專利名稱：一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置測(cè)量，尤其涉及一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
目前，非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)量物體的三維坐標(biāo)在很多場(chǎng)合都會(huì)用到，而測(cè)量方法也多種 多樣。其中一種方法是根據(jù)當(dāng)作被檢測(cè)物的光學(xué)元件或其模具的邊緣求出面形狀和多 個(gè)面的相對(duì)位置關(guān)系等進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)定，這種方法是用于測(cè)量被測(cè)物的外形和設(shè)計(jì)坐標(biāo) 系的相對(duì)位置，要求被測(cè)物為金屬模具或光學(xué)元件等，而金屬模具也限定為用塑料成型或 玻璃成型制造光學(xué)元件時(shí)使用的構(gòu)件，因此，盡管這種方法測(cè)量精度較高，但對(duì)于對(duì)精度要 求不高的場(chǎng)合，考慮到造價(jià)，這種方法顯然不是一個(gè)好選擇。另外一種方法是采用光學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測(cè)量，其是通過(guò)CXD攝像機(jī)采 集位于光筆上的至少三個(gè)光靶標(biāo)的圖像，傳遞給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的光靶標(biāo)的 圖像信息確定該光筆上的球形探頭的位置，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，且可以便攜使用， 但是對(duì)于測(cè)量物體的位置不便接觸的情形，測(cè)量者便無(wú)法近距離的將光筆的球形探頭與被 測(cè)物體接觸，另外，該光筆要單獨(dú)制造，其造價(jià)也非?？捎^。還有一種方法是使用加速度計(jì)和陀螺儀，該方案探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的加速度，經(jīng)過(guò)積 分得到物體的位移，然而這種方案不僅裝置復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法和裝置，以便動(dòng)態(tài)、7非接觸的 測(cè)量物體相對(duì)于攝像頭的三維坐標(biāo)。本發(fā)明實(shí)施例的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括通過(guò)攝像頭獲取固定于被測(cè)物 體的靶標(biāo)的圖像；根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖 像傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積；根據(jù)所述靶標(biāo)的 像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及所述攝像頭的圖 像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，獲取所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)；根據(jù)所述靶標(biāo)的像在所 述攝像頭的圖像傳感器上的面積獲得靶標(biāo)與攝像頭的距離；根據(jù)所述靶標(biāo)與攝像頭的距離 和所述靶標(biāo)的圖像的實(shí)際距離坐標(biāo)以及所述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感 器的距離獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)；根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè) 物體相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)。一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的裝置，所述裝置包括靶標(biāo)，固定于被測(cè)物體上；攝像 頭，用于獲取所述固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像，該攝像頭包括圖像傳感器和透鏡；處理 器，用于根據(jù)所述圖像確定所述靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)，該處理器包括提取單元， 用于根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積；第一計(jì)算單元，用于根據(jù)所 述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及所述攝 像頭的圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，計(jì)算獲得所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)；第二計(jì)算 單元，用于根據(jù)所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積計(jì)算獲得靶標(biāo)與攝像頭 的距離；第三計(jì)算單元，用于根據(jù)所述靶標(biāo)與攝像頭的距離和所述靶標(biāo)的圖像的實(shí)際距離 坐標(biāo)以及所述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感器的距離計(jì)算獲得靶標(biāo)相對(duì)于 所述攝像頭的坐標(biāo)；確定單元，用于根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè)物體相對(duì) 于所述攝像頭的坐標(biāo)。本發(fā)明實(shí)施例提供的方法和裝置與現(xiàn)有技術(shù)提供的三維坐標(biāo)測(cè)量方案相比，計(jì)算 速度快，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，由于采用非接觸測(cè)量，提高了適用性，且所述裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本 低、所需計(jì)算參數(shù)少。


