三維掃描測頭精確跟蹤的攝影測量方法

劉 虹，王文祥，李維詩

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009) (*通信作者電子郵箱liuhong93@126.com)

三維掃描測頭精確跟蹤的攝影測量方法

劉 虹*，王文祥，李維詩

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009) (*通信作者電子郵箱liuhong93@126.com)

針對傳統(tǒng)三維掃描測量機(jī)器人依賴于機(jī)器人的定位精度從而難以實(shí)現(xiàn)高精度測量的問題，提出了一種三維掃描測頭精確跟蹤定位的攝影測量方法。首先，搭建由多個(gè)工業(yè)攝像機(jī)構(gòu)成的測頭跟蹤系統(tǒng)，并在機(jī)器人的掃描測頭上粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)；然后，對攝像機(jī)進(jìn)行高精度標(biāo)定，求解出攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；其次，多攝像機(jī)同步采樣，對圖像中的標(biāo)志點(diǎn)依據(jù)編碼原理進(jìn)行匹配，并求出投影矩陣；最終，求解出編碼標(biāo)志點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三維掃描測頭的跟蹤定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)志點(diǎn)定位在距離上的平均誤差為0.293 mm，在角度上的平均誤差為0.136°，算法精度在合理范圍之內(nèi)。采用該攝影測量方法可以提高掃描測頭的定位精度，從而實(shí)現(xiàn)高精度測量。

工業(yè)機(jī)器人；三維掃描測頭；編碼標(biāo)志點(diǎn)；攝影測量；跟蹤

0 引言

制造業(yè)的生產(chǎn)方式正發(fā)生著深刻變革，為了降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，特別是提高產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場的大規(guī)模使用已成為大勢所趨。將三維掃描測頭安裝于工業(yè)機(jī)器人的手部，二者集成為一種自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，本文將之稱為三維掃描測量機(jī)器人，這類系統(tǒng)在汽車、航空、航天制造等領(lǐng)域中復(fù)雜曲面類零件以及產(chǎn)品的在線檢測中已有應(yīng)用。

傳統(tǒng)的三維掃描測量機(jī)器人主要由三維掃描測頭工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成，在測量過程中掃描測頭的位置和姿態(tài)由機(jī)器人確定，因此測量精度依賴于機(jī)器人的定位精度。工業(yè)機(jī)器人本身一般采用串聯(lián)開鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)構(gòu)型，其定位精度往往受到各種不確定因素的影響，比如機(jī)器人本身的慣性滯后、溫度變形和各零部件之間的擠壓變形等，這些因素導(dǎo)致的機(jī)器人定位誤差累加起來就會限制其在高精度領(lǐng)域上的應(yīng)用，特別是在檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。研究表明，通過改善上述影響因素的方法來提高精度，作用十分有限[1]。

為了提高測量精度，目前三維掃描測量機(jī)器人一般采用測頭跟蹤系統(tǒng)。在測量過程中，機(jī)器人在程序的控制下帶動(dòng)掃描測頭，根據(jù)規(guī)劃出的測量路徑在空間中運(yùn)動(dòng)，對被測工件進(jìn)行掃描，測頭跟蹤系統(tǒng)同步測量掃描測頭的位置和姿態(tài)，從而消除機(jī)器人對測量精度的影響。目前已有的激光跟蹤儀跟蹤系統(tǒng)[2]價(jià)格較高，而且容易出現(xiàn)遮擋，在測量復(fù)雜外形零件時(shí)一般需要多次轉(zhuǎn)站，不適合用于復(fù)雜曲面類零件的在線測量。本文研究一種基于攝影測量原理的測頭跟蹤系統(tǒng)，在消除機(jī)器人對系統(tǒng)測量精度影響的同時(shí)，大幅提高測量范圍并降低遮擋現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率。上述“遮擋”是指在測量過程中，跟蹤系統(tǒng)與掃描測頭之間出現(xiàn)遮擋物(包括操作人員)，跟蹤系統(tǒng)無法“看見”掃描測頭，因而無法跟蹤掃描測頭的位姿。

