基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接方法和装置

摘要

本发明涉及精密测量装置。具体讲，涉及基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接方法和装置。为提供不要求摄像装置有较大的景深，提高测量精度、测量速度快和效率的大型三维形体形貌测量拼接方法和装置，本发明采用的技术方案是，基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接装置，设置有全局控制点、基准尺、高精度摄像装置以及测头，此外还包括放置在被测物前端的拼接靶，在拼接靶上设置有固定控制点，由前述固定控制点定义一个拼接靶坐标系OtXtYtZt，拼接靶坐标系和测头测量坐标系OmXmYmZm之间存在着通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系OmXmYmZm中的坐标可确定的关系。本发明主要用于基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接。

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量装置，特别涉及一种基于拼接靶的大型物体(形体)形貌测量的拼接方法和装置。

背景技术

形体形貌测量是指形体表面形貌的测量，是现代逆向工程和产品数字化设计、管理及制造的基础支撑技术，也是一项先进的产品检测手段，在先进制造领域内有广泛的应用背景，已引起人们的高度重视。

传统实现形体形貌测量主要有两大类方案：直接利用坐标测量机(CMM)和间接利用CMM测量原理。前者直接应用CMM，将被测物体放在CMM上，用CMM测头对物体进行采样，得到物体的形貌数据，但因为CMM直线导轨运动形式的限制，效率非常低，测量一个较大的物体通常需要几天甚至十几天时间，并且不能应用于现场环境；后者间接利用CMM原理，将标准的CMM用运动形式灵活(包含旋转自由度)，低成本的简化结构代替，配合高精度的激光扫描装置(相当于CMM测头)，测量时，形体置于工作台上，工作台带动被测物体旋转或激光扫描装置绕工作台旋转，实现物体多个侧面快速扫描测量。较之直接利用CMM，后者速度快，成本低，特别适合于体积不大，对精度要求不太严格的应用场合。

现今发展了一种新型的便携式测量方法，采用拼接技术，将大的被测形貌划分成多个小区域，单个区域采用非接触光学测头测量，然后将所有区域的测量结果拼接在一起(统一在一个全局坐标系中)，形成完整的形貌。为实现整体拼接，目前有两种解决方法：基于粘性标记和不基于粘性标记的测量方案。前者在被测物体表面粘贴很多标记点(即粘性标记点)，每个区域内至少包含三个标记点，所有标记点的空间坐标采用全局测量技术(如经纬仪测量系统、数字近景测量)测量得到，根据所有标记点的空间坐标，将每个区域内(局部坐标系)的测量数据统一到一个测量坐标系中，实现整体拼接。此方案的局限性在于：1)对于大型物体貌测量，必须设置很多标记点，非常繁琐，且随着标记点数目增加，自动识别的错误增加；2)大量标记点必须粘贴在被测物体表面，破坏了被测形貌自身特征，影响测量的真实性。后者不采用粘性标记点，采用测头控制点和全局控制点技术，其拼接过程分为三个步骤：首先，在测头上设置3个(或3个以上)固定控制点(固定在测头上，和测头之间的空间关系固定)，测头控制坐标系和测头测量坐标系之间的关系通过标定技术预先得到，在测量空间内设置4个以上全局控制点，它们的空间坐标和相互位置由数码相机测量得到；其次，测头对被测物体形貌的不同区域进行测量，在测量某个区域时，数码相机同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像，因测头控制点之间关系是固定已知的，而且全局控制点之间的空间关系也已经得到，由这些约束条件，可以同时解得测头控制点和图像中出现的全局控制点(3个以上)在摄像装置(数码相机)坐标系中的坐标，从而得到测头控制坐标系和全局坐标系之间关系，进而得到测头测量坐标系和全局坐标系之间的变换关系；最后，对于每个区域，因测头测量坐标系和全局坐标系之间关系已经得到，可以将测头的测量数据变换到全局坐标系中，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。此方案解决了基于粘性标记的形貌测量拼接方案的局限性，但在测量某个区域时，数码相机需同时拍摄一幅包含测头控制点和至少3个全局控制点的图像。因测头控制点固定在测头附近，与全局控制点(被测物体)有较大的距离，用数码相机进行拍摄时，要求相机有较大的景深。而镜头拍摄景物的清晰范围有一定限度，测头控制点与全局控制点的距离差对物体的清晰成像将产生较大的影响。即使摄像装置能满足景深要求，在焦距、光圈保持不变的前提下，必需增大物距，从而增大了摄像装置的视场，导致视场的极大浪费，进而影响测量精确度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接方法和装置，不要求摄像装置有较大的景深，充分利用摄像装置的视场，且拼接靶和全局标定点均能清晰成像于摄像装置像面上，从而提高测量精度，且测量速度快、效率高。

