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1、工件特征点三维坐标视觉测量方法综述工件特征点三维坐标视觉测量方法综述祝世平 强锡富 摘要：针对工件上特征点的三维坐标视觉测量方法进行了综述,其中包括结构光 方法、激光自动聚焦法、双目视觉方法、三目视觉方法、单目视觉方法等。对 每种方法的特点及其测量精度进行了详细的分析,并介绍了目前的发展及应用现 状。 关 键 词:特征点; 三维坐标测量; 计算机视觉AnalysisAnalysis ofof 3-D3-D coordinatecoordinate visionvision measuringmeasuring methodsmethodswithwith featurefeature poin
2、tspoints onon workpieceworkpiece1 1 引引 言言基于计算机视觉方法的检测系统,是指利用 CCD 摄像机作为图像传感器,综 合运用图像处理、精密测量等技术进行非接触二维或者三维坐标测量的检测系 统。计算机视觉检测方法具有精度高、效率高、自动化程度高、造价较低等优 点。用于三维场景信息获取的计算机视觉方法,按照其测量过程中所采用照明方 式的不同主要可以分为以下两大类:1.主动式方法:是指向被测物体发射可控制的光束,然后拍摄光束在物体表 面上所形成的图像,通过几何关系计算出被测物体距离的方法。主要可以分为结 构光方法和激光自动聚焦法两类。根据投影光束形态的不同,结构
3、光方法又可以 分为光点式结构光方法、光条式结构光方法、光面式结构光方法等;2.被动式方法:是指不向被测物体发射可控制的光束,而根据直接拍摄的物 体的图像进行距离测量的方法。主要可以分为双目视觉、三目视觉、单目视觉 等方法。另外,在计算机视觉中用来求取距离的参数还很多,例如纹理、遮挡、光流、 阴影等。利用纹理的方法只能获得物体表面上的点与摄像机光学中心之间的相 对距离,而且要求物体表面有一定的纹理;利用遮挡的方法所获得的物体表面上 的点与摄像机光学中心之间的距离信息只是“在前面” 、 “在后面” 、 “与 等距”等一些定性的描述;目前利用光流和阴影的研究还很不成熟,用于测量则 误差较大。所以在实
4、际的视觉检测中较少采用基于纹理、遮挡、光流以及阴影 的四种方法,因而下面的讨论就着重于在视觉检测系统中应用较多的主动式与被 动式两种方法。2 2 结构光方法结构光方法对于没有制作特征点的工件表面,可以用结构光方法形成特征点。特别是对 于平坦的、无明显灰度、纹理和形状变化的表面区域,用结构光可形成明显的光 条纹,便于作图像分析和处理,这一点对于较平坦表面工件的测量是相适应的。 结构光方法还具有计算简单、测量精度较高的优点,因而在实际视觉测量系统中 被广泛使用。结构光方法中由激光投射器和 CCD 摄像机共同作为结构光图像传感器,其测 量过程主要包括两个步骤:第一步:由激光投射器根据测量需要投射可控
5、制的光点、光条或光面结构光 到物体表面形成特征点,并由 CCD 摄像机拍摄图像;第二步:按物体表面投射光图案的几何形态特征解释投影模式,利用三角法 测量原理可求得特征点与 CCD 摄像机镜头主点之间的距离,即特征点的深度信息。 在标定出激光投射器和 CCD 摄像机在世界坐标系中的空间方向、位置参数后,即 可求得特征点在世界坐标系中的三维坐标、下面分别对几种方法进行具体的分 析。 2.12.1 光点式结构光方法光点式结构光方法在光点式结构光方法(激光三角法)中,激光器发出的光束投射到被测物体表 面上产生一个光点,光点的部分反射光通过摄像机镜头成像在位置敏感器件(PSD)或 电荷耦合器件(CCD)
