四像机组平面阵列特征点三维测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种四像机组平面阵列特征点Ξ维测量系统及测量方法，属于光学电 子测量技术产品和方法的技术领域;具体说属于采用数字相机组对被测物的Ξ维特征点坐 标通过图像处理的方式进行位置和尺寸测量并计算出被视物体特征点Ξ维位置坐标点云 数据的方法的技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前快速准确的计算出被视物体特征点的Ξ维位置坐标点云数据进而实现被视 物体全部外观尺寸的Ξ维立体快速精确测量的Ξ维测量采用的方式和存在的问题如下所 述：
[000引一、单点视觉测量法
[0004] 我们可W将各类非接触长度测量传感器视为单点视觉;典型的如激光测距传感器 W及叠加高速扫描功能的激光扫描仪。
[0005] 依靠单点高速扫描，单点视觉可W做成Ξ维立体视觉系统，但该类系统的缺点是 对测量物整体不能快速全面的把握其形貌特征，动态测量时，对于快速移动物体产生变形， 容易产生测量死角；同时，Ξ维点云数据处理速度和算法有待进一步的加强。
[0006] 二、平面视觉测量法
[0007] 平面视觉主要采用各类相机进行二维成像。目前，各类照相机、摄像机、视频监控 等得到广泛应用。二维图像在线测量，广泛用于印刷和包装线质量检测，产品质量外观检测 等各类特定对象的流水线检测。
[000引通过二维成像可对视场范围内的物体进行一次性成像，通过边缘和分类算法对物 体进行检测和智能化处理。其最大的问题是难W根据平面图像直接计算出物体的物理尺 寸，对于Ξ维检测，如果只进行独立的图像分析，只能进行平面外观轮廓的定性分析。
[0009] Ξ、Ξ维视觉测量
[0010] 目前，能够真正实现Ξ维数据直接采集的设备还没有出现，所谓的Ξ维视觉都是 由一维和二维视觉的相关设备和技术组合而成;Ξ维视觉及测量技术主要包括W下几种：
[0011] ①.光截图技术及线激光测量
[0012] 光截图技术及线激光测量是将Ξ维测量通过激光平面的建立，变为二维问题进行 解决。由一个线激光发生器产生一个激光平面，通过与该平面成一定角度布置的数字摄像 机成像后，对图像进行二值化处理，得到被测物体与该激光线交线的图像，该激光平面与二 维图像像素之间具有唯一的对应关系，通过标定可实现该物体激光切线的精确测量。目前 线激光测距仪可对激光线上各点距离的直接测量，基本都采用此方法。
[001引②.双目或多目视觉现慢技术
[0014]人眼之所W能够快速判断被视物体的远近和大小，是由于人类拥有固定间距同时 可动态调焦调角度的两只眼睛，同时还拥有一个运算速度目前最快速的计算机都难W企及 的大脑的缘故。如果有两只固定距离和焦距的相机对同一物体同时成像，他们成像的图像 之间对被测物体同一个测量点，具有唯一的对应关系。运就是双目视觉测量原理。目前3D电 影基本采用该方法进行拍摄和立体重现。
[0015] 对于双目视觉来说，由于物体边缘特征提取及双目像素匹配算法目前的技术还存 在困难，难W将双目图像进行快速准确的匹配，双目或多目视觉测量还没有实现大规模应 用，双目直接测量和图像识别的产品目前也还没有见到。
[0016] 发明目的
[0017] 本发明提供了一种四像机组平面阵列特征点Ξ维测量系统及测量方法。W实现利 用多目相机简单，快速，准确的直接测量物体Ξ维尺寸的目的。
[0018] 为达到所述目的本发明的采用的技术方案和方法是：
[0019] -种四像机组平面阵列特征点Ξ维测量系统，包括至少一组W四台数码相机组成 为一组的四像机组；
[0020] 所述的四台数码相机组成的一组四像机组W2X2阵列形式设置；
[0021 ]所述的四台数码相机包括a相机，b相机，C相机和d相机;该a相机，该b相机，该C相 机和该d相机在同一平面上布置；
[0022] 所述的a相机，b相机，C相机和d相机四台相机的成像光轴上的焦点点0a、0b、0c、0d 在同一平面上且组成一个矩形形成一个矩形平面;该a相机，该b相机，该C相机和该d相机四 台相机的成像光轴中屯、线均垂直于该矩形平面；
[0023] 所述的a相机，b相机，C相机和d相机四台相机的型号完全相同，镜头也完全相同；
[0024] 所述的a相机，b相机相对位置为水平设置，所述的C相机，d相机相对位置为水平设 置；
[0025] 所述的a相机，C相机相对位置为垂直设置，所述的b相机，d相机相对位置为垂直设 置。
[0026] 该四台数码相机组成的一组四像机组W选定相机的成像光轴上的焦点与相邻Ξ 台相机的成像光轴上的焦点点组成一个矩形，形成一个矩形平面的四台数码相机组成，且 四相机的成像光轴中屯、线均垂直于该矩形平面。