數(shù)字工業(yè)攝影測量技術(shù)作為工業(yè)測量技術(shù)的重要組成部分，在大尺寸、高精度、現(xiàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場發(fā)揮越來越重要的作用。從20世紀(jì)60年代開始便有學(xué)者對近景攝影測量的相關(guān)理論、算法及硬件進(jìn)行研究，并逐步將其應(yīng)用到工業(yè)測量領(lǐng)域。到90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和日益普及，工業(yè)攝影測量技術(shù)也有了長足的發(fā)展，并發(fā)展出攝像測量技術(shù)，用于動(dòng)態(tài)測量。Hartley等[3]和Faugras[4]首先系統(tǒng)提出了基于多視圖像的三維重建方法，建立了統(tǒng)一的立體視覺理論?；谶@種理論，雙目或者三目立體視覺可以看成攝影測量的一種特例。

本文基于多視圖像的三維重建方法，將攝影測量技術(shù)應(yīng)用于掃描測頭的同步跟蹤：首先提出了一種適用于掃描測頭的點(diǎn)分布型編碼標(biāo)志點(diǎn)方案，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)編碼標(biāo)志點(diǎn)的中心定位和匹配；然后基于攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)求出投影矩陣，進(jìn)而計(jì)算出匹配點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。利用匹配點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)可以確定測頭的位置和姿態(tài)，從而確定測頭在不同位姿采集的數(shù)據(jù)之間相對變換關(guān)系。

1 攝影測量跟蹤系統(tǒng)簡介

本文研究的三維掃描測量機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，機(jī)器人本身有6個(gè)自由度，掃描測頭安裝在工業(yè)機(jī)器人手部，跟蹤系統(tǒng)由兩個(gè)及兩個(gè)以上高速工業(yè)攝像機(jī)構(gòu)成。在掃描測頭的4個(gè)側(cè)面粘貼有編碼標(biāo)志點(diǎn)，作為攝像機(jī)拍攝跟蹤測頭位姿的顯著標(biāo)志。跟蹤系統(tǒng)的每個(gè)攝像機(jī)可以根據(jù)需要安裝在合適的位置，保證在測量過程中掃描測頭上至少一組編碼標(biāo)志點(diǎn)都可以被至少兩個(gè)攝像機(jī)拍攝到。

在測量過程中，掃描測頭由其帶動(dòng)在空間內(nèi)作旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，掃描測頭發(fā)出扇形激光束掃描復(fù)雜曲面類零部件。任意兩個(gè)攝像機(jī)同步拍攝的圖像經(jīng)由三維重建算法處理，計(jì)算出掃描測頭在空間中的位置和姿態(tài)。采用多相機(jī)跟蹤系統(tǒng)一方面可以大幅提高測量范圍，另一方面也可以降低遮擋問題出現(xiàn)的幾率。理論上只要采用足夠多的攝像機(jī)并且安裝位置合理，測量范圍可以任意大而且沒有遮擋。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)及其匹配

為了能在圖像中提取出足夠的、準(zhǔn)確的特征點(diǎn)，攝影測量通常要求被測物體表面具有豐富、明顯的紋理信息。但是，制造業(yè)中的零部件表面通常不滿足該條件，而且測量精度要求較高，利用表面紋理提取的特征點(diǎn)無法滿足精度要求。這種情況下，只能人為地在被測物體表面粘貼一些標(biāo)志點(diǎn)，通過快速準(zhǔn)確地識別這些標(biāo)志點(diǎn)，達(dá)到獲取被測物體表面信息的目的。利用編碼標(biāo)志點(diǎn)可以有效提高識別、匹配速率，便于自動(dòng)檢測[5]。

2.1 編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)

人工編碼標(biāo)志點(diǎn)的種類很多，一般是根據(jù)被測物體的表面情況來選擇，而且隨著表面的尺寸和復(fù)雜度的增加，對編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量需求也越大。一般而言，編碼標(biāo)志點(diǎn)有以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

1)有足夠的編碼容量。編碼容量是指一套編碼標(biāo)志能夠包含的唯一編碼的個(gè)數(shù)。

2)唯一性。設(shè)計(jì)的編碼標(biāo)志點(diǎn)所包含的信息必須具有唯一性。

3)射影變換不變性。拍攝是一個(gè)射影變換的過程，經(jīng)過射影變化后必須仍然具備特定的編碼信息。

4)尺寸合適。標(biāo)志點(diǎn)尺寸如果過大，不僅在布設(shè)時(shí)容易產(chǎn)生變形，而且會因?yàn)槌上裉蠼档妥R別速率；尺寸過小，成像面積小，編碼信息難以識別，而且影響最終的測量精度。

