1、2006年3月6日星期一第五章 激光視覺三維測量技術黨學明 合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院2006年3月6日星期一引言眼睛是信息的重要途徑: 獲取信息90%以上 獲取信息主要有:1. 顏色2. 大小3. 遠近4. 明暗程度 幾何光學中的測量 幾何光學的透鏡成像系統(tǒng)2006年3月6日星期一引言隨計算機技術與CCD技術的發(fā)展出現(xiàn):計算機視覺(Computer Vision)又稱機器視覺(Machine Vision)應用: 航空航大、生物醫(yī)療、物體識別、工業(yè)自動檢測視覺檢測(Vision Inspection)技術: 在計算機視覺理論基礎上發(fā)展起來的, 利用光學成像特性,應用測量領域.特點:

2、非接觸、速度快、精度適中、可實現(xiàn)在線,全場應用: 工業(yè)產品的在線檢測。2006年3月6日星期一引言視覺檢測技術分類視覺檢測技術分類: 按照明方式和幾何結構關系的不同可以劃分: 主動視覺檢測(Active Vision)結構光, 結構光在物體上的準確定位獲取信息被動視覺檢測(passive Vision)非結構光, 不同像面上的相關匹配關系激光視覺檢測技術激光視覺檢測技術: 利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測2006年3月6日星期一第一節(jié) 激光三角法測量原理激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎其原理: 數(shù)學基礎數(shù)學基礎: 空間某一平面上的兩條直線的方程已知, 非平行時, 交點可以求出.200

3、6年3月6日星期一第一節(jié) 激光三角法測量原理激光三角法的結構: 1. 直射式 2. 斜射式1. 直射式 sincossincos sincossincosXbXbAAaOAAAaOAXbXbxaxxaxaxaxx xbxbx 2006年3月6日星期一2. 斜射式根據(jù)幾何光學成像特點: 1 12 21 12 21 12 21 12 21 11 11 12 21 12 2 s si in n( () ) c co os s( () ) s si in n( () ) c co os s( () ) c co os s c co os ss si in n( () ) c co os s( () )

4、X Xb bA A A Aa aO OA AX Xb bO OA Aa aO OA Aa ax xO OA Ab bx xa ax xx xO OA Ab bx x 2006年3月6日星期一直射式與斜射式比較項目直射式斜射式 測量公式接收的光散射光反射光或者散射光, 信號好測量位置同一點不同點(可能有誤差)分辨率低較高精度/測量范圍/體積低 大 小高 小 大1 112121212coscossin()cos()sin()cos()axaxx xbxbx sincossincosaxaxx xbxbx 2006年3月6日星期一第一節(jié) 激光三角法測量原理根據(jù)三角法測量原理制成的儀器被稱為激光三角位

5、激光三角位移傳感器移傳感器.其結構組成: 一般采用半導體激光器(LD)作光源，功率在5mw左右光電位置探測器對采用PSD或CCD, PSD為非分割型位置探測器，分辨力高，動態(tài)響應快，后續(xù)處理電路簡單，但線性差，需要精確標定2006年3月6日星期一傳感器的形狀及主要特性2006年3月6日星期一激光三角位移傳感器應用應用于: 厚度, 變形, 形貌, 位移等, 缺點: 點掃描,速度慢2006年3月6日星期一第二節(jié) 激光視覺測量的基本原理激光視覺檢測技術激光視覺檢測技術: 利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測激光視覺傳感器激光視覺傳感器: 由結構光和CCD攝像機組成的測量裝置.結構光的類型: 結構

6、光 點線多線傳感器 點結構光傳感器線結構光傳感器多線結構光傳感器產生2006年3月6日星期一第二節(jié) 激光視覺測量的基本原理激光視覺傳感器的主要結構激光視覺傳感器的主要結構: 點結構光傳感器 線結構光傳感器 多線結構光傳感器2006年3月6日星期一工作原理成像特點： 像的大小，由透鏡的焦距， 物體的遠近決定 像的方向，與物體的方向相反。1. 若已知像的大小， 和透鏡到成像面的距離， 則物體的最高點的位置為某一條直線上（過光學中心）2. 若采用主動視覺技術， 照射光源的方向（線， 面，多面的方程）已知）， 可連立方程，求出實際的物體的位置大小視覺傳感器的核心： 其數(shù)學模型 即 ： CCD像面坐標與

7、測量參考坐標之間的關系 2006年3月6日星期一數(shù)學模型的建立分類：分類：1)完全利用投影變換理論，通過無任何物理意義的中間參數(shù)，將圖像坐標系與測量參考坐標系聯(lián)系起來。 2)通過具有明確物理意義的幾何結構參數(shù)，如光學中心、焦距、位置以及方向等，建立圖像坐標系與測量參考坐標系的關系：這類方法的模型參數(shù)一般分為攝像機內部參數(shù)和傳感器結構參數(shù)兩部分，攝像機內部參數(shù)指攝像機內部的幾何和光學特性，傳感器結構參數(shù)指圖像坐標系相對于測量參考坐標系的位置參數(shù)2006年3月6日星期一一、攝像機理想透視變換模型三維測量: 三維空間坐標二維圖像坐標 P=g(H) P 為空間坐標 H為圖像坐標 g為變換矩陣變換過程:

