A cross-target-based accurate calibration method of binocular stereo systems with large-scale field-of-view

This paper presents an accurate calibration method of binocular 3D measurement systems for industrial on-site inspection, which uses a cross target with ring coded points. The cross target can be used to calibrate large-scale field-of-view stereo measurement systems and obtain higher measurement precision conveniently. The world coordinates of these ring coded points are not required. All we need is the distance of two ring coded points as a scale. A new calibration model with 10 distortion parameters for each camera is proposed. The calibration initial values are computed using the relative orientation method and the Direct Linear Transform (DLT) method of photogrammetry. The bundle adjustment algorithm is used to optimize the calibration parameters as well as the 3D coordinates of the ring coded points. Experiment results show that the RMS error of the reprojection in our method is less than 0.05 pixels and the measurement error is 0.011 mm compared with the Coordinate Measuring Machine (CMM).     

平面标定靶标标记点的圆心提取算法

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。 为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1~1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过对比,本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

用于三维变形测量的数字图像相关系统

针对材料力学实验中的三维变形测量,提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定,图像相关算法,三维重建,以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法,该算法采用10参数镜头畸变模型,不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配,针对非线性优化初值难求的问题,提出了一种基于种子点的初值计算方法,为非线性优化提供了可靠的初值。最后,介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明,标定结果的重投影误差为0.03 pixel,图像匹配的误差约为0.02 pixel,静态外形及位移的测量精度为0.05%,应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比,本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。     

融合通用形变模型信息的面部三维重建

基于图像对的立体重建是用于获取人脸三维信息的通用方法,但根据图像数据和重建算法所得到的三维重建结果存在各种误差,本文对通用形变模型进行改进并与三维立体重建融合以得到更精确的重建结果。首先使用Max-Margin对象检测算法来获取面部边界框,其中回归树集合法能直接从像素强度的稀疏子集识别面部特征点。然后通过PCA颜色模型生成形状和颜色的三维面部统计模型,利用ISOMAP算法将三维网格转换为二维表面并提取纹理信息,得到面部模型。最后在源网格上进行两步非刚性表面配准的变形过程:先通过对源网格进行二次采样来选择少量网格点来表示源的全局变化,并选取径向基函数(RBF)进行非刚性全局变形;再对源顶点进行Procrustes分析获得非刚性变换,再通过加权方案来进行k-近邻变换,得到平滑的局部变形。将单图像重建的面部模型,立体重建的面部模型和本文的面部变形模型与高质量扫描云图进行对齐比较,得到面部变形模型的3个RMS值分别为2.795 2,2.102 8和2.153 4,相比于其他模型,面部变形模型更接近高质量扫描云图,即与原图像一致性更高,误差更小。面部变形模型的定性和定量分析表明,立体重建与人脸一般形状信息的组合在几何信息的表达上优于基于通用模型的单个图像重建以及未考虑通用模型的立体重建。     

地面三维激光扫描仪与外架数码相机间安置参数的高精度标定

提出了地面三维激光扫描仪与外置数码相机安置参数的高精度标定方案。首先,利用商业化近景摄影测量系统对相机内参数进行单独标定;然后,利用回光反射标志作为二维和三维匹配的同名控制点,对直接线性变换进行拓展应用,在算法迭代过程将内参数作为已知值对外参数进行求解;最后,根据相机数据采集特点确定其拍摄全景时多张影像之间的位置关系,对多张影像的外方位元素进行求解,从而实现全景点云与全景完整影像之间的映射。进行了实验测试,利用安置参数标定结果反求验证点像素坐标与真实测量结果之差验证了本文标定方法的精度和可行性。实验显示:点云与影像间的映射精度可达到1像素左右;相机拍摄全景获取的影像与全景点云可以实现正确映射,表明提出的标定方法正确,满足纹理贴图及将影像作为特征提取辅助信息的精度要求。     

A method of the laser-television control of geometric parameters of objects with complex shapes

