專利名稱：基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密測量裝置，特別涉及一種基于拼接靶的大型物體(形體)形貌測量的拼接方法和裝置。
背景技術(shù)：
形體形貌測量是指形體表面形貌的測量，是現(xiàn)代逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、管理及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，也是一項先進的產(chǎn)品檢測手段，在先進制造領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用背景，已引起人們的高度重視。
傳統(tǒng)實現(xiàn)形體形貌測量主要有兩大類方案直接利用坐標測量機(CMM)和間接利用CMM測量原理。前者直接應(yīng)用CMM，將被測物體放在CMM上，用CMM測頭對物體進行采樣，得到物體的形貌數(shù)據(jù)，但因為CMM直線導(dǎo)軌運動形式的限制，效率非常低，測量一個較大的物體通常需要幾天甚至十幾天時間，并且不能應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境；后者間接利用CMM原理，將標準的CMM用運動形式靈活(包含旋轉(zhuǎn)自由度)，低成本的簡化結(jié)構(gòu)代替，配合高精度的激光掃描裝置(相當于CMM測頭)，測量時，形體置于工作臺上，工作臺帶動被測物體旋轉(zhuǎn)或激光掃描裝置繞工作臺旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)物體多個側(cè)面快速掃描測量。較之直接利用CMM，后者速度快，成本低，特別適合于體積不大，對精度要求不太嚴格的應(yīng)用場合。
現(xiàn)今發(fā)展了一種新型的便攜式測量方法，采用拼接技術(shù)，將大的被測形貌劃分成多個小區(qū)域，單個區(qū)域采用非接觸光學(xué)測頭測量，然后將所有區(qū)域的測量結(jié)果拼接在一起(統(tǒng)一在一個全局坐標系中)，形成完整的形貌。為實現(xiàn)整體拼接，目前有兩種解決方法基于粘性標記和不基于粘性標記的測量方案。前者在被測物體表面粘貼很多標記點(即粘性標記點)，每個區(qū)域內(nèi)至少包含三個標記點，所有標記點的空間坐標采用全局測量技術(shù)(如經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、數(shù)字近景測量)測量得到，根據(jù)所有標記點的空間坐標，將每個區(qū)域內(nèi)(局部坐標系)的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個測量坐標系中，實現(xiàn)整體拼接。此方案的局限性在于1)對于大型物體貌測量，必須設(shè)置很多標記點，非常繁瑣，且隨著標記點數(shù)目增加，自動識別的錯誤增加；2)大量標記點必須粘貼在被測物體表面，破壞了被測形貌自身特征，影響測量的真實性。后者不采用粘性標記點，采用測頭控制點和全局控制點技術(shù)，其拼接過程分為三個步驟首先，在測頭上設(shè)置3個(或3個以上)固定控制點(固定在測頭上，和測頭之間的空間關(guān)系固定)，測頭控制坐標系和測頭測量坐標系之間的關(guān)系通過標定技術(shù)預(yù)先得到，在測量空間內(nèi)設(shè)置4個以上全局控制點，它們的空間坐標和相互位置由數(shù)碼相機測量得到；其次，測頭對被測物體形貌的不同區(qū)域進行測量，在測量某個區(qū)域時，數(shù)碼相機同時拍攝一幅包含測頭控制點和至少3個全局控制點的圖像，因測頭控制點之間關(guān)系是固定已知的，而且全局控制點之間的空間關(guān)系也已經(jīng)得到，由這些約束條件，可以同時解得測頭控制點和圖像中出現(xiàn)的全局控制點(3個以上)在攝像裝置(數(shù)碼相機)坐標系中的坐標，從而得到測頭控制坐標系和全局坐標系之間關(guān)系，進而得到測頭測量坐標系和全局坐標系之間的變換關(guān)系；最后，對于每個區(qū)域，因測頭測量坐標系和全局坐標系之間關(guān)系已經(jīng)得到，可以將測頭的測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系中，從而實現(xiàn)每個測量區(qū)域的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系中，完成單個區(qū)域測量數(shù)據(jù)到整體的拼接。