6、的像面上。如果被测物体沿着激光束方向发生位移,则 PSD 或 CCD 像面上的像点位置也会随之移动,根据像点的移动距离和经过标定后的激 光器与 PSD 器件或 CCD 器件之间的相互方向、位置参数,即可求出被测物面的移 动距离。作为一种独具特色的非接触式测量方法,它满足在线检测中快速、实时 的要求。实用中采用较多的是激光单光点式单三角法测头1,例如在机器人手 眼激光测距传感器中的应用2。为了增大测量范围又不依赖于坐标测量机,可以采用测量头固定而用光线扫 描的双三角法装置进行三维曲面轮廓测量。两个 CCD 摄像机分别与激光束构成 一个单三角测量装置,整体则构成对称的双三角测量装置。同时激光束通过
7、扩束 聚焦系统成为发散角较小的光束入射到多面体转镜上,利用转镜的旋转实现激光 束在被测物面垂直与水平两个方向上的扫描,这样即可完成对整个三维轮廓表面 的测量。其测量范围与摄像机镜头的焦距、被测物面对激光的漫反射程度等有 关。根据该测量原理所研制的复杂曲面轮廓激光测量系统,在 1700mm1200mm200mm 测量范围内测量精度优于1mm,提高 CCD 摄像机的定位 精度或缩小激光束的直径可以进一步提高测量精度3。Kazuhiro Yoshida 研制的功率为1mW、可以在室外对自然景物进行测量的 激光测距系统,在5m 范围内相对测量误差为2%。该系统由多个(偶数)摄像机和 单激光束投射器所组
8、成,以减小匹配错误的可能性。并通过延迟和微分的双信号 提取方法,以及脉冲相位微分法从很强的自然光照明背景下提取反射回来的微弱 激光信号4。G.C.Bakos 等应用轮廓扫描法来克服测量中的“盲区”问题,并建立了一个 长距离、非接触、高精度结构光扫描测量系统,在距被测物体约500mm 处测量精 度为0.1mm5。Shinichi Tamura 等采用两个电流计和迭代搜索法对三维激光扫描系统进 行标定,并建立了相应的误差模型。另外该系统采用沿 X 和 Y 两方向转动的平面 反射镜反射激光光束使之投射到被测物体上,以此获得足够强的激光信号,使得 即使在日光直射下也可以进行测量,在1m 范围内其相对测
9、量误差小于2%6。 2.22.2 光条式结构光方法光条式结构光方法该方法也是基于三角测量原理,但是采用线光源代替点光源,这样可以减少 对物体表面的扫描时间,而且通过简单的运算就能够进行图像匹配。文献7 中利用双目视觉测量原理,采用双光源光切法使整个被测物体均处于结构光场中,从 而减少测量“盲区” 。另外采用步进电机带动旋转平台,实现对第三维的扫描,可 以获取被测物体的全轮廓信息,对实际物体的测量结果表明其相对误差平均值为 0.2%7。美国 Perceptron 公司的 D.Greer 和 R.Dewar 指出了利用“金标定靶”与 “银标定靶”进行标定的困难,并给出了结构光截面传感器的一种新的标
10、定方法。 采用四根半透明的弹性纤维细丝紧固在金属框架上形成四条空间分布呈 L 型的 平行线,其与光截面相交时形成四个目标光点。测量出目标光点在摄像机坐标系 中的三维坐标,然后用电子经纬仪测量目标光点在经纬仪坐标系(相当于世界坐 标系)中的三维坐标,这样即可求出由摄像机坐标系到世界坐标系的转换矩阵,该 方法简单实用,提高了标定精度89。Tsugito Maruyama 等将多光条方法和单光条方法结合起来,减小了多光条 方法的匹配难度。该方法用于电子元件生产线上机器人的手眼在线插拔系统,在 100mm100mm 范围内,测量精度优于0.2mm,在500mm 深度范围内,测量精度优于 1mm,测量2
11、0个位置所用时间为1.2秒10。K.Araki 等采用位置敏感器件 PSD 作为图像传感器,用转镜实现光条在被测 物体上的扫描,在60cm 距离处相对测量误差为0.3%,每幅图像获取与处理的时 间为1/32秒11。光条式结构光方法的一种变化形式是采用衍射光栅进行测距12。 2.32.3 光面式结构光方法光面式结构光方法由于光点式结构光方法或光条式结构光方法都需要进行连续扫描才能完成 对整个表面的测量,所以降低了测量效率。而如果将编码结构光(光栅式、网格 式等)投射到被测物体表面上则无须进行连续扫描测量。根据标定出的摄像机和 光投射器的内部几何参数以及外部方向、位置参数和结构光的编码方式,利用三
