光学3D坐标测量技术研究

　　随着科技的进步,现代工业对坐标测量机提出了越来越高的要求.传统的三坐标测量机测量速度、效率和灵活性已不能满足快速发展的工业需求.如今,不但需要坐标测量机的测量速度快,测量效率高,而且需要在工业现场测量.而视觉测量技术是一种先进的非接触测量手段,具有系统组成灵活、工作空间大、精度合适、自动化程度高等待点,非常适合工业现场的在线测量与质量监控.近年来出现了很多不同类型的可应用于现场的精密测量设备,光学坐标测量机就是其中的一种比较有代表性的仪器.

　　光学坐标测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术,其用于现场精密测量是目前精密测量研究和应用的一个热点技术.光学坐标测量采用类似于经纬仪系统的空间交汇三角测量模型,所不同的是,它采用高性能数字成像器件作为传感元件,结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体(被测点)的自动识别、瞄准和角度测量,实现测量自动化,消除测量过程中的人为误差,有效提高测量精度,大大提高了测量效率.近年来,高分辨率、高信噪比的数字成像CCD器件发展迅速,如MegaPlus6.3i数字摄像机具有3000(2000象素和10bit的信号动态范围,加之计算机图像处理和模式识别技术的快速进步,使得光学坐标测量技术成为目前最有前途的一种现场精密三维坐标测量技术[1～4].光学坐标测量的核心技术包括数字成像器件的精确模型及标定、高精度亚象素图像处理等.

　　本文作者对光学坐标测量的核心技术进行了深入的讨论,经过大量的实验,提出了一套符合实际应用的解决方案.

　　1　数字成像CCD精确模型及其参数标定

　　光学坐标测量中的成像器件一般选用高质量的CCD器件.为充分发挥CCD器件的性能,实现理想的测量精度,需要研究精确的成像模型.成像模型是指用解析方式描述成像器件实现的空间三维到二维像平面之间的映射关系,为确保成像模型的精度,应当将器件成像物理过程中的主要误差因素考虑在内,采用适当的模型参数标定技术,分离并补偿模型中的误差[5～6].成像透视原理如图1所示.

　　设摄像机坐标系为OXYZ,等效焦距为f,P为空间物点,其在摄像机坐标系中坐标为(X,Y,Z),在世界坐标系OwXwYwZw中坐标为(Xw,Yw,Zw),(xu,yu)为P在像平面上理想像点坐标(理想透视,不存在任何畸变).根据透视变换关系,有:

　　变量参数f,Cx,Cy,k1,k2,k3,P1,P2,b1,b2称为摄像机模型参数,其确定过程称为模型参数标定.

　　由成像原理可知,直接标定模型参数可以通过建立已知空间点(控制点)三维坐标(Xw,Yw,Zw)及其对应成像点的二维像面坐标(xd,yd)之间的对应关系,如图2所示.解算非线性方程组,得到模型参数.