关键点(如车围棱线,棱线上的点,车身上圆孔、锥角等特征点)进行检测,以鉴定生产线的焊装质量。

车身三维尺寸视觉测量系统可以在线、非接触、高效地完成这个任务。

该系统由多个视觉传感器组成,包括传感器系统、标定系统、机械系统、电气控制系统、计算机系统及测控软件几部分。

整个系统的工作示意图如图3所示。

211　视觉传感器系统
视觉传感器在整个系统中占有重要的地位,根据车身上被测点的具体特点,设计了三种类型的传感器,传感器原理图如图4所示。

图3　车身三维尺寸视觉测量系统工作示意图
图4　车身三维尺寸视觉测量系统中的传感器
21111　单光条传感器
由单光条投射器和摄像机组成,投射器投射的光平面和被测物体表面相交形成光条,分析光条在摄像机中的成像位置就可解算出被测物体表面上的点(和光平面相交部分)的空间位置。

该传感器用于测量车身棱线上点的空间坐标。

21112　多光条传感器
由多光条投射器和摄像机组成,可以一次投射多个光平面,因此能够同时测量多个被测物体表面上点的空间位置。

该传感器用于测量车身棱线(通过多个点的测量结果来解算)的空间位置。

21113　双目传感器
由左右两个摄像机组成,根据空间特征点(如圆孔等)在左右两个摄像机中的成像位置,可解得该点的空间坐标。

该传感器用于测量车身上特征点(圆孔、锥角等)的空间位置。

212　标定系统
标定系统包括传感器局部标定和系统全局标定两部分。

21211　局部标定
标定传感器的结构参数,包括摄像机参数,光平面和摄像机之间的空间关系,摄像机和摄像机之间的空间关系等。

21212　全局标定
标定组成系统的各个视觉传感器局部坐标系和视觉系统测量坐标系之间的空间关系,采用两
台经纬仪建立观测坐标系,通过靶标将各个传感器的局部坐标系统一到一个基准坐标系(视觉系统
测量坐标系)中。

213　机械系统
机械系统负责传感器的安装、被测车身的传动及定位。

214　电气控制系统
电气控制系统完成对机械运动机构的运动控制。

215　计算机系统
计算机系统提供一个计算、控制平台,它通过网络,在测量控制软件的作用下,实现对多个传感器的控制,并经过计算处理最终给出测量结果。

硬件控制原理如图5所示。

图5　计算机控制原理
216　测量控制软件
测量控制软件包括网络通讯模块、电气控制模块、传感器控制模块、图像分析模块、计算模块、交互式用户接口模块等,实现对系统的控制并给出测量结果。

3　结论
视觉测量具有非接触、高效、灵活等独特优点,非常适合于生产现场的在线测量与质量监控,是一种很有价值和前途的测量技术,这在实际应用中已得到充分的证明。

参考文献
1　邹定海.三维视觉检测系统研究及其ADC应用:[学位论文].天津:天津大学,1992.
2　罗明.多视觉检测系统标定方法的研究:[学位论文].天津:天津大学,1994.
V isi on M easu ring System fo r32D i m en si onal Sizes
Zhu J igu i,W ang Fang,W ang Zhong,Ye Shenghua
(State Key L ab of P recisi on M easu ring T echno logy and In strum en ts,T ian jin U n iv.,300072)
A b stract:V isi on m easu ring techno logy is an advanced non2con tact m easu ring m ethod w ith several characteristics such as flex ib le configu rati on,app rop riate p recisi on and h igh au tom ati on.It is very su itab le to the on2line m easu rem en t and quality m on ito r in the field of indu stry.T he p rinci p le and system configu rati on of visi on m easu rem en t are analyzed,and a p ractical visi on m easu ring system fo r32di m en si onal sizes are develop ed.
Key W o rds:32di m en si onal size,visi on m easu rem en t。