跟踪测距式三维坐标视觉测量系统

　　引 言

　　近年来，以 CCD 摄像机为核心部件构筑的三维视觉坐标测量系统的研究得到了较大的发展[1]，其主要优点是摄像机可直接测量空间点的方向，精度高。而系统求解时往往需要确定各被测特征点到摄像机透视中心的距离，由于摄像机不能直接测量距离，只能由测得的方向和其它已知条件来计算，这样会因误差的传递、放大和累积使得计算出的距离精度较低，从而影响系统最终的测量精度。另外，基于摄像机的视觉坐标测量系统的数学模型(即 PnP) 比较复杂，易产生多解[2]。

　　鉴于摄像机视觉坐标测量存在的不足，本文提出一种基于摄像机和激光测距仪的视觉坐标测量系统。测量时，摄像机测量各光反射单元(被测特征点) 的方向，激光测距仪跟踪捕捉并测量某一光反射单元和测距仪之间的距离。由于激光测距仪光学测距的精度很高，这样就使测得的方向和距离精度都比较高，从而提高了被测点空间坐标的测量精度。同时，系统模型线性可解，且解具有唯一性，测量过程简便高效。

　　1 系统组成

　　测量系统的构成如图 1 所示[3]，包括一架摄像机 2，其上装有闪光灯 3;一台激光测距仪 4，激光测距仪相对于摄像机有确定的方向和位置关系;计算机 1;光笔，包括笔体 7，4 个光反射点 8~11;转接调节器 12，接触头 13 用以和被测点相接触。光反射点的设计要根据激光测距仪的类型来进行，所有光反射点和接触点 13 在固定于光笔上的坐标系中都有确定的坐标，即各自之间的距离和方位已知。14 为被测对象。

　　2 测量原理

　　在图1 中，O 为摄像机透镜的焦点(光学透视中心)，O1为激光测距仪反光镜的旋转中心即激光测距仪的基准点。测量时打开摄像机上的闪光灯，摄像机测量光笔上四个光反射点的方向。然后，计算机根据这些方向信息控制反光镜 6 旋转合适的角度，以使激光束比较准确地打到某一光反射点 11 上，进而由激光测距仪测出光反射点 11 到激光测距仪的距离。根据测得的方向和距离，求解四个光反射点在摄像机坐标系中的三维坐标，进而推算出光笔接触点(被测点) 在摄像机坐标系中的三维坐标。

　　3 系统建模

　　3.1 坐标系的建立

　　光笔模型中有两个坐标系，即摄像机坐标系 OXYZ 和 CCD 像平面坐标系 X′O′Y′，如图 2 中所示[4]。坐标系 OXYZ 的坐标原点 O 为 CCD 摄像机透镜的光学中心，Z 轴取为透镜的光轴方向，X 轴和 Y 轴分别平行于CCD 像平面的水平和垂直像素方向。在图 2 中，A 点表示光笔球形测头 13 的中心，B, C, D, E 点分别代表安装在光笔上的四个光反射点 11,10, 9, 8，A, B, C, D, E 各自之间的距离和方位已知。坐标系 X′O′Y′ 的坐标原点 O′为 CCD 像平面左上角顶点，X′ 轴和 Y′ 轴分别取为摄像机 CCD 像平面的水平和垂直像素方向CCD 像平面垂直于光轴方向(Z 轴方向)，沿 Z 轴方向与 O 点的距离为摄像机透镜的焦距 f。B′, C′, D′, E′分别为 B, C, D, E 在 CCD 像平面上所成的像。激光测距仪相对于摄像机的方向和位置用 O1点在摄像机坐标系中的三维坐标 (,,)111ooox yz(由系统的标定程序对其进行标定而得)来表示。