此方案解決了基于粘性標記的形貌測量拼接方案的局限性，但在測量某個區(qū)域時，數(shù)碼相機需同時拍攝一幅包含測頭控制點和至少3個全局控制點的圖像。因測頭控制點固定在測頭附近，與全局控制點(被測物體)有較大的距離，用數(shù)碼相機進行拍攝時，要求相機有較大的景深。而鏡頭拍攝景物的清晰范圍有一定限度，測頭控制點與全局控制點的距離差對物體的清晰成像將產(chǎn)生較大的影響。即使攝像裝置能滿足景深要求，在焦距、光圈保持不變的前提下，必需增大物距，從而增大了攝像裝置的視場，導(dǎo)致視場的極大浪費，進而影響測量精確度。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接方法和裝置，不要求攝像裝置有較大的景深，充分利用攝像裝置的視場，且拼接靶和全局標定點均能清晰成像于攝像裝置像面上，從而提高測量精度，且測量速度快、效率高。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接裝置，設(shè)置有全局控制點、基準尺、高精度攝像裝置以及測頭，此外還包括放置在被測物前端的拼接靶，在拼接靶上設(shè)置有固定控制點，由前述固定控制點定義一個拼接靶坐標系OtXtYtZt，拼接靶坐標系和測頭測量坐標系OmXmYmZm之間存在著通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標可確定的關(guān)系。
其中，全局控制點是指在測量空間內(nèi)設(shè)置的，其空間坐標和相互位置采用近景攝影測量原理，結(jié)合基準尺，由攝像裝置可測量得到的4個以上全局控制點；在拼接靶上設(shè)置固定控制點的數(shù)目為3個。
基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接方法，包括下列步驟(1)在測量空間內(nèi)放置一基準尺(包含兩個標記點，標記點之間距離固定，即為基準距離)，采用高分辨率攝像裝置從多個不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標記點和基準尺的圖像，由攝影測量原理，可以得到所有全局控制點在全局坐標系OgXgYgZg下的三維坐標值和空間相互關(guān)系；(2)測頭對被測物體形貌的不同區(qū)域進行測量，在測量某個區(qū)域時，拼接靶置于被測物體前端，因拼接靶坐標系OtXtYtZt已知，通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標，從而可確定測頭測量坐標系和拼接靶坐標系之間的關(guān)系；(3)保持拼接靶相對被測物體位置不變，攝像裝置同時拍攝一幅包含拼接靶和至少3個全局控制點的圖像，解得拼接靶控制點和圖像中出現(xiàn)的全局控制點(3個以上)在攝像裝置坐標系中的坐標；(4)通過攝像裝置坐標系的過渡作用，得到拼接靶坐標系OtXtYtZt和全局坐標系OgXgYgZg之間關(guān)系，進而得到測頭測量坐標系OmXmYmZm和全局坐標系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；(5)移除拼接靶，測頭對區(qū)域內(nèi)被測物體形貌進行測量，重復(fù)上述操作，將測頭的測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系中，實現(xiàn)每個測量區(qū)域的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系中，完成單個區(qū)域測量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
本發(fā)明具備以下效果
由于采用拼接靶代替測頭控制點，拼接靶置于全局控制點(被測物體)前方，因而不要求攝像裝置有較大的景深，充分利用了攝像裝置的視場，且拼接靶和全局標定點均能清晰成像于攝像裝置像面上，從而提高了測量精度，且測量速度快、效率高。


圖1為全局控制點和測頭控制點示意圖，圖中1為全局控制點，2為拼接靶，3為基準尺，4為攝像裝置。
圖2為區(qū)域測量數(shù)據(jù)拼接示意圖，5為被測物體。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