A mathematical model of the laser-telemetric measurement method with angular scanning was developed. It describes the measurement procedure of scanning an object at different spatial angles of the TVcamera optical axis under the control of the distances to separate points using a laser ranger. A technique for forming a digital image of a spatial object (“cloud” of points) from a flat image on the basis of the objectsurface approximation by a set of planes, which are constructed using reference points that reflected the laser beam. A device that implements the proposed method was developed.     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

结构光三维双视觉检测方法研究

介绍了结构光三维双视觉检测的基本原理，提出了标定点的空间坐标和图像坐标的获取方法，设计了用于获取标定点的双向光电瞄准装置，并建立了双向光电瞄准装置安装误差的补偿方法，在此基础上实现了双视觉传感器标定点数据的全局统一。最后，利用标定点样本数据建立了结构光三维双视觉RBF神经网络模型，最佳RBF模型的训练精度为0.078mm，测试精度为0.084mm。     

GPS双目摄像机标定及空间坐标重建

为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,实现摄像机参数的精确标定,并对空间坐标进行高精度重建,提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法,采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动,由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像,利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系,结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理,标定出双目摄像机参数,并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差,对重建精度进行检验。实验证明,该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,空间重建坐标具有较高的精度,相对距离误差从1.56%减小到0.52%。     

Kinematic calibration analysis of 3SPS + 1PS bionic parallel test platform for hip joint simulator

As the key component of the parallel hip joint simulator, 3SPS + 1PS bionic parallel test platform owns four degrees of freedom including three rotations and one translation. When the moving platform stays at a given translation position, the parallel manipulator can represent three-dimensional rotating gait motions of the hip joint for the purpose of evaluating the friction characteristics of biological materials. Because of the manufacturing and assembling errors, the actual structure parameters of the parallel manipulator are not more accurate than the theoretical values and its reduced simulation accuracy will bring the uncertain evaluation. So in order to improve the precisions in the design, manufacture and assembly of the parallel manipulator, it is necessary to calibrate the kinematic parameters. Considering the structural characteristics of the parallel manipulator, its error model and the corresponding compensation method are established based on the complete differential-coefficient theory. According to the constant values of two orientation angles, the orientation residual matrix is constructed by adopting the incomplete measurement method and the forward kinematics functions, so its cost function can be defined. The iterative algorithm based on the least square method is applied to identify the structure parameters and obtain their optimal solutions, and then the actual kinematic calibration process is simulated by numerical method. The simulation results show that the comprehensive orientation error after calibration is greatly decreased, and the effectiveness of the calibration method is validated.     

珠线式模板在Freehand超声图像快速 标定中的应用*

为了精确标定freehand超声图像坐标系与固定于超声探头上的跟踪设备坐标系间坐标转换关系,提出一种“Z”形珠线模板,由双层“Z”形棉线与精确定位的圆珠构成。定位珠能够引导用户将探头准确定位,即将定位珠全部收入图像视野中。计算定位珠在超声图像中成像点间距的比例关系,根据其相应的模板空间间距比例制定优化算法,校准用户拾取的图像坐标。应用同源点匹配算法得到超声图像平面坐标系与磁跟踪设备坐标系间的空间转换关系,从而实现2-D超声图像向3-D空间坐标系的定位转换。标定结果显示此方法与以往的标定方法相比：加快了标定速度,且标定精度与重建精度有所提高。试验采用磁定位方式进行探头的跟踪定位,此方法同样适用于其他定位方式。     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

Development of the end-effector measurement system for a 6-axis welding robot

We develop a new measurement system which can measure position and orientation of the end-effector of a six-axis welding robot. The developed measurement system consists of five digital probes. The measurement values from the digital probes are transformed into position and orientation of the end-effector with consideration of measurement system kinematics. Calibration procedure is applied to the probe system and accuracy of the system is measured. After the calibration, the positional accuracy is observed as 0.025mm, and the orientational accuracy is 0.075°, respectively. By using the developed measurement system, we present an experimental result for controller gain tuning about a welding robot. We used Taguchi method to find optimal gain set and succeeded to suppress the fluctuation of the end-effector. The fluctuation with high frequency can be reduced by 54% after gain tuning.     

