南宫28登录入口ACTAMETROLOGICASINICAVolJuly2005基于近景数字摄影的坐标精密测量关键技术研究(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:研究了基于数字近景摄影原理的三维坐标精密视觉测量方法,可用于工业现场大尺寸范围内的坐标测量。对其核心技术,即数字成像器件高精度模型及标定、成像器件空间精密定向、高精度亚像素图像处理算法以及光学编码与精密测头技术,进行了深入的讨论,给出了原理和实现思路,为工业现场数字近景摄影三维坐标精密测量系统的设计提供了理论依据。关键词:计量学;近景数字摄影;标定;精密测量中图分类号:TB92文献标识码:文章编号:1000211585KeyTechniqueStudyPreciseCoordinateMeasurementBasedDigitalCloseRangePhotogrammetryZHUJi2guiYESheng2huaStateKeyLabPrecisionMeasuringTechnologyTianjinUniversityTianjin300072China)Abstractfieldlargescale3Dprecisevisualmeasurementtechniquebaseddigitalcloserangephotogrammetrykeyconcernedcontentsdigitalimagingdevicedeviceorientatingtechniquehighpreciseimageprocessingalgorithm,opticalcodingpreciseopticalprobeim2plementideaalsopresentedcanprovidedesignreferencefieldcloserangephotogrammetry3Dpre2cisemeasurementsystem.KeywordsMetrology;Digitalcloserangephotogrammetry;CalibrationPrecisemeasurement收稿日期:2004209220修回日期:2005201206基金项目:国家十五攻关项目(2003BA210C)作者简介:邾继贵(1970近年来,制造技术获得了很大进步,对精密测量技术提出了新的要求,可在工业现场使用的精密三维坐标测量技术已成为先进制造必备的关键技术之一。传统的通用坐标精密测量代表设备是三坐标测量机(CMM),但受到直线型导轨运动的限制,一般只能用于专用的测量环境,不能应用于制造现场。为适应制造技术的进步,近年来发展多种不同类型的现场坐标精密测量技术和设备:经纬仪工业测量系统、激光跟踪干涉测量系统、基于机器人的柔性坐标测量系统以及近景数字摄影视觉测量系统。经纬仪工业测量系统以空间交汇三角测量原理为基础,当前电子经纬仪的测角精度已达0.5″,采用多个经纬仪组合,结合精密定向技术,理论上可以实现优于10μmΠm的测长精度。经纬仪系统有很好的便携性,可以在工业现场组建,但存在一定的局限性:测量效率低、需人工瞄准、工作强度大、测量精度易受人为因素影响,不适合大工作量的现场测量。激光跟踪干涉测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统,具有测量空间大、精度高的优点,其不足之处在于便携性不理想、价格昂贵、效率一般。基于机器人的柔性坐标测量系统是以机器人本体为运动平台,配合精密测头,实现空间坐标测量。本质上,它是将CMM的直线导轨运动形式转化为灵活的关节运动形式,因而具有很好的运动效率和紧凑的安装空间。基于机器人的柔性坐标测量系统效率高,缺点是受到运动形式的影响,测量精度和测量范围受到很大限制,外,便携性也不理想。近景数字摄影视觉测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术,其用于工业现场是目前精密测量研究和应用的一个热点。近景数字摄影视觉测量采用类似于经纬仪系统的空间交汇三角测量模型,所不同的是,它采用高性能数字成像器件作为传感元件,结合图像处理及模式识别技术实现对目标物的自动识别、瞄准和角度测量,测量过程自动化,消除测量过程中的人为误差,有效提高了测量精度,测量效率大大提高。