5)易于從背景中分離。圖像處理的整個(gè)對象包括被測物體、編碼標(biāo)志點(diǎn)和背景。在識別編碼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)首先要將圖像的背景濾除掉，所以標(biāo)志點(diǎn)要與背景有較大的差別和對比度。

6)編碼標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡單，以降低處理時(shí)間。

在掃描測量機(jī)器人應(yīng)用中，掃描測頭跟蹤系統(tǒng)必須與掃頭同步采樣，并且在采樣間隔內(nèi)完成三維重建，對編碼標(biāo)志點(diǎn)識別速度和圖像分析處理時(shí)間都有非常高的要求，因此應(yīng)遵循越簡單越好的原則。針對這種情況和編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般原則，本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的點(diǎn)分布型編碼標(biāo)志點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)

該編碼標(biāo)志點(diǎn)背景采用黑色，編碼標(biāo)志由最多7個(gè)大小相同的高反光圓形標(biāo)志點(diǎn)組成。編碼原理如圖2(a)所示，O、C、E、A、B為模板點(diǎn)，定義編碼標(biāo)志的坐標(biāo)系；M1和M2作為編碼點(diǎn)，分別位于直線OCE的兩側(cè)，其編碼容量為4，滿足掃描測頭四個(gè)側(cè)面的識別定位需要。采用這種方法，可以得到4個(gè)編碼圖案：1)沒有編碼點(diǎn)M1、M2，定義為圖案1，如圖2(b)所示；2)只有編碼點(diǎn)M1，定義為圖案2，如圖2(c)所示；3)只有編碼點(diǎn)M2，定義為圖案3，如圖2(d)所示；4)有編碼點(diǎn)M1、M2，定義為圖案4，如圖2(e)所示。

2.2 標(biāo)志點(diǎn)特征匹配

圖像匹配是指將兩幅或多幅圖像中的同一像素點(diǎn)匹配起來，按照匹配原理可分為基于灰度值的匹配方法和基于特征的匹配方法[6]，本文采用的是基于特征的編碼匹配算法。先將圖像的背景過濾,利用形態(tài)學(xué)的腐蝕和膨脹等對圖像預(yù)處理[7]，使標(biāo)志點(diǎn)從背景中提取出來并進(jìn)行中心定位，再利用交比不變性將多幅圖像中的編碼特征匹配起來。

交比是射影幾何學(xué)中基本的射影不變量之一。A′、B′、C′、D′為一條直線上的任意四點(diǎn)，A、B、C、D為射影變換后對應(yīng)的四點(diǎn)，交比不變性如圖3所示。

圖3 交比不變性

一維交比根據(jù)同一直線的四個(gè)點(diǎn)的距離來定義，A′、B′、C′、D′的交比為：

(1)

同理A、B、C、D的交比為：

(2)

在射影變換中點(diǎn)列的交比保持不變，即：

R(A′,B′,C′,D′)=R(A,B,C,D)

(3)

對于圖2所示編碼標(biāo)志點(diǎn)中的模板點(diǎn)，A、B所在直線與O、C、E所在直線相交得到一個(gè)點(diǎn)。根據(jù)前述射影幾何學(xué)原理，該點(diǎn)與O、C、E的交比在不同圖像中不變。

利用該性質(zhì)，提出如下匹配算法。

輸入：帶有編碼標(biāo)志點(diǎn)圖案的圖像。

輸出：匹配好的同名點(diǎn)。

步驟1 確定初始點(diǎn)集合。給定一個(gè)距離因子k，對所有標(biāo)志點(diǎn)(設(shè)其半徑為r)逐一搜索其周圍k*r內(nèi)的所有標(biāo)志點(diǎn)，若找到5個(gè)或5個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)，則該標(biāo)志點(diǎn)連同找到的標(biāo)志點(diǎn)記為集合G，并繼續(xù)步驟2；否則繼續(xù)下一標(biāo)志點(diǎn)。

步驟2 尋找點(diǎn)O、C、E，在標(biāo)志點(diǎn)集合G中，搜索共線的三個(gè)點(diǎn)，若找到，則位于中間的點(diǎn)確定為點(diǎn)C，否則返回步驟1。由于O、C、E三點(diǎn)排列的方向性，點(diǎn)O和點(diǎn)E存在兩種可能性。

步驟3 尋找點(diǎn)A、B，并確定點(diǎn)O和點(diǎn)E。從G中剩余的點(diǎn)中，依據(jù)射影變換中交比不變性尋找點(diǎn)A、點(diǎn)B，并根據(jù)交比確定點(diǎn)O、點(diǎn)E。位于直線OCE左側(cè)的確定為點(diǎn)A，位于右側(cè)的確定為點(diǎn)B。

