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工業(yè)視覺測量系統(tǒng)的測量原理

時間:2008-08-16瀏覽:331次收藏

一、引 言

  工件三維曲面或三維輪廓測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研、國防等領(lǐng)域。汽車車身、飛機(jī)機(jī)身、輪船船體、汽輪機(jī)葉片等加工制造中的在線檢測,特別是大型工件的曲面檢測一直是生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。該類工件在車間條件下一般采用靠模法測量,但可測截面少,測量精度低;在計量室條件下采用三坐標(biāo)測量機(jī)測量雖然精度較高,但數(shù)據(jù)采集速度慢,測量成本高,且難于實現(xiàn)在線測量。鑒于接觸式測量方法的局限性,激光三角法、莫爾投影法、工業(yè)視覺測量法等多種非接觸測量方法日益受到重視,其應(yīng)用也漸趨廣泛。
  工業(yè)視覺測量技術(shù)(或稱數(shù)字近場攝影測量技術(shù))是一種立體視覺測量技術(shù)1,其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,便于移動,數(shù)據(jù)采集快速、便捷,操作方便,測量成本較低,且具有在線、實時三維測量的潛力,尤其適合于三維空間點(diǎn)位、尺寸或大型工件輪廓的檢測。

二、測量原理

  利用CCD攝像機(jī)可以獲得三維物體的二維圖像,即可以實現(xiàn)實際空間坐標(biāo)系與攝像機(jī)平面坐標(biāo)系之間的透視變換。通過由多個攝像機(jī)從不同方向拍攝的兩幀(或兩幀以上)的二維圖像,即可綜合測出物體的三維曲面輪廓或三維空間點(diǎn)位、尺寸。
  為便于說明,設(shè)物空間坐標(biāo)系為O-XYZCCD像面的像平面坐標(biāo)系為o-xy
  現(xiàn)以雙攝像機(jī)為例說明系統(tǒng)的透視變換關(guān)系。如圖1所示,P為任一空間三維物點(diǎn),設(shè)該點(diǎn)的物空間坐標(biāo)為PXYZ),其在攝像機(jī)Ⅰ和攝像機(jī)ⅡCCD像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)分別為P1x1y1)和P2x2y2)。

1 物空間坐標(biāo)系和雙攝像機(jī)的像平面坐標(biāo)系

  對于攝像機(jī)Ⅰ,像點(diǎn)坐標(biāo)與物點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系為2

       (1

  其中w1為非零參數(shù),a1a2,…,a11為系統(tǒng)變換矩陣的元素,與攝像機(jī)Ⅰ的安放位置及成像系統(tǒng)Ⅰ的參數(shù)有關(guān),可通過系統(tǒng)定標(biāo)來確定。
  對于攝像機(jī)Ⅱ,像點(diǎn)坐標(biāo)與物點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系為

       (2

  其中w2為非零參數(shù),b1b2,…,b11為系統(tǒng)變換矩陣的元素,與攝像機(jī)Ⅱ的安放位置及成像系統(tǒng)Ⅱ的參數(shù)有關(guān),也可通過系統(tǒng)定標(biāo)來確定。
  式(1)和式(2)可分別化為

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