近年来,高分辨率、高信噪比的数字成像CCD器件发展迅速,3i数字摄像机具有30002000像素和10bit的信号动态范围,加之计算机图像处理和模式识别技术的快速进步,使得近景数字摄影视觉测量技术成为目前最有前途的一种现场精密三维坐标测量技术。近景数字摄影视觉测量的核心技术包括数字成像器件的精确模型及标定、成像器件空间精密定向、高精度亚像素图像处理以及光学编码和精密测头。数字成像CCD精确模型及其参数标定近景数字摄影测量中的成像器件一般选用高质量的CCD器件。为充分发挥CCD器件的性能,实现理想的测量精度,需要研究精确的成像模型南宫28登录入口。成像模型是指用解析方式描述成像器件实现的空间三维到二维像平面之间的映射关系,为确保成像模型的精度,应当将器件成像物理过程中的主要误差因素考虑在内,采用适当的模型参数标定技术,分离并补偿模型中的误差。成像透视原理如图1所示。透视成像原理设摄像机坐标系为OXYZ空间物点,其在摄像机坐标系中坐标为,在世界坐标系OwXwYwZw中坐标为(Xw在像平面上理想像点坐标(理想透视,不存在任何畸变)。根据透视变换关系,有:xu其中,Cx、Cy为像面中心,Δx为成像综合畸变,可采用下列模型P2xyP1xy、Cx南宫28登录入口、Cy、k1、k2、k3、b1、b2、P1、P2称为摄像机模型参数,其确定过程称为模型参数标定。由成像原理可知,直接标定模型参数可以通过建立已知空间点(控制点)三维坐标(Xw及其对应成像点的二维像面坐标(xd直接标定模型参数应关系,如图2所示,解算非线性方程组,得到模型参数。、Cx、Cy、k1、k2、k3、b1、b2、P1、P2为模型参数(未知tz为摄像机坐标系OXYZ到世界坐标系OwXwYwZw之间的变换关系,即摄像机姿态外参数(未知量)直接模型参数标定方法直观,但只能用于实验室中,借助大型坐标测量仪器(如CMM、激光跟踪干实现,标定过程烦琐,标定结果受控制点空间坐标测量精度的影响,容易产生误差,且不能应用于现场环境。解决上述问题的根本途径是消除标定过程中需要控制点三维坐标已知———这一约束条件。将控制点的空间坐标值作为未知变量代入模型中,在标定过程中,同时解算模型参数和控制点的空间坐标,该技术称为摄像机自标定技术。自标定技术是基于空间光束定向交汇原理的新型摄像机标定技术,其基本思路是:在空间简单设置 标定控制点,控制点的空间坐标未知,摄像机在不同 的姿态(α 条件下,获取视场中 控制点的图像,处理得到控制点的像面坐标,如图3 所示。 光束定向交汇自标定原理根据光束定向交汇原理,同一控制点在摄像机 不同姿态下对应的成像光束在空间应当交汇于一 点,由此得到包含摄像机模型参数和控制点坐标的 非线性约束方程组,从中可以解算摄像机模型参数、 控制点坐标以及摄像机姿态。自标定的本质是将摄 像机的姿态、控制点的空间坐标以及摄像机的模型 参数均作为未知量,以控制点的成像光束在空间交 汇作为已知条件,建立高度非线性的大规模方程组, 从中解算摄像机模型参数,从原理上消除了直接摄 像机标定方法中要求控制点三维坐标已知的局限 自标定对工作环境要求不高,易于实现,甚至可以实时应用于测量现场环境,标定结果不受控制点 坐标精度影响,标定精度高,且标定过程可以和测量 过程有机结合,提高系统测量精度,是一种适合近景 数字摄影测量的理想摄像机标定技术南宫28登录入口。 空间精密定向空间定向即定位摄像机在空间的姿态,对于双 摄像机组成的交汇测量系统而言,就是确定两个摄 像机之间的空间姿态关系,建立精确的空间三角交 汇测量模型,如图4 所示。 双摄像机空间位姿关系定向原理设两个摄像机坐标系分别为 O2X2 Y2 Z2 ,定向的目的是建立两个坐标系之间的变 换关系:旋转矩阵和平移矩阵。 采用与摄像机自标定类似的光束定向交汇约束 可以很好地解决双摄像机之间位姿关系的定向问 题。在双摄像机的重合视场中任意设置控制点(点 的空间坐标无需已知) Pi ,控制点在两个摄像机中的 成像光束必定在空间交汇,以此为约束条件可以精 确求解摄像机之间的空间变换关系。 令控制点 Pi ,在两个摄像机坐标系中的坐标分别为( X1 ,由摄像机透视模型知:x1ui Y2iZ2 摄像机坐标系O1 X1 Y1 Z1 、O2 X2 Y2 Z2 之间的变换关