步驟4 尋找M1、M2點(diǎn)，并確定編碼圖案類型。在G中剩余的點(diǎn)中繼續(xù)搜索，若沒有其他的點(diǎn)，則記集合G為圖案1。若在直線OCE左側(cè)有一個(gè)點(diǎn)，則該點(diǎn)確定為M1，并記為圖案2。若在直線OCE右側(cè)有一個(gè)點(diǎn)，則該點(diǎn)確定為M2，并記為圖案3。若在直線OCE左右兩側(cè)分別有一個(gè)點(diǎn)，則左側(cè)的點(diǎn)確定為M1，右側(cè)的點(diǎn)確定為M2，并記為圖案4。

步驟5 同名點(diǎn)匹配。在多幅圖像中重復(fù)步驟1～4，并按照編碼圖案類型和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)編號將同名點(diǎn)匹配起來。

3 關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)

利用圖像中的二維信息恢復(fù)其在世界坐標(biāo)系下三維信息的過程稱為三維重建。在掃描測頭位姿跟蹤系統(tǒng)中，經(jīng)由攝像機(jī)同步拍攝的多個(gè)圖像序列傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的處理：首先，依據(jù)編碼方法匹配圖像中的標(biāo)志點(diǎn)；然后，利用攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)求出投影矩陣；最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)的三維定位，得到掃描測頭在三維空間中的位置和姿態(tài)，達(dá)到跟蹤定位的目的。

3.1 攝像機(jī)模型

數(shù)字?jǐn)z影測量跟蹤系統(tǒng)采用攝像機(jī)采集圖像，其幾何基礎(chǔ)是針孔成像模型，該模型的特點(diǎn)是來自場景的光線均通過一個(gè)投影中心(光心)。如圖4所示，主要由光心Oc、光軸和成像平面組成，空間中一點(diǎn)(xm,ym,zm)成像于(u,v)點(diǎn)。

圖4 攝像機(jī)針孔成像模型

依據(jù)攝像機(jī)成像原理可以得到從世界坐標(biāo)系到圖像像素坐標(biāo)系的關(guān)系[8]：

(4)

其中：(u0,v0)為攝像機(jī)成像平面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，fu=f/dx，fv=f/dy，f是攝像機(jī)的焦距，dx和dy是每個(gè)像素在x和y方向的物理尺寸，K為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T為攝像機(jī)外參數(shù),P為投影矩陣。

3.2 與Kalman預(yù)測相結(jié)合的CAMShift目標(biāo)跟蹤

CAMShift(Continuously Adaptive Mean-Shift)算法[9]即連續(xù)自適應(yīng)均值漂移(MeanShift)算法，是以MeanShift算法為核心，實(shí)現(xiàn)圖像任一時(shí)刻的MeanShift迭代計(jì)算，再以此刻得到的目標(biāo)窗口為下一時(shí)刻MeanShift算法搜索窗口初始值。它相比MeanShift算法的優(yōu)點(diǎn)是可以自適應(yīng)跟蹤目標(biāo)遠(yuǎn)近大小的變化，自動(dòng)調(diào)整搜索框的大小。

為提高目標(biāo)跟蹤速度和降低在復(fù)雜環(huán)境下追蹤偽目標(biāo)的概率，在CAMShift算法的基礎(chǔ)上加入對目標(biāo)的軌跡預(yù)測，就顯得很有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

卡爾曼(Kalman)濾波[10]是一種常用的遞歸濾波器，它能從一組有限的，包含高斯噪聲的，對物體位置的記錄序列中，預(yù)測出物體的位置坐標(biāo)和速度。它的高效率體現(xiàn)在無需存儲大量的歷史數(shù)據(jù)，也可以最大化地利用當(dāng)前的數(shù)據(jù)，即通過重復(fù)更新系統(tǒng)狀態(tài)模型，且只為下次更新保存模型。

Kalman預(yù)測器狀態(tài)方程為：

Xk=Ak,k-1Xk-1+Wk-1

(5)

觀測方程為：

Zk=HkXk+Vk

(6)

其中：Xk是系統(tǒng)狀態(tài)向量，Ak,k-1是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Wk-1是系統(tǒng)狀態(tài)的隨機(jī)干擾向量，Zk是觀測系統(tǒng)狀態(tài)向量，Hk是觀測矩陣，Vk是觀測噪聲向量。