[0027] 该四像机组 W2X3,2X4,2X5,3X2,3X3,3X4,3X5或4X4阵列形式设置。
[0028] 还包括至少一台垂直激光器和至少一台水平激光器;该垂直激光器位于0a、0b连线 的垂直平分线上设置;该水平激光器位于〇3、0。连线的垂直平分线上设置。
[0029] 该四像机组中相机的传感器类型是2/3" CMOS，像元尺寸是5.5μπι，分辨率是1024 X 2048,镜头焦距为25毫米。
[0030] 该四像机组中水平方向相邻两相机的距离为m，垂直方向相邻两相机的距离为η; 其中m的取值范围为50-100毫米;η的取值范围为50-100毫米。
[0031] -种基于如上所述的Ξ维测量系统的测量方法，包括如下具体步骤：
[0032] 步骤一、按照四像机组平面阵列Ξ维视觉测量法建立测量系统；
[0033] 该测量系统主要建立的原则是：最少不低于四台相同的相机，其光轴平行且焦点 在同一个平面上，焦点能够组成一个矩形；
[0034] 该矩形的尺寸和相机及镜头参数的选择，主要的考虑因素是测量系统的精度和被 测物的大小；当测量精度要求高时，考虑提高相机的分辨率和增大镜头的焦距，同时，需要 保证被测物体能够同时在四台相机上有对应的成像点，如果被测物超出成像范围，还可W 考虑成对增加测量相机，形成测量相机矩阵；
[0035] 步骤二、图像采集完成后，对相机组图像特征点进行匹配运算；
[0036] 在双目立体视觉测量中，立体匹配就是已知其中的一个成像点，在另一幅图像上 找出该成像点的对应点。极线几何约束是一种常用的匹配约束技术，我们将测量点与对应 图像上的成像点Ξ点连接形成一个平面，该平面与两幅图像在成像空间的交线，我们称作 极线，极线的约束条件就是匹配点必然位于极线上。
[0037] 对于极线算法，由于四像机组平面阵列Ξ维视觉测量法相机光轴平行，且焦点是 在同一个平面上的矩形，所W极线就直接简化为平行于X轴或Y轴的直线;也就是说，被测物 体上的所有在各个像平面上的对应投影点，都在平行于X轴或Y轴的直线上;运样在做匹配 运算时，直接将每对测量图像经过按像素点逐点在X轴和Y轴方向平移、叠加、比较，可W将 所有测量物能够被测到的点进行完全匹配；
[0038] 匹配运算要求在四个相机组图像中进行匹配运算，将需要计算空间位置的特征点 都寻找出来，如果采用超出四相机的相机阵列进行测量就需要分别在不同的四相机组中进 行不同的匹配运算；
[0039] 步骤Ξ、根据匹配好的特征点像坐标，计算特征点的空间位置坐标；
[0040] 将匹配好的特征点像坐标，代入被测物空间中的任意一个特征点为化的坐标表达 式，计算各特征点的空间位置坐标；
[0041] 按照特征点空间位置计算公式，被测物宽度尺寸可W通过两对水平相机之间的匹 配特征点进行计算，被测物高度尺寸可W通过两对垂直相机之间的匹配特征点进行计算， 被测物长度尺寸可W通过两对水平相机和两对垂直相机之间的匹配特征点进行计算，W上 尺寸都具有冗余特征，可W在冗余数据上进行比较分析，提高测量精度和准确率；
[0042] 步骤四、根据得到的各个特征点的空间位置坐标，计算被测物的其它需要特别测 量的Ξ维尺寸，形成Ξ维点云数据，建立Ξ维点云图形，进行Ξ维立体重现。
[0043] 该步骤一中该相机和镜头的参数、矩形的长度和宽度尺寸的选择的具体依据是：
[0044] 当测量距离不变时，被测物体积越大，镜头需要的焦距越小；增加测量距离时，可 测量的范围也相应增大；
[0045] 提高测量分辨率的方法是:提高相机分辨率，减小测量距离，在测量距离不变的条 件下，减小焦距值，加大四相机组光轴中屯、矩阵的尺寸。
[0046] 该步骤Ξ中各个特征点的空间位置坐标运算的公式为：
[0047] Wa相机、b相机、C相机、d相机四台相机组的焦点Oa、Ob、Oc、Od矩形平面的中屯、点0 为原点，设置被测物空间的Ξ角坐标系，X为水平方向，Y为垂直方向，Z为长度或深度方向； [004引被测物的同一点Pi点空间位置的坐标为Pi (Pix，Ply，Piz)，Pi点空间；维坐标在a相 机、b相机、C相机、d相机四台相机组的对应成像点为Pla(Plax ,Play)、Plb ( Plbx , Plby )、Plc(Plcx, Plcy)、Pld(Pldx，Pldy)的位置坐标的关系表达式为：
[0057]其中，m为矩形平面OaOb长度，η为OaOc长度，f为四台相机的焦距。该步骤Ξ中该计 算特征点的空间位置坐标为Ρν的坐标一般表达式为：Ρν(Ρνχ，PNy，Ρνζ)，其中Ν= 1，2，3，4， 5,.......
[0化引
[0059] 其中，设a相机、b相机、c相机、d相机四台相机的焦点为Oa、O