基于三坐标测量机的大尺寸非接触测量

　　三维物体的几何量测量在实际生活中有着广泛的应用.采用接触法的三坐标测量机,虽然测量精度高,但只能对硬质且比较规则的物体进行测量.随着计算机视觉技术的不断发展,立体视觉传感器得到了越来越广泛的发展,立体视觉测量方法具有非接触、速度快、易于自动化等优点.但是立体视觉测量系统由于光学系统的成像质量、CCD相机的像素大小和图像采集卡分辨力的限制,使测量精度与测量范围两者不能兼得.在需要较高测量精度和较大测量范围的环境中,可采用二者相结合的方法进行测量.小视场范围内的测量由视觉系统完成,而大范围的运动由三坐标测量机完成,形成一个测量精度和测量范围相统一的系统.

　　1　测量系统设计

　　基于三坐标测量机的视觉测量系统主要由三部分组成,如图1所示.第一部分由三坐标测量机组成,其运动范围为700 mm×600 mm×400 mm;第二部分由立体视觉系统组成,其视场测量范围为20 mm×20 mm×20 mm;第三部分是图像处理软件以及系统测量软件,该部分主要完成对视觉系统采集图像的处理,包括图像的分割、提取、系统的标定算法及在立体视觉中目标点的求取算法,得到目标点的空间坐标,以及对测量结果计算和处理程序.

　　2　立体视觉系统测量范围及分辨率的确定[1,2]

　　立体视觉测量系统的实质是通过两个CCD摄像机同时采集图像,通过对图像的分析和处理,利用立体视觉原理获取三维表面的深度信息,最终恢复物体表面的三维信息.视觉系统简化结构如图2.

　　立体视觉系统的视场大小和分辨率与CCD相机的参数和摆放姿势有关,本系统中的视场大小和分辨率计算如下.

　　如图2所示,两个性能相同的CCD相机对称摆放,采用的镜头焦距为12.5 mm,CCD相机的像元分辨率Resc为795(H)×596(V),像面尺寸为4.8 mm(H)×3.6 mm(V).图像采集卡的分辨率Resi为768(H)×576(V).以两个成像系统的光学中心o1和o2连线的中点o为原点建立整个视觉传感器的坐标系,连线方向为x轴,成像面上与x轴垂直的另一轴线方向为y轴,o1和o2连线的中垂线为z轴;再分别以o1和o2为原点在两个CCD上建立各自的坐标系,两光学中心之间的距离为190mm,两CCD之光轴共面且位于xoz平面内,两光轴的倾斜角均为45°.

　　由于在高度方向(yoz平面内)双CCD视觉传感器的有效视场同单台CCD摄像机一样,所以仅画出xoz平面内的有效视场(水平视场).由图2可知,ABCD的区域即为视场范围的大小,由于系统对称,有AC=BD.根据几何光学成像原理有:

　　AD=AB=BC=DC=AC·cos45°=36.48 mm,即x和z方向的视场大小为36.48 mm.在高度方向,由于像面尺寸为3.6 mm,同理可得y方向的视场范围为27.36 mm.我们根据设计需要,将视场范围定为20 mm×20 mm×20 mm.