智能三坐标测量机视觉系统的在线标定技术

　　0　引言

　　研究能与CAD、CAM等集成的基于知识的智能三坐标测量机,即传统三坐标测量机的智能化研究,已成为目前国内外测量领域的一大研究热点,并受到了各个国家的高度重视[1]。零件位姿的自动识别功能是三坐标测量机智能化的一个重要标志,这一功能需要CCD摄像机视觉系统来完成,而摄像机内部和外部参数的精度将直接影响测量和识别的精度,所以摄像机视觉系统参数标定是智能三坐标测量机的一项关键技术。传统的摄像机视觉系统标定采用专用的标定系统,标定费用高,标定精度也不是太高。本文提出了一种智能三坐标测量机视觉系统的在线标定技术,该技术充分利用了三坐标测量机自身的一些精密机构,不需额外硬件投入,成本低,标定精度完全满足实际测量精度要求,而且能实现在线标定。

　　1　智能三坐标测量机视觉系统的在线标定原理

　　1.1　传统摄像机标定的基本原理

　　摄像机参数标定的基本原理如图1所示。标定时,一个光刻有多个标定特征点的靶标,沿zw轴方向(一维导轨)移动来产生多个靶标位置。在每一个确定位置,靶标上每一个特征点在世界坐标系中的坐标是确定的,此时摄像机拍摄靶标上各标定特征点的像,经计算机进行图像处理[2],并计算出各像点在计算机帧存坐标系中的坐标,将每一个标定特征点的世界坐标系坐标及其对应像点的计算机帧存坐标系坐标带入摄像机标定的数学模型,组成一个非线性超定方程组,求解该方程组就得到了摄像机参数。

　　1.2　智能三坐标测量机视觉系统在线标定原理

　　智能三坐标测量机视觉系统的组成如图2所示。根据摄像机标定的基本原理,利用三坐标测量机沿x、y、z轴移动和正交精度都很高的特点,以三坐标测量机自带的白色陶瓷标准球的中心为标定特征点,将摄像机固定在三坐标测量机的z轴上,三坐标测量机的z坐标轴就相当于传统标定系统中的一维导轨;利用测头在x、y两个坐标轴方向移动可产生一个二维平面,通过控制测头在此平面上的精确移动可产生摄像机标定所需的不同标定特征点(白色陶瓷标准球中心的不同位置)在世界坐标系中的三维坐标,就省去了常规标定系统中的靶标,可实现摄像机的标定。

　　2　智能三坐标测量机视觉系统在线标定数学模型

　　2.1　摄像机标定中坐标系的构建

　　由于摄像机参数标定的数学模型是一个表示从摄像机应用系统的世界坐标系到计算机帧存坐标系坐标转换的非线性方程组,那么在建立该非线性方程组之前,就必须构建相应的坐标系。