第4章-激光视觉三维测量技术概要.ppt

激光视觉测量的基本原理 3 在进行物体三维轮廓测量时，使用点激光需有X、Y两个方向的逐点扫描机构，这使测量速度受到限制。为了提高测量效率，故将点结构光改成扫描式线结构光，这也是现今最流行且应用最广的激光测量方法。 激光视觉传感器的数学模型是激光视觉测量技术的核心内容，所建模型接近测量实际且模型参数能较准确地标定出来，则可获得较高的测量精度。 视觉传感器中，CCD摄像机是重要的组成部分，是视觉系统获取三维信息最直接的来源，传感器的数学模型就是建立被测点在摄像机图像坐标与其在测量参考世界坐标系坐标之间的对应关系。 根据激光视觉传感器的结构参数和具体应用情况，建模方法主要有两种：对映函数法和小孔成像透视变换法。 激光视觉测量的基本原理 3 对映函数法 完全利用投影变换理论，通过无任何物理意义的中间参数，将图像坐标系与测量参考坐标系联系起来。对该类数学模型的局部标定就是计算中间参数的过程，且对这些参数无任何约束，只要它们结合在一起能完成正确的三维测量就行。这种方法所建的模型较为简单，能满足各种不同结构的激光视觉传感器的测量要求。 小孔成像透视变换法 利用摄像机小孔成像原理，通过具有明确物理意义的几何结构参数，如光学中心、焦距、位置及方向等，建立图像坐标系与测量参考坐标系的关系。这类方法的模型参数一般分为摄像机内部参数和传感器结构参数两部分。摄像机内部参数指摄像机内部的几何和光学特性；传感器结构参数指摄像机图像坐标系相对于测量参考世界坐标系的位置参数。这种模型直观，可根据使用场合及精度要求，建立不同复杂程度的数学模型，因此应用广泛。 激光视觉测量的基本原理 3 对映函数法 所谓对映函数法(Coordinate mapping)，就是找出测量平面的空间坐标与CCD像平面的图像坐标之间关系的方法。基于成像原理，在CCD的测量范围内空间中的任意一点，都会对映成像到CCD像平面上的一个像素点。 小结如下： 激光视觉测量的基本原理 3 激光视觉测量的基本原理 3 激光视觉测量的基本原理 3 小孔成像透视变换法 摄像机是视觉传感器的主要功能元件。被测物体的位置、形状等几何尺寸是从摄像机获取的图像信息中计算出来的，图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点散射光的强度信息，而该点在图像上的位置与空间物体表面相应点的几何位置有关，这些位置的相互关系，由摄像机成像模型决定。摄像机的几何模型，即三维物体到二维图像的变换模型一般定义为： X’=g(X)，式中，g是三维物体X=(x,y,z)T到二维图像点X’=(u,v)T之间的不可逆变换函数。 摄像机的透视成像通常可以近似地看作是一个针孔成像，下图是摄像机透视变换的原理图。 激光视觉测量的基本原理 3 小孔成像透视变换法 图中Oc点为成像透视中心，OcZc为摄像机成像透镜的光轴，它与摄像机的像平面(CCD的感光面)垂直，O为光轴与像平面的交点，它是像平面的光学中心，但不一定是CCD的几何中心，因为CCD阵列可能未对中。 O和Oc间的距离为f，是摄像机的有效焦距。过O点作像平面坐标系O-XY，其X轴平行于像素横向阵列，Y轴垂直于X轴，过Oc点作摄像机坐标系Oc-XcYcZc 激光视觉测量的基本原理 3 小孔成像透视变换法 摄像机坐标系Oc-XcYcZc中Xc平行于X轴，Yc平行于Y轴，如果摄像机无镜头畸变，则空间一点P(xw,yw,zw)在像平面上的成像点为Pu(xu,yu)。由于镜头存在畸变，实际像点为Pd(xd,yd)。光学中心O点在计算机图像坐标系下的二维位置为O(uo,vo)。实际像点Pd(xd,yd)在计算机图像坐标系下的坐标为Pd (u,v)，即在帧存体中对应的像素位置。如果不考虑摄像机镜头畸变，在理想情况下有Pu(xu,yu)和Pd(xd,yd)重合。由空间三维坐标(xw,yw,zw)到计算机图像的二维坐标(u,v)的摄像机变换模型可通过以下步骤求得。 激光视觉测量的基本原理 3 小孔成像透视变换法 摄像机坐标系Oc-XcYcZc中Xc平行于X轴，Yc平行于Y轴，如果摄像机无镜头畸变，则空间一点P(xw,yw,zw)在像平面上的成像点为Pu(xu,yu)。由于镜头存在畸变，实际像点为Pd(xd,yd)。光学中心O点在计算机图像坐标系下的二维位置为O(uo,vo)。实际像点Pd(xd,yd)在计算机图像坐标系下的坐标为Pd (u,v)，即在帧存体中对应的像素位置。如果不考虑摄像机镜头畸变，在理想情况下有Pu(xu,yu)和Pd(xd,yd)重合。由空间三维坐标(xw,yw,zw)到计算机图像的二维坐标(u,v)的摄像机变换模型可通过以下步骤求得： (1)物空间坐标系到摄像机坐标系的坐标变换；