本專利申請發(fā)明一種全新的測量大型物體形貌的拼接技術(shù)和裝置，其獨特之處在于采用拼接靶代替測頭控制點，拼接靶置于全局控制點(被測物體)前方，不要求有較大的景深，充分利用了攝像裝置的視場，且拼接靶和全局標定點均能清晰成像于攝像裝置像面上，從而提高了測量精度，且測量速度快、效率高，具體技術(shù)方案是由一個拼接靶、若干個全局控制點、基準尺以及高精度攝像裝置組成。在拼接靶上設(shè)置3個(或3個以上)固定控制點，由三個(或三個以上)固定控制點定義一個拼接靶坐標系otXtYtZt，通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系中的坐標，可得到拼接靶坐標系OtXtYtZt和測頭測量坐標系OmXmYmZm之間的關(guān)系。在測量空間內(nèi)設(shè)置4個以上全局控制點，它們的空間坐標和相互位置采用近景攝影測量原理，結(jié)合基準尺，由測量得到。
如圖一所示，在被測物體空間內(nèi)設(shè)置四個以上固定的全局控制點G1，G2，...Gn，在被測物體前端空間內(nèi)放置拼接靶?？刂泣c可以采用標準圓球的球心定位，選取全局控制點G1，G2，...Gn中任意不在一條直線上的3個點定義一個全局坐標系OgXgYgZg，同樣選取拼接靶上控制點L1，L2，L3...Ln中任意不在一條直線上的3個點定義一個拼接靶坐標系OtXtYtZt。
測量時，采用高精度數(shù)碼相機同時拍攝包含測量全局控制點和拼接靶的圖像，由已知的拼接靶和全局控制點空間位置關(guān)系作為約束條件，解得它們在相機坐標系中的坐標，由此得到拼接靶坐標系到全局坐標系之間的變換關(guān)系，從而將測頭在每個位置的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標系中，實現(xiàn)局部到整體的拼接。測試方法具體過程如下首先，在測量空間內(nèi)放置一基準尺(包含兩個標記點，標記點之間距離固定，即為基準距離)，采用高分辨率攝像裝置從多個不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標記點和基準尺的圖像，由攝影測量原理，可以得到所有全局控制點在全局坐標系OgXgYgZg下的三維坐標值和空間相互關(guān)系；其次，測頭對被測物體形貌的不同區(qū)域進行測量。在測量某個區(qū)域時，拼接靶置于被測物體前端，因拼接靶坐標系OtXtYtZt已知，通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標，從而可確定測量坐標系和拼接靶坐標系之間的關(guān)系；再次，保持拼接靶相對被測物體位置不變，同時拍攝一幅包含拼接靶和至少3個全局控制點的圖像，如圖二所示，因拼接靶控制點之間關(guān)系是固定已知的，而且全局控制點之間的空間關(guān)系也已經(jīng)得到，由這些約束條件，可以同時解得拼接靶控制點和圖像中出現(xiàn)的全局控制點(3個以上)在攝像裝置坐標系中的坐標；再次，通過攝像裝置坐標系的過渡作用，可以得到拼接靶坐標系OtXtYtZt和全局坐標系OgXgYgZg之間關(guān)系，進而得到測頭測量坐標系OmXmYmZm和全局坐標系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；最后，移除拼接靶，測頭對區(qū)域內(nèi)被測物體形貌進行測量。重復(fù)上述操作。對于每個區(qū)域，因測頭測量坐標系和全局坐標系之間關(guān)系已經(jīng)得到，可以將測頭的測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系中，從而實現(xiàn)每個測量區(qū)域的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系中，完成單個區(qū)域測量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
下面以光學(xué)非接觸測頭測量大型物體形貌為例具體說明本發(fā)明。
如圖1所示，在被測空間內(nèi)放置4個以上全局控制點，全局點數(shù)量的多少可根據(jù)實際要求(被測物體大小)決定，全局控制點采用精密圓球的球心定位。在拼接靶上固定3個(或多個)控制點，拼接靶控制點采用精密圓球的球心或平面圓的圓心定位。
測量時，首先，用數(shù)碼相機從多角度拍攝包含所有全局控制點的圖像，得到全局控制點在全局坐標系OgXgYgZg中的空間坐標值；其次，在測量每個區(qū)域Si時，拼接靶置于被測物體前端，通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標，得到測量坐標系和拼接靶坐標系之間的關(guān)系；然后，如圖2，用數(shù)碼相機同時拍攝當前位置下包含拼接靶和三個以上全局控制點的圖像；再次，由全局控制點和拼接靶控制點已知的空間關(guān)系，可解算出當前位置下，全局控制點和拼接靶控制點在數(shù)碼相機坐標系中的坐標值，通過這些坐標值，可以建立測頭測量坐標系和全局坐標系之間的變換關(guān)系；最后，移除拼接靶，測頭對區(qū)域內(nèi)被測物體形貌進行測量，將當前被測區(qū)域Si的測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系中。重復(fù)上述步驟，可以將所有被測區(qū)域的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系中去，實現(xiàn)大型物體形貌的整體拼接。