此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不 構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；圖2A和圖2B為本發(fā)明實(shí)施例的攝像頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的攝像頭與靶標(biāo)的位置及坐標(biāo)示意圖；圖4A為本法實(shí)施例的圖像傳感器、透鏡與靶標(biāo)的位置示意圖；圖4B為圖4A中從Y軸看的示意圖；圖4C為圖4A中的靶標(biāo)成像于圖像傳感器的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的裝置組成框圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附 圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本 發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法的流程圖，請(qǐng)參照?qǐng)D 1，該方法包括101 通過(guò)攝像頭獲取固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像；在本實(shí)施例中，請(qǐng)參照?qǐng)D2A，攝像頭與現(xiàn)有技術(shù)中的攝像頭一樣，主要包括圖像 傳感器21、透鏡22、殼體23和排線對(duì)，組合在一起的結(jié)構(gòu)如圖2B所示。在本實(shí)施例中，靶標(biāo)的形狀可以為球形，且靶標(biāo)與被測(cè)物體連接固定，以便根據(jù)靶 標(biāo)的坐標(biāo)直接確定該被測(cè)物體的坐標(biāo)。圖3為本實(shí)施例的攝像頭與靶標(biāo)的位置及坐標(biāo)示意圖，請(qǐng)參照?qǐng)D3，本實(shí)施例以攝 像頭透鏡(鏡頭)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以垂直攝像頭方向?yàn)閆軸。測(cè)量前，先將靶標(biāo)固定于被 測(cè)物體上，使靶標(biāo)處于攝像頭的拍攝范圍內(nèi)。102:根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像 傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積；
圖4A為本實(shí)施例的攝像頭的圖像傳感器、透鏡以及靶標(biāo)的立體位置及距離示意 圖，圖4B為圖4A中從Y軸角度看的靶標(biāo)的位置示意圖，圖4C為圖4A中圖像傳感器上的靶 標(biāo)的像在圖像傳感器上的位置示意圖。如圖4A-圖4C所示，在本實(shí)施例中，攝像頭拍攝到靶標(biāo)的圖像后，成像于其圖像傳 感器上，根據(jù)圖像傳感器上的靶標(biāo)的像，可以獲得靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所 述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)Nx和Ny，以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上 的面積S。103:根據(jù)所述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中 心的坐標(biāo)以及所述攝像頭的圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，獲取所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離 坐標(biāo)；請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D4C，在本實(shí)施例中，假設(shè)攝像頭分辨率為Nw* ，攝像頭中圖像傳感
J WjH
器的實(shí)際寬度和高度分別為W、H，則圖像傳感器上像素點(diǎn)的間隔為& = —'^ = TT-，結(jié)合
jyWH
步驟102獲得的靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐 標(biāo)Nx和Ny，靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)為χ = Nx*dx，y = Ny*dy。104:根據(jù)所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積獲得靶標(biāo)與攝像頭 的距離；由數(shù)學(xué)及成像知識(shí)可知，同一靶標(biāo)與攝像頭距離Z不同時(shí)，靶標(biāo)的像在圖像傳感
器上的面積S也不同，這種關(guān)系近似為S = +，其中k為比例常數(shù)，k可以由攝像頭參數(shù)，
例如攝像頭分辨率Nw* 、圖像傳感器的實(shí)際寬度W和高度H、透鏡中心與圖像傳感器的 距離D等及靶標(biāo)參數(shù)，例如靶標(biāo)直徑R等確定推導(dǎo)出，例如，根據(jù)上述參數(shù)值和公式k = (^ R2D2NwNh) /WH計(jì)算獲得該比例常數(shù)k ；也可以由實(shí)測(cè)擬合得到，例如，先通過(guò)實(shí)測(cè)獲得一
組Z值及對(duì)應(yīng)的S值，然后根據(jù)公式51 = +獲得一組k，取這組k值的平均值作為本實(shí)施例 的比例常數(shù)k，上述只是舉例說(shuō)明，本實(shí)施例并不以此作為限制。因此，根據(jù)步驟102獲得的 靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積s，可以得到靶標(biāo)與攝像頭的距離ζ = ·。105:根據(jù)所述靶標(biāo)與攝像頭的距離和所述靶標(biāo)的圖像的實(shí)際距離坐標(biāo)以及所 述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感器的距離獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐 標(biāo)；由步驟104計(jì)算獲得的靶標(biāo)與攝像頭的距離Z結(jié)合透鏡中心與圖像傳感器的距離