本文基于OpenCV(Open Source Computer Vision)函數(shù)庫，采用Kalman濾波和CAMShift跟蹤相結(jié)合的方法，對工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)掃描測頭掃描車門的視頻序列進(jìn)行分析處理，計(jì)算出每一幀圖像中掃描測頭的位置并用白色方框框出，如圖5所示，該環(huán)節(jié)在圖像序列中標(biāo)識出測頭完整的運(yùn)動(dòng)過程，便于進(jìn)行后續(xù)提取其特征和三維定位等工作。

圖5 掃描測頭跟蹤

3.3 攝像機(jī)標(biāo)定

在進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)時(shí)，本文采用Zhang[11]提出的平面標(biāo)定法，該方法對定標(biāo)板在不同方向多次(三次以上)完整拍照，直接獲得相機(jī)的內(nèi)參、畸變系數(shù)和外參。該標(biāo)定方法簡單高效，而且克服了傳統(tǒng)定標(biāo)法對設(shè)備要求高、操作繁瑣等缺點(diǎn)。本文攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣采用的是四參數(shù)模型：

(7)

3.4 投影矩陣及三維坐標(biāo)求解

(8)

其中P、P′和K、K′分別為兩個(gè)攝像機(jī)的投影矩陣和內(nèi)參數(shù)矩陣。

令M=(X,Y,Z,1)T是在世界坐標(biāo)系上的任意一點(diǎn)，M點(diǎn)在兩幅圖像的成像點(diǎn)分別記為m=(x,y,1)T和m′=(x′,y′,1)T，則在每幅圖像中有m=PM，m′=P′M′成立，圖像點(diǎn)和三維空間點(diǎn)的投影關(guān)系[4]可以表示為：

(9)

其中：piT是矩陣P的i行，X為待求值三維空間坐標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文的算法，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在工業(yè)機(jī)器人手部安裝了一個(gè)粘貼有四組編碼標(biāo)志點(diǎn)圖案的長方體，模擬掃描測頭，由機(jī)器人帶動(dòng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)中的攝像機(jī)分別在不同的方位采集圖像。在一次采樣中，第1個(gè)相機(jī)采集模擬掃描測頭圖像如圖6(a)，由圖2可知，原圖像中包含圖案3和圖案4編碼標(biāo)志點(diǎn)。經(jīng)由背景濾除等圖像預(yù)處理和標(biāo)志點(diǎn)中心定位得到處理后的圖像，局部放大如圖6(b)所示，在高反光標(biāo)志點(diǎn)的中心標(biāo)注出了黑色十字。對第2個(gè)相機(jī)采集的圖像進(jìn)行相同處理，如圖7所示。然后通過編碼原理將兩幅圖像中的同名標(biāo)志點(diǎn)匹配，最終重建出的標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)如表1所示，其中O1、C1、E1、A1、B1、M1對應(yīng)圖2(d)的編碼圖案3所示的標(biāo)志點(diǎn)，O2、C2、E2、A2、B2，M1′和M2′對應(yīng)圖2(e)的編碼圖案4所示的標(biāo)志點(diǎn)。為了更好的可視化效果，基于OpenGL(Open Graphics Library)對重建的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行三維空間顯示，渲染效果如圖8(a)所示，進(jìn)一步采用最小二乘法擬合出相應(yīng)的平面，并依據(jù)實(shí)物的先驗(yàn)知識重構(gòu)出模擬掃描測頭，如圖8(b)所示。

圖6 第1幅圖像

圖7 第2幅圖像

表1 編碼標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)

圖8 三維重建結(jié)果

圖9給出了工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)掃描測頭運(yùn)動(dòng)過程中9次采樣的重建結(jié)果，圖9(a)為第一次采樣的重建結(jié)果，圖9(b)為9次采樣的重建結(jié)果，在此基礎(chǔ)上得到機(jī)器人帶動(dòng)掃描測頭的運(yùn)動(dòng)路徑。通過重建掃描測頭在三維空間中的位置和姿態(tài)，可以確定測頭在不同位姿采集的數(shù)據(jù)之間相對變換關(guān)系。

