应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,该系统解决了面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾,能够实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,并经空间解算,确定被测物体的姿态角.该系统着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定.图像采样率为1 316帧/s时,姿态测量精度为1′.测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度的实时测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点.     

基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量

为了精确测量悬浮试验场内姿态快速变换的空间物体的姿态角参数,提出了一种采用3个线阵CCD相机同时测量多个点合作目标的姿态测量方法,以解决传统的线阵CCD姿态测量系统中相机位置间的约束条件过多造成的非线性系统误差及校准参数多的问题.该方法采用柱面透镜和线阵CCD组成的3个一维相机,对被测物体上的多个点合作目标同时进行测量;并针对测量原理对姿态角限制的问题,采用模拟计算的方法进行姿态角测量范围的计算.由神经网络校准线阵CCD相机,直接给出点合作目标的空间三维坐标,并通过建立基于Rodrigues参数姿态解算模型求解被测物体的姿态角.实验结果表明,本文方法得到的空间点位置测量精度及空间姿态解算精度高于原线阵CCD姿态测量方法,验证了该姿态测量方法进行姿态测量的可行性和有效性.     

基于BP神经网络的外姿态测量系统线阵CCD标定

在基于线阵CCD相机的空间物体外姿态测量系统中,线阵CCD相机的标定是空间合作目标定位的一个重要步骤。利用神经网络所具有的处理复杂非线性映射问题的能力,提出了基于反向传播(BP)神经网络的线阵CCD标定方法。该方法能够很好地描述外姿态测量系统中三维空间合作目标与像点之间的映射关系,无需建立复杂的数学模型,可直接恢复空间合作目标的三维信息,从而计算空间物体的姿态信息。实验结果表明:基于BP神经网络的线阵CCD标定方法与传统的DLT方法比较精度可提高41.7%。     

宽厚板板形测量系统与标定方法研究

针对当前宽厚板板形在线智能化检测的需求,设计一种单激光器多相机的宽厚板板形测量系统,提出一种基于唯一激光平面的多相机坐标系姿态校准标定方法。板形测量系统由分别位于宽厚板矫正机前后的两个相同的子系统组成,子系统采用多相机测量视野拼接的方式,实现宽厚板板形的检测;利用相邻相机公共视野中同一姿态标定板世界坐标系的唯一性,将多个相机的坐标系映射在基准坐标系下,根据实际激光平面的唯一性将多个相机坐标系统一为同一姿态,并通过统一坐标后相邻相机点云数据的位置关系,实现多相机测量数据的快速拼接,完成多相机结构光测量系统坐标系的标定。试验结果表明,该方法准确有效,为大视场结构光三维测量提供了一种有效的测量标定方法。     

基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量系统

便携式坐标测量技术是近年来测量领域的研究热点之一。本文以双目立体视觉为基础,实现了一种简便易行的无线柔性坐标测量系统,该系统由两台CCD相机、一台电脑以及贴有标记点的测笔组成。通过手持测笔使其测端接触待测目标点,双CCD相机监控测笔上的标记点并解算出测端的三维坐标,来实现目标点三维坐标的测量。着重针对测笔标记点以及测端的标定这一关键问题,提出了一种简单有效的解决方法。讨论了双目立体相机与被测对象相对位置不变的单站式测量的原理和方法,同时为了克服相机视场的有限性,通过粘贴拼合标记点的方式,实现了相机在多个位置上的拼合测量,增强了系统的实用性。通过标定实验和测量实验对系统进行了验证。     

“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。     

大视场双目立体视觉柔性标定

为了实现双目立体视觉系统大范围高精度三维测量,提出了一种大视场双目立体视觉系统柔性标定方法,该方法将系统中各相机内部参数标定与相机间的姿态标定进行分离,标定内部参数时,只需要令标靶相对于相机任意摆放至少三个姿态,对标靶上的编码标志点进行识别,根据标靶上编码标志点信息,建立各姿态下视图的对应关系,粗略计算标志点的初始三维坐标;建立多姿态下逆向投影误差最小的目标函数,采用非线性最小二乘优化获取精确的相机内部参数和标志点三维坐标;最后,建立基于双相机逆向投影误差最小的目标函数,优化得到精确的相机间姿态的外部参数。实验结果表明:当测量空间为1 200mm×1 000mm×1 000mm时,立体视觉系统的测量精度优于0.1mm,满足大范围双目立体视觉系统的高精度测量需求。     

