基于立体视觉的接触式三维测量系统

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实物数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取被测件表面离散点的几何坐标数据的过程 J，其实现手段主要可分为接触式和非接触式两种∮触式测量虽然具有精度高、重复性好等优点，但是其测量速度慢、效率低、测量范围受限，且产生的数据稀疏，仅适合测量具有规则几何特征的小型工件 。非接触式测量技术可以在不接触被测量物体表面的情况下快速准确地获取物体三维坐标 。

由于纯粹的非接触式视觉测量技术存在着空间点和实际物体表面点无法对应 ，边缘信息无法获取等原理性的缺陷，对于典型的几何特征，尤其是定位孔 、柱 、销等难以进行准确测量 ，需要后期人工进行补测才能完成，制约了技术的普及和推广。

为了克服上述测量方式的问题，本文结合两种测量方法，设计了-种新的三维测量系统，结合立体视觉定位和接触式测量原理，采用立体视觉技术对接触式测头的空间位收稿日期：2012-09-18基金项目：中央高校基本科研业务费专项资助项目(2012QN035)置和姿态进行定位，进而间接计算接触式探针针尖位置来完成三维空间点的测量。

1 系统结构1.1 系统组成与原理图1给出了基于立体视觉的三维接触式测量系统的系统结构，系统由2台具有同步信号的数字相机、接触式测头和便携式 PC机组成。测量系统使用同步视频信号的2台数字相机获取标记点位置信息，相机与计算机相连，将拍摄到的灰度图像传输到计算机进行处理计算∮触式测头正面贴有用于识别和跟踪的圆形标记点 ，内部安装蓝牙拈用于与计算机进行通信，向计算机发出信号。在测量时手持接触式测头碰触测量点，然后向计算机发送记录数据信号就能采集测量点的三维坐标。

1.2 接触式测头设计接触式测头由圆形标记点、蓝牙通讯设备、探针以及外壳组成。

第3期 胡 英，等：基于立体视觉的接触式三维测量系统 912)标记点圆心提取首先对左、右 目图像进 行 Canny边缘提取 ，并利用Snake算法优化图像边缘坐标 ，然后利用 Zernike矩进行亚像素边缘提取 ，最后利用亚像素边缘进行椭圆拟合以获取标记圆圆心坐标～从每-帧提取的圆心坐标整理排列成网格顺序，以完成左、右 目同-标记点图像坐标的匹配。

3)内参数标定利用Tsai两步法进行相机内参数的初步求解。求解的结果是相机内参数和拍摄每帧图像时相机相对于标靶的外参数。

然后将无畸变下的求解结果作为初始解，带入畸变相机模型，利用非线性 LM方法进行优化搜索，得到精确的摄像机参数。

4)左右 目坐标变换标定假设拍摄第 i张图片时左 、右 目相机的外部参数分别为(R )和(R )，则空间-点 P( ，Y ， )在左 目相机下坐标 Pf( ，Y ， )和在右 目下坐标 P，( ，，Y，， )可表示为Pf fP ，P P . (5)两式联立，消去 PP，(R ，R )P ( -R R )， (6)从而可从第 i帧图像中求出双目相机变换关系R R R ，TiTi，-R Tif. (7)为了更加准确地求解相机左、右 目变换关系，标定时将R，r，初值取作10 10R∑R ， ∑Ti， (8)I J并以480 6∑(P，-RPf- ) ∑H -min. (9)其中H1r2 r；-1， r： -1，r32 r；-1， r1/'2r4/'5r7r8，//5 mrl/'3r4r6r7/'9，H6r2/'3r5r6r8r9 ，为目标函数，采用非线性 LM方法进行优化求解。这样即可完成全部立体视觉参数的标定。

2.3 测头探针的标定通过双 目立体视觉系统，可以准确地识别并计算 出测头标记点的三维坐标，但实际应用中要识别和计算的是测头探针针尖的三维坐标，因此，需要对探针针尖与标记点之间的转换关系进行标定。

如图5所示 ，要标定出针尖 P和测头标记点P。，P ，，P。的空间位置关系。

Zp图 5 测头探针与标记点位置关 系Fig 5 Position relations between probe and marker为了便于标定，建立了-个基于测头的测头坐标系，该坐标系以P 为原点，PiP 为 X轴，并且符合右手坐标关系，则P ，P。，，P 在此局部坐标系下的坐标是固定不变的。

探针被安装到测头上之后，针尖在此局部坐标系下的坐标Ppwbe也保持不变的。固定好探针后 ，探针从不同方向碰触空间中某点P 多次碰触测量p 和 Pprobe关系，如式(10)所示fPn Ripp b。T1R2pp，ob. (10) 、v，l；p6 月P b 测量次数为偶数，尽量保证碰触方向均匀分布。由式(10)可得臣 R1- (/2)1P b(T1-( /2) ne n.(1) ./2RDrI。 ( - )式(11)是关于P。 的n/2个方程，通过最/bZ-乘法解出p。 的最优解X Rl-R(，以)R2-Rf，以)月 -RY7 - 11- 12- P。rah[ x ] Y. (12)通过式(12)，就可以获取针尖在测头坐标系下的固定坐标。综上，整个系统的标定工作都已完成。

3 测量的实现完成了标定工作后即可按下述步骤进行三维测量：1)圆形标记点的识别与立体匹配：提取测头上的圆形标记点，基于形状、尺寸等判断条件在左右目图像中分别初选出待匹配标志点，然后基于立体视觉的外极线约束条件，找出配对的标记点；2)根据立体视觉标定结果 ，反算出完成立体视觉匹配的标记点的三维坐标；3)若识别出的标记点为3个或以上，则根据标记点设计时确定的P ，P ，，P 之间的距离关系对标记点的编号