7 * ν7 * ν
D可以得到靶標(biāo)的坐標(biāo)X和Y，分別為義=—,Y = 。由此，靶標(biāo)相對(duì)于攝像頭的三維 坐標(biāo)(X，Y，z)就可以得到了。106:根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè)物體相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)。在本實(shí)施例中，由于靶標(biāo)固定連接于被測(cè)物體上，因此靶標(biāo)相對(duì)于攝像頭的坐標(biāo) 可以近似為被測(cè)物體相對(duì)于攝像頭的坐標(biāo)，由此，本實(shí)施例通過(guò)非接觸測(cè)量的方式獲得了 被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。本實(shí)施例根據(jù)已知的攝像頭的參數(shù)，例如分辨率、圖像傳感器的實(shí)際寬高、透鏡中心與圖像傳感器的距離，以及已知的靶標(biāo)的參數(shù)，例如直徑，可以根據(jù)攝像頭拍攝到的靶標(biāo) 的像在圖像傳感器上的位置及靶標(biāo)的像的面積計(jì)算出靶標(biāo)相對(duì)于攝像頭的三維坐標(biāo)(χ，γ， Ζ)，由于所需輸入?yún)?shù)少，不僅計(jì)算速度快，可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且采用非接觸測(cè)量，提高 了適用性。圖5為本實(shí)施例的測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的裝置的組成框圖，請(qǐng)參照?qǐng)D5，本實(shí)施例 的裝置包括靶標(biāo)51、攝像頭52以及處理器53，其中在測(cè)量之前，靶標(biāo)51被固定連接于被測(cè)物體上，在一個(gè)實(shí)施方式中，靶標(biāo)的形狀 為球形，并且其直徑為已知。攝像頭52用于獲取所述固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像，在一個(gè)實(shí)施方式中，該攝 像頭52可以包括圖像傳感器521和透鏡522，還可以進(jìn)一步包括殼體和排線，詳見圖2Α和 圖2Β。處理器53用于根據(jù)所述圖像確定所述靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)，在一個(gè)實(shí) 施方式中，該處理器53可以包括提取單元531、第一計(jì)算單元532、第二計(jì)算單元533、第三 計(jì)算單元534、以及確定單元535，其中提取單元531用于根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述 攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積。在一 個(gè)實(shí)施方式中，該提取單元531可以實(shí)現(xiàn)前述步驟102的功能，在此不再贅述。第一計(jì)算單元532用于根據(jù)所述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像
頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及所述攝像頭的圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，計(jì)算獲得所
述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)。在一個(gè)實(shí)施方式中，攝像頭的分辨率、圖像傳感器的實(shí)際寬高
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法，其特征在于，所述方法包括 通過(guò)攝像頭獲取固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像；根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中 心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積；根據(jù)所述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo) 以及所述攝像頭的圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，獲取所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)； 根據(jù)所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積獲得靶標(biāo)與攝像頭的距離； 根據(jù)所述靶標(biāo)與攝像頭的距離和所述靶標(biāo)的圖像的實(shí)際距離坐標(biāo)以及所述攝像頭的 透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感器的距離獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)； 根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè)物體相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)為χ= Nx*dx，y = By*dy，其中，Nx和Ny為所述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭 的圖像傳感器中心的坐標(biāo)，dx和dy為所述攝像頭的圖像傳感器上像素點(diǎn)的間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述攝像頭的圖像傳感器上像素點(diǎn)的間 WH隔為& = 7Γ，辦=i，其中，Nw^Nh為所述攝像頭的分辨率，w為所述攝像頭的圖像傳感器 的實(shí)際寬度、H為所述攝像頭的圖像傳感器的實(shí)際高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述靶標(biāo)與攝像頭的距離為Z，其中，k為比例常數(shù)，S為所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)為χ 二H，r = H,Z =、f^,其中，D為所述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感 DD\S器的距離。