高精密转台标定方法研究

针对特定情况下高精密大型转台定位精度的标定问题,提出了一种采用激光跟踪仪标定的方法,首先分析影响标定方法精度的因素,通过优化测量参数及采样策略,建立基于激光跟踪仪的最优标定系统,拟合激光跟踪仪测得点所在的三维平面,通过坐标变换将测量点转换到二维平面上,拟合转换后的数据得到圆心坐标,最后计算相邻测量点与圆心连线的夹角,与理论值进行比较,从而确定转台的定位精度。实验表明,标定系统的精度满足要求。该标定方法简单可靠,提高了高精密大型转台的标定效率。     

火炮稳定精度图像测试系统

为了高精度测试火炮稳定精度,建立了基于CCD与标准靶板的图像测试系统。介绍了测试系统的组成结构与工作原理,研究了系统采用的图像预处理、模板匹配、靶标十字中心定位和系统标定等关键算法。为消除分划板十字线对靶板十字识别的干扰,采用了开关中值滤波算法;在选取灰度变换算法提高图像对比度的基础上,分析选取了模板制作与匹配算法;然后,介绍了靶板十字中心的像素级和亚像素级定位;最后,引入基于主动视觉的标定方法确定了系统的像素角分辨率。试验结果表明:提出的系统测试精度优于0.07 mil,满足实际测试需要,实现了带有稳炮功能的现代火炮系统的稳定精度靶场测量。     

非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定

为了提高FBG柔杆空间形状感知系统的重构精度,提出了一种利用3根FBG阵列、具有温度补偿特性的非正交FBG柔杆检测方法。在分析传感系统的误差组成、产生原因的基础上,建立仿真模型得到了各组成误差分别对系统空间形状重构精度的影响,得出减小安装角度误差是提升精度的关键。利用待标定参数与标定方向与实际检测方向夹角大小相关的原理,给出了一种修正安装角度误差的标定方法。经过实验证明,该方法使得系统形状重构最大相对误差降为0.25%,为高精度的三维形状感知系统提供了可靠的检测方法。     

Attitude measurement based on imaging ray tracking model and orthographic projection with iteration algorithm

In the field of vision-based attitude estimation, camera model and attitude solving algorithm are the key technologies, which determine the measurement accuracy, effectiveness and applicability. Aiming at this issue, in this paper we probe into the generic imaging model and then develop a corresponding generic camera calibration method using two auxiliary calibration planes. The camera model is named as imaging ray tracking model. Based on the imaging ray tracking camera model and with the knowledge of the calibration parameters, an advanced attitude solving algorithm, imaging ray tracking model and attitude from orthographic projection with iterations algorithm, is deeply investigated, which is inspired by the classical POSIT algorithm. The initial attitude value is provided by the orthographic projection of the object on the two calibration planes and then refined by iteration to approximate the true object attitude. Experimental platform is setup to conduct the imaging ray tracking camera calibration procedure and further evaluate our attitude estimation algorithm. We show the effectiveness and superiority of our proposed attitude estimation algorithm by thorough testing on real-data and by comparison with the POSIT algorithm.     

基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正

提出了一种多维力传感器的静态自校正方法.将三轴加速度计静态应用,可以测得其敏感轴与重力加速度的相对夹角.将多维力传感器中集成三轴加速度计,在校正过程中,旋转施加着标准砝码的多维力传感器,测量力传感器的输出,同时通过三轴加速度计测量力传感器的旋转角度姿态,计算得到砝码重力施加在传感器E的力向量,最终自动地得到多维力传感器的校止矩阵.实验结果表明,该方法显著地提高了校正效率,但与通常的标定台校正方法相比,较正精度略低.     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。