權(quán)利要求
1.一種基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接裝置，設(shè)置有全局控制點、基準尺、高精度攝像裝置以及測頭，其特征在于，還包括放置在被測物前端的拼接靶，在拼接靶上設(shè)置有固定控制點，由前述固定控制點定義一個拼接靶坐標系OtXtYtZt，拼接靶坐標系和測頭測量坐標系OmXmYmZm之間存在著通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標可確定的關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接裝置，其特征在于，全局控制點是指在測量空間內(nèi)設(shè)置的，其空間坐標和相互位置采用近景攝影測量原理，結(jié)合基準尺，由攝像裝置可測量得到的4個以上全局控制點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接裝置，其特征在于，在拼接靶上設(shè)置固定控制點的數(shù)目為3個。
4.一種基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接方法，其特征在于，包括下列步驟(1)在測量空間內(nèi)放置一基準尺(包含兩個標記點，標記點之間距離固定，即為基準距離)，采用高分辨率攝像裝置從多個不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標記點和基準尺的圖像，由攝影測量原理，可以得到所有全局控制點在全局坐標系OgXgYgZg下的三維坐標值和空間相互關(guān)系；(2)測頭對被測物體形貌的不同區(qū)域進行測量，在測量某個區(qū)域時，拼接靶置于被測物體前端，因拼接靶坐標系OtXtYtZt已知，通過測量拼接靶中控制點在測量坐標系OmXmYmZm中的坐標，從而可確定測頭測量坐標系和拼接靶坐標系之間的關(guān)系；(3)保持拼接靶相對被測物體位置不變，攝像裝置同時拍攝一幅包含拼接靶和至少3個全局控制點的圖像，解得拼接靶控制點和圖像中出現(xiàn)的全局控制點(3個以上)在攝像裝置坐標系中的坐標；(4)通過攝像裝置坐標系的過渡作用，得到拼接靶坐標系OtXtYtZt和全局坐標系OtXgYgZg之間關(guān)系，進而得到測頭測量坐標系OmXmYmZm和全局坐標系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；(5)移除拼接靶，測頭對區(qū)域內(nèi)被測物體形貌進行測量，重復(fù)上述操作，將測頭的測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系中，實現(xiàn)每個測量區(qū)域的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系中，完成單個區(qū)域測量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
全文摘要
本發(fā)明涉及精密測量裝置。具體講，涉及基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接方法和裝置。為提供不要求攝像裝置有較大的景深，提高測量精度、測量速度快和效率的大型三維形體形貌測量拼接方法和裝置，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于拼接靶的大型三維形體形貌測量拼接裝置，設(shè)置有全局控制點、基準尺、高精度攝像裝置以及測頭，此外還包括放置在被測物前端的拼接靶，在拼接靶上設(shè)置有固定控制點，由前述固定控制點定義一個拼接靶坐標系O
文檔編號G01B11/24GK1793780SQ20051012216
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月5日
發(fā)明者邾繼貴, 任同群, 李艷軍 申請人:天津大學(xué)