随机模式投影双目测量系统中的单目测量方法

针对基于随机模式投影的双目立体测量系统的特点,提出了一种由单摄像机-投影器构成两个单目测量单元的测量方法。首先给出了一个简洁有效的标定算法,该算法只需从不同角度拍摄随机光场在普通白板上的图像（称为标定图像）,就可以标定纯随机模板上每一点经投影镜头发出的光线。无需标定投影镜头畸变,且精度不受投影镜头畸变的影响。然后将随机光场照射下的被测物体图像与标定图像进行亚像素精度的像点匹配,根据三角测量原理获取物体表面的三维点云数据。最后采用标准平面对该方法进行测量精度验证,并给出了具体的测量实例。实验结果表明：平面度测量精度为0.0175mm,不确定度<0.05mm(3σ)。由于采用单目测量单元进行测量时,空间一点无需在两个摄像机视场内均可见,因此避免了因局部高光、被测物体自身遮挡等原因引起的三维测量数据丢失,有效地弥补了双目测量系统的不足。     

多传感器的天文标定与空间配准

为了实现共平台的多个空间观测成像系统的空间配准,对多个相机进行天文标定和姿态测量,提出一种基于星图模拟的星图识别和姿态解算算法。首先,建立共平台的多传感器天文观测模型,并产生模拟星图,将星点之间的特征转换为图像特征;其次,根据四边形对角线的共线不变性特征,对相机观测星图和模拟星图进行特征匹配,提取相机内参数的初始值;然后,利用星点坐标矩阵奇异值不变性,自动匹配剩余星点并求解姿态矩阵的初始值;最后,对相机内参数和姿态矩阵进行非线性优化求解。实验结果表明,在未精确标定光学系统内外参数的情况下,星点正确识别率大于97.4%,相机像元角分辨率为3.9"×3.4",最后计算得出的投影误差低于1个像素,满足多传感器空间观测系统空间配准的精度和鲁棒性要求。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

Calibration and analysis of eccentric error of the laser rotary-scanning measurement system

A laser rotary-scanning measurement system was developed for the reverse engineering of 360° objects. The system is constructed by an optical head and a rotary indexing. The optical head is composed of a laser diode strip-light projector and dual CCD cameras. Based on the principle of structured-light triangulation, a laser line is projected onto the object upon which the distorted line is captured by dual CCD cameras from left and right simultaneously. By processing a series of line fittings from the discrete angular positions of an object, the entire 3D profile can be reconstructed. Since the actual space coordinates of the object are computed according to the geometric relationship between the coordinate of optical head system and the coordinate of the rotary indexing systems, if these two coordinate systems are not in good alignment, errors in the computed coordinates will be introduced.This paper describes the influences of the alignment and eccentricity errors of the laser rotary-scanning measurement system on the computed geometrical profile. Calibration procedures are then proposed to adjust the alignment to avoid image distortions and thus enhance the system accuracy. Experimental results show that this easy-to-use calibration procedure can significantly improve the accuracy of the system.     

基于Rodrigues参数的多线阵CCD外姿态测量系统的姿态解算

提出了一种以Rodrigues参数作为姿态描述参数的线阵CCD外姿态解算算法用于多线阵CCD空间目标外姿态测量系统,以解决传统姿态解算算法约束条件多、计算量大、实时性差等缺点.利用Rodrigues参数简洁高效的特点,根据多点合作目标组成的线段间的相交矢量关系推导出了一种新的基于Rodrigues参数的多线阵CCD外姿态解算模型.算法结合Rodrigues参数集切换理论避免了奇异性的发生,并给出了这种姿态解算方法的流程.仿真结果表明,与四元数算法相比,该算法在未损失计算精度的前提下,计算消耗时间减少了37.6％,实时性优于四元数法,并且避免了奇异性问题.     

基于共面点的多视觉测量系统的全局标定方法

本文提出了一种基于共面点的世界坐标唯一全局标定方法,利用激光跟踪仪在现场构建系统总体坐标系,通过拟合基准面来设置共面标定点,系统中各摄像机传感器直接获得标定点的图像,从而实现了各局部相机的全局标定,不需要中间坐标系的转换,避免了多次坐标转换带来的精度损失,标定过程简单。通过在实际的由多个高速视觉传感器组成的飞行器外部姿态测量系统中进行标定实验,在测量范围较大的情况下,系统精度的均方根误差不超过0.8mm。 关键词：全局标定 视觉测量 激光跟踪仪 共面点     

A flexible technique for calibrating relative position and orientation of two cameras with no-overlapping FOV

