基于双相机的计算机视觉坐标测量系统

　　1 引 言

　　几何量测量主要包括角度、距离、位移、直线度和空间位置等，其中最为通用和普及的就是确定空间位置的三维坐标测量，而其它一些待测量均可以对坐标进行一定的计算间接得到。精密三维坐标测量技术已经是现代工业中不可或缺的测量手段，并且在测量的方式、范围、精度等各个方面被提出了更高的要求，为满足这些测量要求，出现多种精密三维坐标测量仪。坐标测量机的测量精度可达微米级，然而庞大的机身和厚重的底座限制了其现场测量能力;经纬仪、激光跟踪仪便携性好，但价格不菲[1]。基于视觉测量的靶标成像测量系统[2-3]，便携性好，精度适中，组建灵活，已是现场三坐标测量的首选工具之一，为广大学者所关注，然而空间坐标测量不确定度偏差较大[4]。标靶成像的双摄像机坐标测量方法[5]以双目视觉为基础建立数学模型，在后期图像处理中存在图像匹配等较为繁琐问题，并且易引入匹配误差。本文研究了在单摄像机测量模型基础上直接应用冗余算法建立双相机的测量模型，通过测量值相互补偿的方法实现了低成本高精度的系统集成。

　　2 系统组成

　　典型的基于视觉测量的靶标成像测量系统的组成如图1所示，由一支光学靶标、一台或者多台面阵CCD 摄像机、专用标定附件和一台装有专为该系统设计开发的软件的笔记本电脑所组成。在光靶标上装有若干个控制点、测头和触发开关，控制点本身是发光体或者是光反射单元，测头是一个球形的硬测头。控制点中心和球形测头的中心各自之间都有确定的位置关系(各自之间的距离为已知)。测量时，球形测头接触被测表面，触动触发开关，摄像机摄取光靶标上控制点的像，图像采集卡对图像进行采集，由计算机进行图像处理获得各个控制点的像面坐标，进而由预先编制好的软件可计算出球形测头中心的三维坐标(即被测面上测头的三维坐标)。

　　3 系统坐标测量原理

　　3.1 单像机测量原理

　　本系统是在单摄像机视觉测量系统的基础上建立的，先介绍单摄像机三维坐标测量原理。首先建立系统模型的三维坐标系如图2 所示，以摄像机的透视中心为坐标原点 O，成像系统光轴方向为 Z 轴，平行于CCD 像素的纵横方向分别为Y 轴和 X 轴，建立了XOY 坐标系。图中A 点代表光学测头，B、C、D 为光学测头上的三个光靶标，在模型中用点来代替，A、B、C、D 位于同一条直线上，其相互之间的距离是已知的。点B、C、D 经透视变换在图像平面坐标系中所成的像为 B′、C′、D′;O′为光轴 OZ 与像平面的交点，θ1为OD 与OC 的夹角，θ2为OC 与OB 夹角。通过几何关系可得到