四像機組平面陣列特征點三維測量系統及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種四像機組平面陣列特征點Ξ維測量系統及測量方法，屬于光學電 子測量技術產品和方法的技術領域;具體說屬于采用數字相機組對被測物的Ξ維特征點坐 標通過圖像處理的方式進行位置和尺寸測量并計算出被視物體特征點Ξ維位置坐標點云 數據的方法的技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前快速準確的計算出被視物體特征點的Ξ維位置坐標點云數據進而實現被視 物體全部外觀尺寸的Ξ維立體快速精確測量的Ξ維測量采用的方式和存在的問題如下所 述：
[000引一、單點視覺測量法
[0004] 我們可W將各類非接觸長度測量傳感器視為單點視覺;典型的如激光測距傳感器 W及疊加高速掃描功能的激光掃描儀。
[0005] 依靠單點高速掃描，單點視覺可W做成Ξ維立體視覺系統，但該類系統的缺點是 對測量物整體不能快速全面的把握其形貌特征，動態測量時，對于快速移動物體產生變形， 容易產生測量死角；同時，Ξ維點云數據處理速度和算法有待進一步的加強。
[0006] 二、平面視覺測量法
[0007] 平面視覺主要采用各類相機進行二維成像。目前，各類照相機、攝像機、視頻監控 等得到廣泛應用。二維圖像在線測量，廣泛用于印刷和包裝線質量檢測，產品質量外觀檢測 等各類特定對象的流水線檢測。
[000引通過二維成像可對視場范圍內的物體進行一次性成像，通過邊緣和分類算法對物 體進行檢測和智能化處理。其最大的問題是難W根據平面圖像直接計算出物體的物理尺 寸，對于Ξ維檢測，如果只進行獨立的圖像分析，只能進行平面外觀輪廓的定性分析。
[0009] Ξ、Ξ維視覺測量
[0010] 目前，能夠真正實現Ξ維數據直接采集的設備還沒有出現，所謂的Ξ維視覺都是 由一維和二維視覺的相關設備和技術組合而成;Ξ維視覺及測量技術主要包括W下幾種：
[0011] ①.光截圖技術及線激光測量
[0012] 光截圖技術及線激光測量是將Ξ維測量通過激光平面的建立，變為二維問題進行 解決。由一個線激光發生器產生一個激光平面，通過與該平面成一定角度布置的數字攝像 機成像后，對圖像進行二值化處理，得到被測物體與該激光線交線的圖像，該激光平面與二 維圖像像素之間具有唯一的對應關系，通過標定可實現該物體激光切線的精確測量。目前 線激光測距儀可對激光線上各點距離的直接測量，基本都采用此方法。
[001引②.雙目或多目視覺現慢技術
[0014]人眼之所W能夠快速判斷被視物體的遠近和大小，是由于人類擁有固定間距同時 可動態調焦調角度的兩只眼睛，同時還擁有一個運算速度目前最快速的計算機都難W企及 的大腦的緣故。如果有兩只固定距離和焦距的相機對同一物體同時成像，他們成像的圖像 之間對被測物體同一個測量點，具有唯一的對應關系。運就是雙目視覺測量原理。目前3D電 影基本采用該方法進行拍攝和立體重現。
[0015] 對于雙目視覺來說，由于物體邊緣特征提取及雙目像素匹配算法目前的技術還存 在困難，難W將雙目圖像進行快速準確的匹配，雙目或多目視覺測量還沒有實現大規模應 用，雙目直接測量和圖像識別的產品目前也還沒有見到。
[0016] 發明目的
[0017] 本發明提供了一種四像機組平面陣列特征點Ξ維測量系統及測量方法。W實現利 用多目相機簡單，快速，準確的直接測量物體Ξ維尺寸的目的。
[0018] 為達到所述目的本發明的采用的技術方案和方法是：
[0019] -種四像機組平面陣列特征點Ξ維測量系統，包括至少一組W四臺數碼相機組成 為一組的四像機組；
[0020] 所述的四臺數碼相機組成的一組四像機組W2X2陣列形式設置；
[0021 ]所述的四臺數碼相機包括a相機，b相機，C相機和d相機;該a相機，該b相機，該C相 機和該d相機在同一平面上布置；
[0022] 所述的a相機，b相機，C相機和d相機四臺相機的成像光軸上的焦點點0a、0b、0c、0d 在同一平面上且組成一個矩形形成一個矩形平面;該a相機，該b相機，該C相機和該d相機四 臺相機的成像光軸中屯、線均垂直于該矩形平面；
[0023] 所述的a相機，b相機，C相機和d相機四臺相機的型號完全相同，鏡頭也完全相同；
[0024] 所述的a相機，b相機相對位置為水平設置，所述的C相機，d相機相對位置為水平設 置；
[0025] 所述的a相機，C相機相對位置為垂直設置，所述的b相機，d相機相對位置為垂直設 置。
[0026] 該四臺數碼相機組成的一組四像機組W選定相機的成像光軸上的焦點與相鄰Ξ 臺相機的成像光軸上的焦點點組成一個矩形，形成一個矩形平面的四臺數碼相機組成，且 四相機的成像光軸中屯、線均垂直于該矩形平面。
