熊群芳，陶青川，葉重陽

　?。ㄋ拇ù髮W(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065）

　　摘要：提出一種基于雙線陣相機的全視角高精度三維測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對空間大尺寸物體三維測量。首先，通過兩臺高速線陣相機結(jié)合高精度單軸回轉(zhuǎn)平臺、高速圖像采集卡對空間物體掃描成像，然后利用空間前方交會原理以及空間三維測量系統(tǒng)定向解算出空間物體的實際空間三維坐標(biāo)。該三維測量系統(tǒng)的優(yōu)點是不必提前對線陣相機進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，且自動化程度高，測量速度快。實驗結(jié)果表明，該三維測量系統(tǒng)精度高，可以廣泛地運用到大尺寸空間測量領(lǐng)域，具有良好的實用價值。

　　關(guān)鍵詞：雙線陣相機；三維測量系統(tǒng)；高精度

　　中圖分類號：TN911.73；TN247文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.014

　　引用格式：熊群芳，陶青川，葉重陽.基于雙線陣相機的全視角高精度三維測量系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（5）：42-45，49.

0引言

　　隨著計算機機器視覺這一新興學(xué)科的興起以及科學(xué)技術(shù)和航天工業(yè)［12］的發(fā)展,非接觸式空間三維測量系統(tǒng)在視覺測量領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。近幾年，以經(jīng)緯儀作為傳感器，用兩臺或兩臺以上經(jīng)緯儀配合計算機及相應(yīng)的硬件、軟件所組成的空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)在工程測量以及計量學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用［34］。經(jīng)緯儀系統(tǒng)雖是非接觸式的，但在測量的過程中必須通過專用測量孔或粘貼瞄準(zhǔn)靶標(biāo)來指示目標(biāo)，基準(zhǔn)孔的制造誤差對建立坐標(biāo)系所帶來的誤差影響很大?；诜墙佑|式面陣相機的大尺寸測量系統(tǒng)［5］，由于不需要逐點測量，實時性好，大大提高了測量效率，但由于面陣相機圖像分辨率受限，需要移動設(shè)備進(jìn)行多位置測量，不能快速完成全尺寸測量。

　　針對傳統(tǒng)經(jīng)緯儀自動化程度低、測量精度低、面陣相機圖像分辨率受限等不足，本文提出一種基于雙目線陣相機的全視角高精度三維測量系統(tǒng)，采用交會測量原理，結(jié)合高分辨率線陣相機、高精度回轉(zhuǎn)平臺、圖像靶標(biāo)提取等設(shè)備和方法，構(gòu)建了一個自動化程度高、測量速度快的全視角三維測量系統(tǒng)，可一次性實現(xiàn)空間物體大量特征點的三維坐標(biāo)測量。

1測量系統(tǒng)基本原理

　　1.1空間前方交會原理

　　測量系統(tǒng)用兩臺相同的CMOS線陣相機以及高精度回轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成全視角高精度采集儀，采用空間前方交會原理［6］。如圖1所示，A、B兩臺采集儀，以A中線陣相機的光心為坐標(biāo)原點，A、B連線在水平方向的投影為X軸,過A的鉛錘方向為Z軸，以右手法則確定Y軸，以此構(gòu)成測量坐標(biāo)系。

　　其中，A、B互瞄以及分別從A、B觀測目標(biāo)P的觀測值（水平方向和豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度）分別為：αAB、βAB、αBA、βBA、αAP、βAP、αBP、βBP，A、B兩臺采集儀掃描目標(biāo)P的水平旋轉(zhuǎn)角度和豎直旋轉(zhuǎn)角度滿足下式：

　　式（1）中，α為采集儀掃描目標(biāo)P在水平面的水平旋轉(zhuǎn)角度。α0為掃描靶標(biāo)時的起始角度，由兩個高精度回轉(zhuǎn)平臺給定，為已知值。Δα為圖像中一個像素對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，由回轉(zhuǎn)平臺給定，為已知值。Δb為像元尺寸。VP包括VAP、VBP，為目標(biāo)P在A、B相機成像的豎直方向的像素坐標(biāo)，通過靶標(biāo)提取算法可以得到。β為采集儀測量裝置掃描目標(biāo)P在垂直面的豎直旋轉(zhuǎn)角度。V0包括V0A、V0B，分別為采集儀測量裝置中線陣相機A和B的主點。f包括fA、fB，為采集儀測量裝置A和B中線陣相機的焦距。