為了驗(yàn)證三維重建結(jié)果的精度，與圖10所示的采用德國ACION公司的DPA數(shù)字?jǐn)z影三維測量系統(tǒng)重建的結(jié)果進(jìn)行了分析比較。如表2所示，其中OE1、OE2分別表示編碼圖案3和圖案4中標(biāo)志點(diǎn)O與標(biāo)志點(diǎn)E之間的距離，O1O2表示圖案3與圖案4標(biāo)志點(diǎn)O之間的距離，d1表示圖案3各標(biāo)志點(diǎn)擬合后平面的平面度誤差，d2表示圖案4各標(biāo)志點(diǎn)擬合后平面的平面度誤差，angle_12表示圖案3和圖案4兩擬合平面之間的夾角。表2為上述9次采樣重建結(jié)果和DPA三維測量系統(tǒng)重建結(jié)果相關(guān)參數(shù)的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)志點(diǎn)定位在距離上的平均誤差為0.293 mm，在角度上的平均誤差為0.136°，算法精度在合理范圍之內(nèi),驗(yàn)證了攝影測量跟蹤系統(tǒng)在三維掃描測量機(jī)器人測頭定位中應(yīng)用的可行性。

圖9 采樣重建結(jié)果

圖10 DPA系統(tǒng)重建結(jié)果

表2 三維重建結(jié)果誤差分析

5 結(jié)語

本文提出了一種三維掃描測頭精確跟蹤定位的攝影測量方法,使得測量精度與工業(yè)機(jī)器人定位精度無關(guān),可以提高掃描測頭的定位精度，從而實(shí)現(xiàn)高精度測量。在掃描測量機(jī)器人應(yīng)用中,測頭跟蹤系統(tǒng)必須與掃描測頭同步采樣,并且在采樣間隔內(nèi)完成標(biāo)志點(diǎn)精確識別和三維定位,對編碼標(biāo)志點(diǎn)識別速度和圖像分析處理時(shí)間都有非常高的要求，針對這種情況和編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般原則,本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的點(diǎn)分布型編碼標(biāo)志點(diǎn),并基于交比不變性提出了相應(yīng)的編碼標(biāo)志點(diǎn)識別方法。然后利用事先高精度標(biāo)定過的攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)求出投影矩陣，最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)三維定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多次同步采樣重建出的編碼標(biāo)志點(diǎn)三維定位結(jié)果誤差較小，算法精度滿足應(yīng)用需要。

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This work is partially supported by the Independent Innovation Fund Project of Anhui Province (JZ2015QSJH0244), the Foshan Science and Technology Innovation Special Fund Project (2014IT100115).

LIUHong, born in 1993, M. S. candidate. Her research interests include machine vision, photogrammetry, image processing.

WANGWenxiang, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include machine vision, photogrammetry.

LIWeishi, born in 1970, Ph. D., professor. His research interests include reverse engineering of complex shape detection, computer aided geometric design.

Photogrammetricmethodforaccuratetrackingof3Dscanningprobe

LIU Hong*, WANG Wenxiang, LI Weishi

(SchoolofInstrumentScienceandOpto-ElectronicsEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhui230009,China)

For the traditional 3D robot scanners, the measuring precision is dependent on the positioning precision of the robot, and it is difficult to achieve high measuring precision. A photogrammetric method was proposed to track and position the 3D scanning probe accurately. First, a probe tracking system consisting of multiple industrial cameras was set up, and coded markers were pasted on the probe. Then, the camera was calibrated with high precision and interior and exterior parameters of the camera were obtained. Second, all cameras were synchronized, the markers in the image were matched according to the coding principle, and the projection matrix was obtained. Finally, the 3D coordinates of the markers in space were computed to track and position the probe. The experimental results show that the mean error of the marker position is 0.293 mm, the average angle error is 0.136°, and the accuracy of the algorithm is within reasonable range. The photogrammetric method can improve the positioning precision of the probe, so as to achieve high precision measurement.

industrial robot; 3D scanning probe; coded marker; photogrammetry; tracking

TP242.6; TP391.413

:A

2017- 01- 05;

:2015- 02- 24。

安徽省自主創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目(JZ2015QSJH0244)；佛山市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014IT100115)。

劉虹(1993—)，女，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器視覺、攝影測量、圖像處理； 王文祥(1993—)，男，江蘇泗洪人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器視覺、攝影測量； 李維詩(1970—)，男，山東蓬萊人，教授，博士，主要研究方向：復(fù)雜外形檢測反求工程、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)。

1001- 9081(2017)07- 2057- 05

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.07.2057