6.一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的裝置，其特征在于，所述裝置包括 靶標(biāo)，固定于被測(cè)物體上；攝像頭，用于獲取所述固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像，該攝像頭包括圖像傳感器和透鏡；處理器，用于根據(jù)所述圖像確定所述靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)，該處理器包括 提取單元，用于根據(jù)所述圖像提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的 圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積；第一計(jì)算單元，用于根據(jù)所述靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像 傳感器中心的坐標(biāo)以及所述攝像頭的圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，計(jì)算獲得所述靶標(biāo)的 像的實(shí)際距離坐標(biāo)；第二計(jì)算單元，用于根據(jù)所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭的圖像傳感器上的面積計(jì)算獲得 靶標(biāo)與攝像頭的距離；第三計(jì)算單元，用于根據(jù)所述靶標(biāo)與攝像頭的距離和所述靶標(biāo)的圖像的實(shí)際距離坐標(biāo) 以及所述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感器的距離計(jì)算獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述 攝像頭的坐標(biāo)；確定單元，用于根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè)物體相對(duì)于所述攝像頭的 坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一計(jì)算單元用于根據(jù)公式χ= Nx*dx和y = Ny*dy計(jì)算獲得所述靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)χ和y，其中，Nx和Ny為所述 靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于所述攝像頭的圖像傳感器中心的坐標(biāo)，dx和dy為所 述攝像頭的圖像傳感器上像素點(diǎn)的間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述攝像頭的圖像傳感器上像素點(diǎn)的間 W H隔& = F，辦=^T，其中，Nw^Nh為所述攝像頭的分辨率，w為所述攝像頭的圖像傳感器的 實(shí)際寬度、H為所述攝像頭的圖像傳感器的實(shí)際高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第二計(jì)算單元用于根據(jù)公式Z= ^ll計(jì)算獲得所述靶標(biāo)與攝像頭的距離Z，其中，k為比例常數(shù)，S為所述靶標(biāo)的像在所述攝像頭 的圖像傳感器上的面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第三計(jì)算單元用于根據(jù)公式X = ’和r = 計(jì)算獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)χ和Y，進(jìn)而獲得靶標(biāo)相對(duì)于所述攝像頭的坐標(biāo)X、Y和Z，其中，D為所述攝像頭的透鏡中心與所述攝像頭的圖像傳感器 的距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述靶標(biāo)為球形。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供一種測(cè)量物體的三維坐標(biāo)的方法和裝置，該方法包括通過(guò)攝像頭獲取固定于被測(cè)物體的靶標(biāo)的圖像；提取靶標(biāo)的像的中心所在的像素點(diǎn)相對(duì)于圖像傳感器中心的坐標(biāo)以及靶標(biāo)的像在圖像傳感器上的面積；根據(jù)所述坐標(biāo)以及圖像傳感器上的像素點(diǎn)的間隔，獲取靶標(biāo)的像的實(shí)際距離坐標(biāo)；根據(jù)所述面積獲得靶標(biāo)與攝像頭的距離；根據(jù)所述距離和所述實(shí)際距離坐標(biāo)以及攝像頭的透鏡中心與圖像傳感器的距離獲得靶標(biāo)相對(duì)于攝像頭的坐標(biāo)；根據(jù)靶標(biāo)相對(duì)于攝像頭的坐標(biāo)獲得被測(cè)物體相對(duì)于攝像頭的坐標(biāo)。本發(fā)明實(shí)施例提供的方法和裝置計(jì)算速度快，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，由于采用非接觸測(cè)量，提高了適用性，且所述裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、所需計(jì)算參數(shù)少。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102062574SQ20091023815
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者安偉建, 李剛, 李明玉, 白巖, 祝春華, 鄧宇, 韓近躍, 馬輝 申請(qǐng)人:北京視博數(shù)字電視科技有限公司