一种点位式三维坐标视觉测量系统

　　空间三维坐标的测量可使用基于视频摄像机的视觉测量法和激光测距法,这两种测量方法各有优缺点。

　　基于摄像机的视觉坐标测量法的主要优点是可直接测量空间点的方向,精度较高,而在求解被测点坐标的过程中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,只能由测到的方向和其它已知条件来计算,这样就会由于误差的传递、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,一般情况下还必须通过一定的方法来解决测量结果的多解问题,这样会影响测量的效率。而激光测距仪由于采用光学方法测量距离,所以其测量距离的精度很高,但其方向测量是通过反射镜旋转的角度来计算的,因而精度较低,最终导致其测量空间坐标的精度也较低。

　　鉴于摄像机和激光测距仪各自的优缺点,本文提出的测量系统利用摄像机测量各光反射单元(被测特征点)的方向,采用激光测距仪测量某一光反射单元和测距仪之间的距离,再通过一定的算法求解各光反射单元点的空间坐标。这样一来就充分利用了摄像机和激光测距仪各自的优势而避开了各自的弱势,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。

　　1　系统组成

　　测量系统的构成如图1所示,主要由1架摄像机2;其上装有闪光灯3,在测量时,打开闪光灯照亮光笔上的光反射点,这样摄像机就能摄取这些光反射点的像了; 1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,其内有激光发生器、距离与方向传感器5和可由马达控制转动的反光镜6(用以将激光束发射到合适的方向);计算机1;光笔7,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。光反射点最少为3个,光反射点的位置要根据激光测距仪的类型来进行设计,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。15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,光笔上的光反射特征点取为4个。测量时打开摄像机上的闪光灯,摄像机摄取光笔上4个光反射点的像并根据光反射点的像在像平面上的坐标求解出光反射点11在摄像机坐标系中的方向。然后计算机根据此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光反射点11上,进而由激光测距仪比较精确地测出光反射点11到激光测距仪的距离,根据测得的方向和距离通过一定的算法求解4个光反射点在摄像机坐标系中的三维坐标,再根据4个光反射点分别和接触点13之间的距离为已知这个条件,可由这4个光反射点的三维坐标推算出接触点(被测点)在摄像机坐标系中的三维坐标。