基于双线阵相机的全视角高精度三维测量系统

熊群芳，陶青川，叶重阳

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

基于双线阵相机的全视角高精度三维测量系统

熊群芳，陶青川，叶重阳

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

提出一种基于双线阵相机的全视角高精度三维测量系统，实现对空间大尺寸物体三维测量。首先，通过两台高速线阵相机结合高精度单轴回转平台、高速图像采集卡对空间物体扫描成像，然后利用空间前方交会原理以及空间三维测量系统定向解算出空间物体的实际空间三维坐标。该三维测量系统的优点是不必提前对线阵相机进行内参标定，且自动化程度高，测量速度快。实验结果表明，该三维测量系统精度高，可以广泛地运用到大尺寸空间测量领域，具有良好的实用价值。

双线阵相机；三维测量系统；高精度

0 引言

随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起以及科学技术和航天工业[1-2]的发展,非接触式空间三维测量系统在视觉测量领域中占有越来越重要的地位。近几年，以经纬仪作为传感器，用两台或两台以上经纬仪配合计算机及相应的硬件、软件所组成的空间坐标测量系统在工程测量以及计量学中得到广泛的应用[3-4]。经纬仪系统虽是非接触式的，但在测量的过程中必须通过专用测量孔或粘贴瞄准靶标来指示目标，基准孔的制造误差对建立坐标系所带来的误差影响很大。基于非接触式面阵相机的大尺寸测量系统[5]，由于不需要逐点测量，实时性好，大大提高了测量效率，但由于面阵相机图像分辨率受限，需要移动设备进行多位置测量，不能快速完成全尺寸测量。

针对传统经纬仪自动化程度低、测量精度低、面阵相机图像分辨率受限等不足，本文提出一种基于双目线阵相机的全视角高精度三维测量系统，采用交会测量原理，结合高分辨率线阵相机、高精度回转平台、图像靶标提取等设备和方法，构建了一个自动化程度高、测量速度快的全视角三维测量系统，可一次性实现空间物体大量特征点的三维坐标测量。

1 测量系统基本原理

1.1 空间前方交会原理

测量系统用两台相同的CMOS线阵相机以及高精度回转平台构成全视角高精度采集仪，采用空间前方交会原理[6]。如图1所示，A、B两台采集仪，以A中线阵相机的光心为坐标原点，A、B连线在水平方向的投影为X轴,过A的铅锤方向为Z轴，以右手法则确定Y轴，以此构成测量坐标系。其中，A、B互瞄以及分别从A、B观测目标P的观测值(水平方向和竖直方向的旋转角度)分别为：αAB、βAB、αBA、βBA、αAP、βAP、αBP、βBP，A、B两台采集仪扫描目标P的水平旋转角度和竖直旋转角度满足下式：

(1)

式(1)中，α为采集仪扫描目标P在水平面的水平旋转角度。α0为扫描靶标时的起始角度，由两个高精度回转平台给定，为已知值。Δα为图像中一个像素对应的旋转角度，由回转平台给定，为已知值。Δb为像元尺寸。VP包括VAP、VBP，为目标P在A、B相机成像的竖直方向的像素坐标，通过靶标提取算法可以得到。β为采集仪测量装置扫描目标P在垂直面的竖直旋转角度。V0包括V0A、V0B，分别为采集仪测量装置中线阵相机A和B的主点。f包括fA、fB，为采集仪测量装置A和B中线阵相机的焦距。

令水平旋转角αA、αB为：

(2)

则P点的三维坐标为：

(3)

将式(1)带入式(3)中的Z坐标方程时，可以得到：

(4)

式中，b为基线长(即两仪器A、B的水平间距)，h为两全视角高精度采集仪器的高差，且有：

(5)

