[發明專利]一種基于激光跟蹤儀的雙目視覺拼接方法

有效

• 申請號: 201710707744.0
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107421465B
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 劉巍;蘭志廣;張洋;趙海洋;葉帆;張致遠;馬建偉;賈振元
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

1.一種基于激光跟蹤儀的雙目視覺拼接方法，其特征是，該方法采用激光跟蹤儀和雙目視覺系統進行三維數據拼接，并將激光跟蹤儀自身坐標系作為全局坐標系，雙目視覺系統坐標系作為局部坐標系和控制點坐標系；整個拼接過程包括雙目視覺系統自身的標定、雙目視覺測量系統與控制點的標定、數據獲取、轉換矩陣求解步驟；通過將不同位置獲得的測量數據根據其轉換矩陣統一至全局坐標系下，完成三維數據拼接；該方法的具體步驟如下：

第一步、安裝測量拼接系統并建立坐標系

首先，將左相機支座(2)和右相機支座(8)固定在連接桿(9)上，再分別將左、右相機(3、7)固定在相機支座上；把激光器(4)通過螺釘固定在激光器轉臺(11)上，再把轉臺(11)固定在連接桿(9)上；將靶座(6)固定在連接桿(9)上；將連接桿(11)固定在三腳架(10)上，把激光跟蹤儀的左上、右上、左下、右下反射球(12、13、14、15)分別安裝到靶座(6)上作為控制靶點；并調整左、右相機(3、7)的位置及激光器(4)的位置，以左相機(3)的光心作為局部坐標系的原點，相機成像平面的u方向為x方向，光軸方向為z軸方向，建立右手坐標系；將激光跟蹤儀反射球的靶座(6)固定在雙目視覺測量系統上，把激光跟蹤儀的左上、右上、左下、右下反射球(12、13、14、15)分別安裝到靶座(6)上作為控制靶點，用于確定雙目視覺測量系統的位姿，選取激光跟蹤儀的左上反射球(12)的中心作為控制點坐標系的原點，將激光跟蹤儀的左上、右上反射球(12、13)中心連接作為控制點坐標系x軸，再選激光跟蹤儀左下反射球(14)與激光跟蹤儀的左上、右上反射球(12、13)構成一平面，其法線方向為z軸方向，建立控制點坐標系；并將激光跟蹤儀(1)放置合適的位置，調節其為水平狀態，連接激光跟蹤儀，建立激光跟蹤儀坐標系作為全局坐標系；

第二步、標定全局測量系統

1)雙目視覺測量系統的標定

根據被測件(5)及測量精度要求調節雙目相機的視場大小，利用與視場大小相匹配的棋盤格標定板放置于雙目視覺系統的測量范圍內的不同位置，左右相機同步觸發采集多張標定板圖片，采用張氏標定方法標定相機，得到雙目視覺系統的內外參數；

2)雙目視覺測量系統與控制點的標定

標定雙目視覺測量系統的局部坐標系與控制靶點坐標系之間的轉換關系，用已經標定好的雙目視覺測量系統拍照得到其所有視覺反射球的像素坐標，左相機像素坐標為右相機像素坐標為根據雙目測量系統的內外參數計算得到反射球球心點在局坐標系下的三維坐標計算公式如下：

其中，c₁和c₂分別為左右相機的有效焦距，與分別為左相機坐標系到右相機坐標系的旋轉矩陣與平移向量，最終得到點集p^v：

依次測量激光跟蹤儀反射球的球心點在全局坐標系下的三維坐標得到點集p^t，和對應同一點：

根據下面的公式求得該位置下局部坐標系到全局坐標系的旋轉矩陣和平移向量

取i≥3，即在視覺視場內布置三個或三個以上的靶點，對局部坐標系到全局坐標系的旋轉矩陣和平移向量進行優化，先利用上式求出旋轉矩陣和平移矩陣的初值和再利用四元數法優化矩陣，得到最終的和

再次利用激光跟蹤儀測量固定于雙目測量系統上的控制靶點的三維坐標控制靶點在控制靶點坐標系中的坐標值為根據下面的公式利用上面同樣的方法求得控制靶點坐標系到全局坐標系的旋轉矩陣和平移向量

設局部坐標系到控制靶點坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量分別為和若已知一點a在局部坐標系的坐標表示為a^v，在控制點坐標系下的坐標表示為a^c，則其在全局坐標系下的坐標a^t可表示為：

或

將式(6)的第一個公式帶入到第二個公式中得到：

聯立式(7)和式(8)，即可求得局部坐標系到控制靶點坐標系的旋轉矩陣和平移向量

從而完成拼接系統的標定；

第三步、數據獲取

1)將雙目測量系統移動至被測件(5)的第一個合適位置，開啟激光器(4)，對被測件型面進行自動掃描并拍攝圖像，提取光條灰度重心的像素坐標，并根據公式(1)重建得到被測件表面在局部坐標系下的三維數據點₁p^v的坐標；

2)激光跟蹤儀(1)測量雙目測量系統上控制點q^c，得到該位置下控制點在全局坐標系下的三維坐標₁q^t；

3)移動雙目測量系統至下一測量位置，即第i個位置，重復步驟1)，2)，得到在當前位置下被測件型面的三維數據點的局部坐標_ip^v及控制點在全局坐標系下的三維坐標_iq^t；直至將整個被測件的型面全部測量完獲得所有的數據點_ip^v和_iq^t為止；

第四步、數據拼接

根據第二步的標定結果，先將各個位置下型面的三維點_ip^v在局部坐標系下的坐標轉換到控制靶點坐標系下，公式為：

然后利用各個位置下激光跟蹤儀測得的控制靶點的坐標值_iq^t及控制靶點在控制靶點坐標系下的坐標q^c根據公式(5)求得第i個位置控制靶點坐標系到全局坐標系的旋轉矩陣和平移向量利用下述公式將各個位置型面三維點在控制靶點坐標系下的坐標值_ip^c轉換至全局坐標系下：

則最終整個型面可表示為p^t：

p^t＝[₁p^t,₂p^t,…,_ip^t,…] (12)

從而實現被測件整個型面的測量，完成拼接。