12、 角法即可测量出被测物体表面各点的三维坐标1314。S.R.Yee 采用具有容错机能的平面结构光编码方式对头像模型进行测量,平 均测量误差为0.488mm,标准差为0.423mm15。P.K.Commean 和 A.Godhwanl 采用 圆环编码光和多视觉传感器方法对头像模型进行360圆周测量,避免了由于机 械扫描过程而降低测量效率和引入测量误差的问题,提高了数据采集与处理的速 度(数据采集时间少于1s,数据处理时间少于2min),同时给出了多视觉传感器测 量系统的详细结构设计方案以及摄像机和光投射器的标定方法。该系统在330mm 范围内测量误差小于0.25mm1617。Z.Chen 等应用
13、相互垂直网格的编码结构光测量半径35mm、高度125mm 的圆 柱体,半径平均相对测量误差为4.16%,高度平均相对测量误差为3.5%18。Minoru Ito 等提出了投射空间 TCP(A Three-Level Checkerboard Pattern)模 式编码光面的测量方法,同时给出了摄像机和光投射器的快速、准确的标定方法。 在距离摄像机0.8m 处,相对测量误差为0.2%,整个测量与标定工作所用时间为40 秒19。文献20中用于 Audi-100轿车白车身检测的在线视觉检测系统,采用光 条结构光法和网格结构光法分别构成轮廓传感器和表面传感器完成对车身侧围 的测量,取得了令人满意的结果
14、。 2.42.4 采色结构光法采色结构光法K.L.Boyer 等提出了基于彩色编码的光条结构光方法,由于采用彩色结构光 编码,简化了编码光的识别与匹配过程,提高了测量效率和精度21。3 3 激光自动聚焦法激光自动聚焦法T.Akuta 等研制了新的采用自动调焦控制原理的三维形状测量系统,该系统 由激光光点投射器、快速响应的 Z 轴伺服控制工作台以及安装在其上的高灵敏度位置敏感器件(PSD)聚焦探测装置所组成。测量时用 PSD 聚焦探测装置拍摄光 点图像并使之相对于光点始终处于聚焦位置,即保持 PSD 聚焦探测装置到光点的 距离为常量,并通过 Z 轴伺服控制工作台的位移量反映到被测物体表面的高度变
15、 化。在与量块的比对测量中,该系统在50mm 高度范围内测量精度为4m,标准 偏差（)为2m,测量20,000个点所需时间为20min22文献23中基于激光自动聚焦测量原理,提出了用激光自动聚焦测头代替 坐标测量机的接触式测头,以实现快速、精密、非接触三维形状连续扫描的测量 系统以及变扫描速度控制算法。测量系统中激光测头安装在 Z 轴上,采用模拟位 置敏感(相敏检测)线路作为 Z 轴伺服机构的误差传感器。CNC 控制系统每20毫 秒检测一次激光测头的焦距变化,并根据这一变化量控制 Z 轴运动(自动聚焦)使 相敏检测器输出为零,即始终保持测头与被测物体表面光斑的距离(焦距)不变。 应用该系统扫描
16、测量一个 60mm 的标准球面,测量精度为6m,标准偏差() 为2m,最大测量速度为3000点/min,适应被测面角度变化为065。此外, 该系统对四种汽车样车及其主模型进行了实测,以较高的效率获得了满意的型面、 轮廓线和特征线尺寸的测量结果,满足了汽车制造业实际生产的需要。4 4 双目视觉方法双目视觉方法双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式,属于被动式的视觉方法。该 方法根据立体视差进行测距,所谓立体视差就是被测点在左、右摄像机 CCD 像面 上成像点位置的差异。设PL和PR分别是被测点在左、右摄像机 CCD 像面坐标 系中的 X 轴坐标(坐标原点取为 CCD 像面中心),PL+PR相当于 P 点在左、右摄 像机 CCD 像面坐标系中 X 方向的视差(设PL和PR均为标量),b 表示左、右摄像 机镜头中心之间的距离,v 表示像距,则物距 u 可由下式得到24（1） 双目视觉方法的测量过程可以分为如下几步