8、物空間坐標 攝像機坐標攝像機坐標CCD像面坐標CCD像面坐標計算機圖像坐標(像素點位置)2006年3月6日星期一物空間坐標 攝像機坐標1 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 3c cw wc cw wc cw wx xy yz zc cw wc cw wc cw wx xx xy yR Ry yT Tz zz zr rr rr rt tR Rr rr rr rt tr rr rr rt tx xr rr rr rx xy

9、yr rr rr ry yz zr rr rr rz z 1 11 11 12 21 13 32 21 12 22 22 23 33 31 13 32 23 33 31 1x xy yz zw wc cx xw wc cy yw wc cz zt tt tt tx xx xr rr rr rt ty yy yr rr rr rt tz zz zr rr rr rt t 2006年3月6日星期一攝像機坐標CCD像面坐標ccccuuuuccccxyxyxfyfxfyfzzzz0 00 000000 00 0c cucucucucc cucucf fz zxxxxf fyyyyz zzzzz f f

10、x xz zy yo ox xu uZuZuYuYuSS0 00 000000 00 0ucucucucucucxxxxf fyfyyfyzzzz 2006年3月6日星期一CCD像面坐標計算機圖像坐標(像素點位置)圖像坐標與CCD坐標關系 像素點距：dx, dy采集時, x向為高速采集,y向慢速采集, x方向一般采用間隔采集CCD上坐標可表示為:0000()()()()uxxuyuxxuyxs duuydvvxs duuydvv0 00 01 10 01 10 01 11 10000 xxxxu uu uy yu us ds dx xu uvvyvvyd d 2006年3月6日星期一攝像機理想

11、透視變換模型0 為比例因子,與相通,與物坐標Zc有關0 0111213111213021222302122233132333132331 10 00 00 01 100000010 010 00000w wxxxxx xw wy yy yz zu ux xs ds drrrtrrrtufufy yvvfrrrtvvfrrrtd drrrtrrrt 1 1w wz z0 00 0111213111213313233313233212223212223313233313233()()()()uxxuxxuyuywwwxwwwxu uwwwzwwwzwwwxwwwxu uwwwzwwwzxs duu

12、xs duuydvvydvvr xr yr ztr xr yr ztxfxfr xr yr ztr xr yr ztr xr yr ztr xr yr ztyfyfr xr yr ztr xr yr zt 2006年3月6日星期一二、實際攝像機模型1、鏡頭的存在的畸變攝像機鏡頭是非理想光學系統(tǒng)，存在加工誤差和裝配誤差，物點在攝像機像面上實際所成的像與理想成像之間存在光學畸變誤差主要的畸變類型有三種：徑向畸變、偏心畸變薄棱鏡畸變徑向畸變：僅使像點產生徑向位置偏差偏心畸變和薄棱鏡畸變：使像點既產生徑向位置偏差，又產生切向位置偏差2006年3月6日星期一徑向畸變（Radial distortion）

13、徑向畸變主要是由鏡頭形狀缺陷造成的，它是關于攝像機鏡頭主光軸對稱的。分類: 正向畸變又稱枕形畸變 負向畸變又稱捅形畸變2006年3月6日星期一(2)偏心畸變(Decentering Distortion)起因起因:它主要是由于光學系統(tǒng)光學中心與幾何中心不一致造成的，即鏡頭各器件的光學中心不能嚴格共線. 這類畸變既含有徑向畸變又含有攝像機鏡頭的主光軸不對稱的切向畸變.其數(shù)學模型為其數(shù)學模型為:式中，a0為最大切向畸變與x軸正向夾角2006年3月6日星期一(2)偏心畸變(Decentering Distortion)將極坐標轉化為笛卡爾坐標cossincossinsincossincosxdxdr

14、drdydydrdrd 110210110210sincossincosifPjPjifPjPj P1 P2 為切向畸變系數(shù)2006年3月6日星期一(3)薄棱鏡畸變(Thin Prism distortion)起因：起因：它是由于鏡頭設計缺陷與加工安裝誤差所造成的，如鏡頭與攝像機像面有小的傾角等。這類畸變相當于在光學系統(tǒng)中附加一個薄棱鏡，不僅引起徑向位置偏差，而且引起切向位置偏差。其數(shù)學模型為其數(shù)學模型為111211111211sincossincosifsisiifsisi 式中，a1為最大切向畸變與x軸正向夾角22221 122222 2().().(518)(518)().().xpdd

15、xpddypddypddSXYSXYSXYSXY 2006年3月6日星期一2. 實際攝像機模型綜合以上畸變： (519)(519)udxrxdxpudxrxdxpudyrydypudyrydypXXXXYYYY 各種畸變一般只考慮前兩項： 除廣角和精度較高場合： 機加工、制造、安裝設計精度高，薄透鏡畸變可以忽略 非高精度，切向畸變可以忽略，只考慮徑向畸變的前兩項 參數(shù)太多，5-19可能產生不穩(wěn)定2006年3月6日星期一2. 實際攝像機模型所以實際的攝像機數(shù)學模型：2006年3月6日星期一三、點結構光視覺傳感器模型取光線傳播方向為物坐標系的Xw，則光線的任意一點的坐標為（ Xw ，0，0）2006年3月6日星期一四、線結構光視覺傳感器模型線面為Xw，Yw平面， Zw垂直于Xw，Yw平面,則光線上的任意點的坐標為(Xw,Yw,0)0 00 02 2111211121 1313231322 2212221221 131323132()(