[0027] 該四像機組 W2X3,2X4,2X5,3X2,3X3,3X4,3X5或4X4陣列形式設置。
[0028] 還包括至少一臺垂直激光器和至少一臺水平激光器;該垂直激光器位于0a、0b連線 的垂直平分線上設置;該水平激光器位于〇3、0。連線的垂直平分線上設置。
[0029] 該四像機組中相機的傳感器類型是2/3" CMOS，像元尺寸是5.5μπι，分辨率是1024 X 2048,鏡頭焦距為25毫米。
[0030] 該四像機組中水平方向相鄰兩相機的距離為m，垂直方向相鄰兩相機的距離為η; 其中m的取值范圍為50-100毫米;η的取值范圍為50-100毫米。
[0031] -種基于如上所述的Ξ維測量系統的測量方法，包括如下具體步驟：
[0032] 步驟一、按照四像機組平面陣列Ξ維視覺測量法建立測量系統；
[0033] 該測量系統主要建立的原則是：最少不低于四臺相同的相機，其光軸平行且焦點 在同一個平面上，焦點能夠組成一個矩形；
[0034] 該矩形的尺寸和相機及鏡頭參數的選擇，主要的考慮因素是測量系統的精度和被 測物的大小；當測量精度要求高時，考慮提高相機的分辨率和增大鏡頭的焦距，同時，需要 保證被測物體能夠同時在四臺相機上有對應的成像點，如果被測物超出成像范圍，還可W 考慮成對增加測量相機，形成測量相機矩陣；
[0035] 步驟二、圖像采集完成后，對相機組圖像特征點進行匹配運算；
[0036] 在雙目立體視覺測量中，立體匹配就是已知其中的一個成像點，在另一幅圖像上 找出該成像點的對應點。極線幾何約束是一種常用的匹配約束技術，我們將測量點與對應 圖像上的成像點Ξ點連接形成一個平面，該平面與兩幅圖像在成像空間的交線，我們稱作 極線，極線的約束條件就是匹配點必然位于極線上。
[0037] 對于極線算法，由于四像機組平面陣列Ξ維視覺測量法相機光軸平行，且焦點是 在同一個平面上的矩形，所W極線就直接簡化為平行于X軸或Y軸的直線;也就是說，被測物 體上的所有在各個像平面上的對應投影點，都在平行于X軸或Y軸的直線上;運樣在做匹配 運算時，直接將每對測量圖像經過按像素點逐點在X軸和Y軸方向平移、疊加、比較，可W將 所有測量物能夠被測到的點進行完全匹配；
[0038] 匹配運算要求在四個相機組圖像中進行匹配運算，將需要計算空間位置的特征點 都尋找出來，如果采用超出四相機的相機陣列進行測量就需要分別在不同的四相機組中進 行不同的匹配運算；
[0039] 步驟Ξ、根據匹配好的特征點像坐標，計算特征點的空間位置坐標；
[0040] 將匹配好的特征點像坐標，代入被測物空間中的任意一個特征點為化的坐標表達 式，計算各特征點的空間位置坐標；
[0041] 按照特征點空間位置計算公式，被測物寬度尺寸可W通過兩對水平相機之間的匹 配特征點進行計算，被測物高度尺寸可W通過兩對垂直相機之間的匹配特征點進行計算， 被測物長度尺寸可W通過兩對水平相機和兩對垂直相機之間的匹配特征點進行計算，W上 尺寸都具有冗余特征，可W在冗余數據上進行比較分析，提高測量精度和準確率；
[0042] 步驟四、根據得到的各個特征點的空間位置坐標，計算被測物的其它需要特別測 量的Ξ維尺寸，形成Ξ維點云數據，建立Ξ維點云圖形，進行Ξ維立體重現。
[0043] 該步驟一中該相機和鏡頭的參數、矩形的長度和寬度尺寸的選擇的具體依據是：
[0044] 當測量距離不變時，被測物體積越大，鏡頭需要的焦距越小；增加測量距離時，可 測量的范圍也相應增大；
[0045] 提高測量分辨率的方法是:提高相機分辨率，減小測量距離，在測量距離不變的條 件下，減小焦距值，加大四相機組光軸中屯、矩陣的尺寸。
[0046] 該步驟Ξ中各個特征點的空間位置坐標運算的公式為：
[0047] Wa相機、b相機、C相機、d相機四臺相機組的焦點Oa、Ob、Oc、Od矩形平面的中屯、點0 為原點，設置被測物空間的Ξ角坐標系，X為水平方向，Y為垂直方向，Z為長度或深度方向； [004引被測物的同一點Pi點空間位置的坐標為Pi (Pix，Ply，Piz)，Pi點空間；維坐標在a相 機、b相機、C相機、d相機四臺相機組的對應成像點為Pla(Plax ,Play)、Plb ( Plbx , Plby )、Plc(Plcx, Plcy)、Pld(Pldx，Pldy)的位置坐標的關系表達式為：
[0057]其中，m為矩形平面OaOb長度，η為OaOc長度，f為四臺相機的焦距。該步驟Ξ中該計 算特征點的空間位置坐標為Ρν的坐標一般表達式為：Ρν(Ρνχ，PNy，Ρνζ)，其中Ν= 1，2，3，4， 5,.......
[0化引
[0059] 其中，設a相機、b相機、c相機、d相機四臺相機的焦點為Oa、O