　　令水平旋轉(zhuǎn)角αA、αB為：

　　式中，b為基線長（即兩儀器A、B的水平間距），h為兩全視角高精度采集儀器的高差，且有：

　　由式(3)、（4）可知，建立了被測點的空間坐標(biāo)系，此時只需求出式中未知參數(shù)基線b、h、αAB、αBA、V0A、fA、V0B、fB，即可得到P的空間坐標(biāo)。

　　1.2圖像采集

　　線陣相機每次成像僅為一列像素，要完成圖像采集，需移動相機或者移動待成像物體。將相機安裝在水平放置的回轉(zhuǎn)平臺上，通過轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，完成對物體的成像。線陣相機設(shè)置為外觸發(fā)模式，由轉(zhuǎn)臺提供觸發(fā)脈沖，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動一定的角度就發(fā)送一個觸發(fā)脈沖，相機就在對應(yīng)位置采集一列像素，那么圖像的每一列都對應(yīng)一個轉(zhuǎn)臺角度，這樣就把圖像像素坐標(biāo)與空間實際角度對應(yīng)起來了。在左右相機掃描獲得的圖像中，通過靶標(biāo)提取算法，獲取目標(biāo)P的靶標(biāo)中心，這兩個中心的圖像坐標(biāo)VAP、VBP為目標(biāo)P在不同相機里的成像位置，以該位置信息結(jié)合轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度信息計算光軸與兩臺相機光心連線的夾角，即水平角αAP、αBP，由式(1)可以求出該水平角。靶標(biāo)中心的縱坐標(biāo)與相機主點、焦距和像元尺寸聯(lián)合可求得靶標(biāo)中心的垂直角度βAP、βBP，由于線陣相機的主點和焦距為未知參數(shù)，所以垂直角度βAP、βBP為未知參數(shù)。

　　1.3空間三維測量系統(tǒng)定向原理

　　由上述空間交會原理中式（3）、（4）可知，每個坐標(biāo)都與定向參數(shù)αAB、βAB、αBA以及b有關(guān)，這些參數(shù)的精度直接影響特征點的空間坐標(biāo)的精度，因此，準(zhǔn)確測定這4個參數(shù)至關(guān)重要，這就是通常講的定向測量［7］。定向是指確定測站間的相互位置和方向，包括相對定向和絕對定向，相對定向指的是確定測站間的相互方位，絕對定向是指確定測站間的相互位置。

　　1.3.1相對定向

　　相對定向是用來確定起始方向，在本文中，全視角高精度采集儀A和B在同時觀測目標(biāo)P時，由于在采集儀A和B上外貼標(biāo)志進(jìn)行互瞄時，得到的αAB、βAB、αBA、βBA角度值不準(zhǔn)確，所以將這4個參數(shù)定為未知參數(shù)，在測量平差中一同解算。

　　1.3.2絕對定向

　　由1.2節(jié)可知，全視角采集儀只能得到水平角度αAP、αBP和P點的像素坐標(biāo)VP(VAP、VBP)的值，無法進(jìn)行距離的測量，絕對定向?qū)嶋H上就是給出三維測量系統(tǒng)的尺度基準(zhǔn)——確定基線b的值，由于測距儀無法達(dá)到高的精度，若用激光干涉儀，雖具有高的測量精度，但在三維測量中很難實現(xiàn)，所以，在三維測量系統(tǒng)中，通常用采集儀對某一基準(zhǔn)進(jìn)行觀測來反算采集儀之間的基線長。由已知任意兩個靶標(biāo)的中心點距離d來確定基線的原理如圖2所示。

　　首先，A、B采集儀來完成相對定向，A、B互瞄時，有未知參數(shù)αAB、βAB、αBA、βBA，然后A、B分別對任意兩個靶標(biāo)的中心點進(jìn)行觀測，得到已知值αAPi、βAPi、αBPi、βBPi(i=1,2)。令：