本发明采用的技术方案是：

基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接装置，设置有全局控制点、基准尺、高精度摄像装置以及测头，此外还包括放置在被测物前端的拼接靶，在拼接靶上设置有固定控制点，由前述固定控制点定义一个拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t，拼接靶坐标系和测头测量坐标系O_mX_mY_mZ_m之间存在着通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系O_mX_mY_mZ_m中的坐标可确定的关系。

其中，全局控制点是指在测量空间内设置的，其空间坐标和相互位置采用近景摄影测量原理，结合基准尺，由摄像装置可测量得到的4个以上全局控制点；

在拼接靶上设置固定控制点的数目为3个。

基于拼接靶的大型三维形体形貌测量拼接方法，包括下列步骤：

(1)在测量空间内放置一基准尺(包含两个标记点，标记点之间距离固定，即为基准距离)，采用高分辨率摄像装置从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，由摄影测量原理，可以得到所有全局控制点在全局坐标系O_gX_gY_gZ_g下的三维坐标值和空间相互关系；

(2)测头对被测物体形貌的不同区域进行测量，在测量某个区域时，拼接靶置于被测物体前端，因拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t已知，通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系O_mX_mY_mZ_m中的坐标，从而可确定测头测量坐标系和拼接靶坐标系之间的关系；

(3)保持拼接靶相对被测物体位置不变，摄像装置同时拍摄一幅包含拼接靶和至少3个全局控制点的图像，解得拼接靶控制点和图像中出现的全局控制点(3个以上)在摄像装置坐标系中的坐标；

(4)通过摄像装置坐标系的过渡作用，得到拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t和全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间关系，进而得到测头测量坐标系O_mX_mY_mZ_m和全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间的变换关系；

(5)移除拼接靶，测头对区域内被测物体形貌进行测量，重复上述操作，将测头的测量数据变换到全局坐标系中，实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。

本发明具备以下效果：

由于采用拼接靶代替测头控制点，拼接靶置于全局控制点(被测物体)前方，因而不要求摄像装置有较大的景深，充分利用了摄像装置的视场，且拼接靶和全局标定点均能清晰成像于摄像装置像面上，从而提高了测量精度，且测量速度快、效率高。

附图说明

图1为全局控制点和测头控制点示意图，图中1为全局控制点，2为拼接靶，3为基准尺，4为摄像装置。

图2为区域测量数据拼接示意图，5为被测物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本专利申请发明一种全新的测量大型物体形貌的拼接技术和装置，其独特之处在于：采用拼接靶代替测头控制点，拼接靶置于全局控制点(被测物体)前方，不要求有较大的景深，充分利用了摄像装置的视场，且拼接靶和全局标定点均能清晰成像于摄像装置像面上，从而提高了测量精度，且测量速度快、效率高，具体技术方案是：

由一个拼接靶、若干个全局控制点、基准尺以及高精度摄像装置组成。在拼接靶上设置3个(或3个以上)固定控制点，由三个(或三个以上)固定控制点定义一个拼接靶坐标系o_tX_tY_tZ_t，通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系中的坐标，可得到拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t和测头测量坐标系O_mX_mY_mZ_m之间的关系。在测量空间内设置4个以上全局控制点，它们的空间坐标和相互位置采用近景摄影测量原理，结合基准尺，由测量得到。

