双摄像机光学三坐标测量系统的研究

　　坐标测量机的测量精度可达微米级，然而庞大的机身和厚币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。基十视觉测量的靶标成像测量系统，便携性好，精度适中，组建灵活，已是现场三坐标测量的首选土具之一，然而空间坐标测量不确定度偏差较大。标靶成像的双摄像机坐标测量方法，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。本文在单摄像机测量模型基础上直接应用兀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木高精度的系统集成。

　　1系统组成

　　系统的组成如图1所示，由一支光学靶标、两台ICI阵CCD摄像机、冬一用标定附件和一台装有令为该系统设计开发软件的笔记木电脑所组成。在光靶标上装有若干个控制点、一个测头和触发开关，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(即被测面测头接触点的三维坐标)。

　　2系统坐标测量原理

　　2.1单像机测量原理

　　首先介绍单摄像机与靶标的三维坐标测量原理。如图2所示建立系统模型的三维坐标系，以摄像机的透视中心为坐标原点0，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，相互之间的距离是已知的。点B,C,D经透视变换在图像平ICI坐标系中所成的像为B',C',D'; 0’为光轴OZ与像平ICI的交点，为OD与OC的夹角，为OC与OB夹角。

　　于是可以得到B, C, D三点系统坐标系中的三维坐标:

　　式(2)中，如B点的空间坐标(X_B，Y_B， Z_B)与它的像坐标(X_B, Y_B，Z_B) 呈比例关系，且放大系数一致。从式(1)可知，控制点空间坐标与其像ICI坐标成正比例关系。像点的X,Y方向坐标值一般较小，不大于CCD尺寸的一半，为3一5 mm;而Z向坐标为摄像机的有效焦距，定焦约16 mm，为其他两个方向的5一10倍。所以当有扰动影响比例系数时，Z向扰动就显得特别大。一种办法是减小镜头焦距，即采用短焦距镜头，但这将带来镜头的大畸变影响测量的精度;另一种办法是减小放大系数的扰动，然而该系数的误差规律复杂，需采用高性能摄像机，这将极大增加系统成木。为此，木文采用双摄像机兀余模式，用一台摄像机的X,Y向坐标去补偿另一像机的Z向坐标即可减小Z向坐标的扰动。