　　依前方交會原理式（3）、（4）可得P1、P2兩點的空間坐標(biāo)：

　　兩靶標(biāo)中心點的距離：

　　首先，由于未提前對線陣相機A進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，所以此時V0A、fA為未知參數(shù)。由式(7)、(8)可知：在已知d、αAP、αBP、VP(VPi為VAP)的情況下，該方程有αAB、αBA、b、V0A、fA5個未知參數(shù)。在該方程中，由于式(8)為非線性方程組，則需在方程個數(shù)大于等于5的情況下，由牛頓迭代法把以上5個未知數(shù)求出。其次，由于未提前對線陣相機B進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，所以此時V0B、fB為未知參數(shù)。由式(7)、(8)可知：在已知d、αAP、αBP、VP(VPi為VBP)的情況下，該方程有αAB、αBA、b、h、V0B、fB6個未知參數(shù)。在該方程中，則需在方程個數(shù)大于等于6的情況下，由牛頓迭代法把6個未知參數(shù)求出。最后，將上面兩次得到的αAB、αBA、b兩兩相加，取平均值，可以得到高精度的αAB，αBA，b。當(dāng)基線b以及采集儀A和B的高度差h確定時，由式(5)可以求出βAB、βBA。此時,所有未知參數(shù)b、h、αAB、βAB、αBA、βBA、V0A、fA、V0B、fB確定完畢,測量坐標(biāo)系也就建立起來了,即可以進(jìn)行三維測量。

2測量系統(tǒng)裝置構(gòu)建與測量流程

　　2.1測量系統(tǒng)裝置

　　基于視覺測量技術(shù)的水平全視角高精度三維測量系統(tǒng)根據(jù)攝影測量原理，在測量場內(nèi)布置2臺全視角高精度數(shù)據(jù)采集儀，采集儀由兩臺相同的CMOS線陣相機以及高精度轉(zhuǎn)臺組成，測量系統(tǒng)裝置示意圖如圖3所示。

　　2.2測量總體流程

　　(1)使用兩套測量裝置，測量裝置連接安裝完畢，軟硬件已經(jīng)通過聯(lián)調(diào)；

　　(2)布置測量場，在測量場周圍安放足夠的靶標(biāo)；

　　(3)將兩套測量裝置布放在測量場中央，并使它們具有一定距離，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺，確定轉(zhuǎn)臺零度角位置；

　　(4)設(shè)定相機的工作參數(shù)（采樣頻率、曝光時間等）、轉(zhuǎn)臺的工作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、觸發(fā)脈沖的頻率等）；

　　(5)啟動相機和轉(zhuǎn)臺進(jìn)行水平全視角掃描并實時使用圖像采集卡采集圖像數(shù)據(jù)；

　　(6)對獲取的圖像進(jìn)行靶標(biāo)提取，得到靶標(biāo)像素；

　　(7)利用靶標(biāo)中心，結(jié)合轉(zhuǎn)臺，求解靶標(biāo)中心對應(yīng)的水平角度；

　　(8)由第1節(jié)求解三維坐標(biāo)信息并平差優(yōu)化。

3測量系統(tǒng)實驗測試

　　3.1仿真數(shù)據(jù)

　　在該仿真試驗中，假設(shè)被測大尺寸物體為一個平面，已知平面上有9個靶標(biāo)，以采集儀A中線陣相機光心為空間坐標(biāo)系原點，其各靶標(biāo)的中心點空間坐標(biāo)如下表1所示。

　　在已知各靶標(biāo)中心點的空間坐標(biāo)時，可以計算得到任意兩個靶標(biāo)中心點的空間距離d，在本文中，假設(shè)轉(zhuǎn)臺A的起始角度α0A=800，轉(zhuǎn)臺B的起始角度α0B=400，Δb=7.04 μm，αAB=1800，βAB=0.477 5°，αBA=00，βBA=89.522 5，b=6 mm，h=50 mm，V0A=4 096，fA=60 mm，V0B=4 096，fB=60 mm。當(dāng)全視角高精度數(shù)據(jù)采集儀A、B從兩個不同視角掃描同一個靶標(biāo)時，其仿真模型裝置如圖3所示，在已知各靶標(biāo)中心點的空間坐標(biāo)以及b、h、αAB、βAB、αBA、βBA、V0A、fA、V0B、fB的值時，由靶標(biāo)中心點的空間三角函數(shù)關(guān)系式以及式（2）、（3），可以快速地求出靶標(biāo)面上9個靶標(biāo)中心點的αAP、βAP、αBP、βBP的角度以及像素坐標(biāo)值VPA、VPB。