如图一所示，在被测物体空间内设置四个以上固定的全局控制点G₁，G₂，...G_n，在被测物体前端空间内放置拼接靶。控制点可以采用标准圆球的球心定位，选取全局控制点G₁，G₂，...G_n中任意不在一条直线上的3个点定义一个全局坐标系O_gX_gY_gZ_g，同样选取拼接靶上控制点L₁，L₂，L₃...L_n中任意不在一条直线上的3个点定义一个拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t。

测量时，采用高精度数码相机同时拍摄包含测量全局控制点和拼接靶的图像，由已知的拼接靶和全局控制点空间位置关系作为约束条件，解得它们在相机坐标系中的坐标，由此得到拼接靶坐标系到全局坐标系之间的变换关系，从而将测头在每个位置的测量数据转换到全局坐标系中，实现局部到整体的拼接。测试方法具体过程如下：

首先，在测量空间内放置一基准尺(包含两个标记点，标记点之间距离固定，即为基准距离)，采用高分辨率摄像装置从多个不同角度，以不同的姿态拍摄包含全局标记点和基准尺的图像，由摄影测量原理，可以得到所有全局控制点在全局坐标系O_gX_gY_gZ_g下的三维坐标值和空间相互关系；其次，测头对被测物体形貌的不同区域进行测量。在测量某个区域时，拼接靶置于被测物体前端，因拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t已知，通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系O_mX_mY_mZ_m中的坐标，从而可确定测量坐标系和拼接靶坐标系之间的关系；再次，保持拼接靶相对被测物体位置不变，同时拍摄一幅包含拼接靶和至少3个全局控制点的图像，如图二所示，因拼接靶控制点之间关系是固定已知的，而且全局控制点之间的空间关系也已经得到，由这些约束条件，可以同时解得拼接靶控制点和图像中出现的全局控制点(3个以上)在摄像装置坐标系中的坐标；再次，通过摄像装置坐标系的过渡作用，可以得到拼接靶坐标系O_tX_tY_tZ_t和全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间关系，进而得到测头测量坐标系O_mX_mY_mZ_m和全局坐标系O_gX_gY_gZ_g之间的变换关系；最后，移除拼接靶，测头对区域内被测物体形貌进行测量。重复上述操作。对于每个区域，因测头测量坐标系和全局坐标系之间关系已经得到，可以将测头的测量数据变换到全局坐标系中，从而实现每个测量区域的测量数据统一到全局坐标系中，完成单个区域测量数据到整体的拼接。

下面以光学非接触测头测量大型物体形貌为例具体说明本发明。

如图1所示，在被测空间内放置4个以上全局控制点，全局点数量的多少可根据实际要求(被测物体大小)决定，全局控制点采用精密圆球的球心定位。在拼接靶上固定3个(或多个)控制点，拼接靶控制点采用精密圆球的球心或平面圆的圆心定位。

测量时，首先，用数码相机从多角度拍摄包含所有全局控制点的图像，得到全局控制点在全局坐标系O_gX_gY_gZ_g中的空间坐标值；其次，在测量每个区域S_i时，拼接靶置于被测物体前端，通过测量拼接靶中控制点在测量坐标系O_mX_mY_mZ_m中的坐标，得到测量坐标系和拼接靶坐标系之间的关系；然后，如图2，用数码相机同时拍摄当前位置下包含拼接靶和三个以上全局控制点的图像；再次，由全局控制点和拼接靶控制点已知的空间关系，可解算出当前位置下，全局控制点和拼接靶控制点在数码相机坐标系中的坐标值，通过这些坐标值，可以建立测头测量坐标系和全局坐标系之间的变换关系；最后，移除拼接靶，测头对区域内被测物体形貌进行测量，将当前被测区域S_i的测量数据变换到全局坐标系中。重复上述步骤，可以将所有被测区域的测量数据统一到全局坐标系中去，实现大型物体形貌的整体拼接。