We propose a flexible new method to calibrate the relative position and orientation relationship of two cameras with no-overlapping field of view (FOV), which are called relative pose parameters in this paper. The objective of this method is to unify the local coordinate frames of the two cameras to be under one global coordinate frame. Additionally we design a flexible target composed of two short 1D bars with equally placed light spots and one long linking pole to assist the calibration. The target is adjustable according to the actual position and orientation of the two cameras, based on the principle that the two 1D bars can be shot clearly at the same time by their corresponding cameras, which will largely increase the calibration accuracy. The proposed approach consists of two steps. Firstly we use the invariant constraints on the angle and distance between the two short 1D bars to give a rough estimation on the relative pose parameters of the two cameras, then we use more restrictions on the invariant distances between light spots on the two 1D bars respectively to refine the estimation on both the relative pose parameters and the structure parameter of the targets. This technique offers a significant flexibility and tight space advantage compared to other calibration methods applying extremely large 2D or 3D targets for wide view calibration, which are inefficient in some conditions. And equally important, this approach still obtains acceptable calibration accuracy. Result of the experimental calibration shows that the system calibrated by this method reaches an accuracy of 0.108 mm when measuring a distance section of 1040 mm.     

长度约束下双相机外参数不稳定定向

动态立体视觉测量技术在几何量测量特别是大视场测量中应用越来越广。在分析动态双相机立体视觉测量相对定向算法的基础上,提出了一种基于一定数量距离约束的相机不稳定定向算法。在测量场中固定放置一定数量的一维标定靶标,双相机获取标定靶标上点的中心坐标,由极线几何约束快速准确解算双相机外参数,每次测量根据标定靶重新定向相机,由靶标补偿相机在测量过程中的位置变动,保证在测量场中即使相机站位发生位置变化仍可精确测量。实验中对分布范围2.5 m×1.6 m×4.5 m测量场中90个自反射目标点进行测量,选用5对点间距离作为距离约束,并与V-STARS/S进行结果比对。结果表明在相机站位发生明显变动情况下,90个空间点三维重建位置误差小于0.160 mm,标准差小于0.042 mm。将该方法应用于合成孔径雷达测量,得到相近结果。     

基于坐标配准的牙颌测量点云拼合技术研究

针对牙颌等待测物非接触式光学三维测量,提出了一种融入标定功能的夹具设计方法,实现了测量过程中待测物与标定靶的空间一致性;定义了单目视觉测量过程涉及到的坐标系统;提出了一种基于坐标配准的点云拼合技术,简化了点云拼合流程,实现了点云拼合理论零误差;应用张正友标定方法对摄像机进行了标定;通过实验验证,得到了具有一定精度的牙颌三维模型点云拼合数据,实现了较快的测量速度,为提高牙颌测量系统的整体精度提供了有力支撑。     

机载设备安装姿态视觉校准中的靶板标定

基于飞机机载设备安装姿态视觉校准系统Archer-M的研发,提出针对系统中姿态测量辅助靶板的标定方法。首先,利用摄像机从不同方位拍摄靶板图像,在相差一个尺度因子的情况下确定靶点位置关系。然后,利用单个发光二极管（LED）靶点的多次精确移动和图像叠加的方法恢复绝对尺度,求解靶点的相对关系。最后,通过精确控制靶板的位姿运动,利用运动前后各坐标系之间的相对关系,求解出“靶/座"相对位姿,并进一步针对只用于物体姿态测量的靶板,提出了分别沿两个垂直方向运动的简化“靶/座"标定方法,从而大大降低了标定过程中对标定设备的要求。实验结果表明：距离为3~12 m时,姿态角度的测量标准差为0.004~0.017°,姿态测量精度与激光跟踪仪相当。     

一种结合 TCP 标定的深度相机手眼标定方法

手眼标定是机器人实现视觉引导下精准作业中的关键技术。传统手眼标定和机器人工具中心点(TCP)标定分开进行,存在较大累积误差,同时针对深度相机的手眼标定存在精度不足的缺点。本文提出了一种结合TCP标定过程同步标定深度相机手眼关系的新方法。方法基于深度相机观测和TCP标定相同的标定平面,相机坐标系下标定平面方程和机械臂坐标系下标定平面方程为对应关系,通过平面方程之间的变换来计算手眼关系。本文方法减少了TCP和手眼关系独立标定累积误差影响,节约标定时间和标定件成本。仿真和实测结果表明,本文方法提高了深度相机手眼标定精度,标定后实测位置误差平均为0.2 mm,为机器人视觉控制系统高精度作业所需标定提供了一种新的思路。