　　在全視角高精度三維測量系統(tǒng)中，全視角高精度采集儀A和B采集到的數(shù)據(jù)中，在已知d、αAP、βAP、VPA的情況下，由式(7)、(8)可以求出采集儀A的未知參數(shù)αAB、βAB、b、V0A、fA。同理，在已知d、αBP、βBP、VPB的情況下，可以求出采集儀B的未知參數(shù)αAB、βAB、b、h、V0B、fB，由式(5)求出βAB、βBA。所求參數(shù)的值如表2所示。

　　3.2真實數(shù)據(jù)

　　全視角高精度三維測量系統(tǒng)中，采用TELEDYNE DALSA公司的Piranha4 8K Camera (P4-CC-08K050-00-R)線陣相機，主要參數(shù)如表3所示。表3線陣相機主要參數(shù)名稱參數(shù)值分辨率/pixels8192像素單元尺寸/（μm）27.04×7.04采樣頻率/kHz≥20曝光時間/μs＞50控制和數(shù)據(jù)接口CameraLink Full電源接口Hirose電源電壓12 V~24 VDC

　　被測靶標(biāo)平面中靶標(biāo)的實際排列位置如圖4(a)所示。其三維測量掃描裝置如圖4(b)所示。

　　圖4中，轉(zhuǎn)臺A的起始角度α0A=800，轉(zhuǎn)臺B的起始角度α0B=400,每列像素對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度圖4空間靶標(biāo)板平面及其三維測量掃描裝置Δα=0.007 50,由表3可知，像元尺寸Δb=7.04 μm。在已知靶標(biāo)中心點像素坐標(biāo)的條件下，由式（1）計算兩個測量裝置掃描靶標(biāo)時采集一次圖像的旋轉(zhuǎn)水平角度αAP、αBP，接下來由人為直接測量P1~P16中任意兩個靶標(biāo)的實際距離d，將測量裝置掃描靶標(biāo)時采集一次圖像的旋轉(zhuǎn)水平角度αAP、αBP以表4本文算法得到的參數(shù)參數(shù)參數(shù)值αAB177.307 7°βAB1.071 8°αBA1.750 1°βBA89.524 2°b3 054.667 8 mmh0.018 7 mmV0A4 088.764 89fA58.776 2 mmV0B4 068.731 8fB59.606 7 mm及d帶入式(7)、(8)，可以求出采集儀A的未知參數(shù)αAB、βAB、b、V0A、fA，以及采集儀B的未知參數(shù)αAB、βAB、b、h、V0B、fB。求出未知參數(shù)如表4所示。

　　將表4中求出的參數(shù)帶入式(7)中，以采集儀A中線陣相機光心為空間坐標(biāo)系原點，用表5中的坐標(biāo)算出P1~P16中部分任意兩個靶標(biāo)的實際距離d，如表5所示。

4結(jié)論

　　本文基于全視角高精度三維測量系統(tǒng)在測量過程中采用兩臺測量裝置進(jìn)行測量，采用以掃描速度等于其旋轉(zhuǎn)速度的方式進(jìn)行圖像的采集，從而保證了后續(xù)計算靶標(biāo)中心空間坐標(biāo)的精度。本文不僅解決了電子經(jīng)緯儀測量精度不高、自動程度低以及面陣相機圖像分辨率受限等問題，同時解決了傳統(tǒng)基于計算機視覺測量技術(shù)的三維測量系統(tǒng)不能實現(xiàn)全視角（水平360°）測量的問題，實現(xiàn)了水平全視角圖像采集的不失真。同時采用非接觸式測量，測量范圍大、精度高，具有良好的實用價值。

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