由式(3)、(4)可知，建立了被测点的空间坐标系，此时只需求出式中未知参数基线b、h、αAB、αBA、V0A、fA、V0B、fB，即可得到P的空间坐标。

1.2 图像采集

线阵相机每次成像仅为一列像素，要完成图像采集，需移动相机或者移动待成像物体。将相机安装在水平放置的回转平台上，通过转台的旋转，完成对物体的成像。线阵相机设置为外触发模式，由转台提供触发脉冲，转台每转动一定的角度就发送一个触发脉冲，相机就在对应位置采集一列像素，那么图像的每一列都对应一个转台角度，这样就把图像像素坐标与空间实际角度对应起来了。在左右相机扫描获得的图像中，通过靶标提取算法，获取目标P的靶标中心，这两个中心的图像坐标VAP、VBP为目标P在不同相机里的成像位置，以该位置信息结合转台转动的角度信息计算光轴与两台相机光心连线的夹角，即水平角αAP、αBP，由式(1)可以求出该水平角。靶标中心的纵坐标与相机主点、焦距和像元尺寸联合可求得靶标中心的垂直角度βAP、βBP，由于线阵相机的主点和焦距为未知参数，所以垂直角度βAP、βBP为未知参数。

1.3 空间三维测量系统定向原理

由上述空间交会原理中式(3)、(4)可知，每个坐标都与定向参数αAB、βAB、αBA以及b有关，这些参数的精度直接影响特征点的空间坐标的精度，因此，准确测定这4个参数至关重要，这就是通常讲的定向测量[7]。定向是指确定测站间的相互位置和方向，包括相对定向和绝对定向，相对定向指的是确定测站间的相互方位，绝对定向是指确定测站间的相互位置。

1.3.1 相对定向

相对定向是用来确定起始方向，在本文中，全视角高精度采集仪A和B在同时观测目标P时，由于在采集仪A和B上外贴标志进行互瞄时，得到的αAB、βAB、αBA、βBA角度值不准确，所以将这4个参数定为未知参数，在测量平差中一同解算。

1.3.2 绝对定向

由1.2节可知，全视角采集仪只能得到水平角度αAP、αBP和P点的像素坐标VP(VAP、VBP)的值，无法进行距离的测量，绝对定向实际上就是给出三维测量系统的尺度基准——确定基线b的值，由于测距仪无法达到高的精度，若用激光干涉仪，虽具有高的测量精度，但在三维测量中很难实现，所以，在三维测量系统中，通常用采集仪对某一基准进行观测来反算采集仪之间的基线长。由已知任意两个靶标的中心点距离d来确定基线的原理如图2所示。

首先，A、B采集仪来完成相对定向，A、B互瞄时，有未知参数αAB、βAB、αBA、βBA，然后A、B分别对任意两个靶标的中心点进行观测，得到已知值αAPi、βAPi、αBPi、βBPi(i=1,2)。令：

(6)

依前方交会原理式(3)、(4)可得P1、P2两点的空间坐标：

(7)

两靶标中心点的距离：

(8)

首先，由于未提前对线阵相机A进行内参标定，所以此时V0A、fA为未知参数。由式(7)、(8)可知：在已知d、αAP、αBP、VP(VPi为VAP)的情况下，该方程有αAB、αBA、b、V0A、fA5个未知参数。在该方程中，由于式(8)为非线性方程组，则需在方程个数大于等于5的情况下，由牛顿迭代法把以上5个未知数求出。其次，由于未提前对线阵相机B进行内参标定，所以此时V0B、fB为未知参数。由式(7)、(8)可知：在已知d、αAP、αBP、VP(VPi为VBP)的情况下，该方程有αAB、αBA、b、h、V0B、fB6个未知参数。在该方程中，则需在方程个数大于等于6的情况下，由牛顿迭代法把6个未知参数求出。最后，将上面两次得到的αAB、αBA、b两两相加，取平均值，可以得到高精度的αAB，αBA，b。当基线b以及采集仪A和B的高度差h确定时，由式(5)可以求出βAB、βBA。此时,所有未知参数b、h、αAB、βAB、αBA、βBA、V0A、fA、V0B、fB确定完毕,测量坐标系也就建立起来了,即可以进行三维测量。

2 测量系统装置构建与测量流程

2.1 测量系统装置

基于视觉测量技术的水平全视角高精度三维测量系统根据摄影测量原理，在测量场内布置2台全视角高精度数据采集仪，采集仪由两台相同的CMOS线阵相机以及高精度转台组成，测量系统装置示意图如图3所示。

2.2 测量总体流程

(1)使用两套测量装置，测量装置连接安装完毕，软硬件已经通过联调；

(2)布置测量场，在测量场周围安放足够的靶标；

(3)将两套测量装置布放在测量场中央，并使它们具有一定距离，调节转台，确定转台零度角位置；

(4)设定相机的工作参数(采样频率、曝光时间等)、转台的工作参数(转速、触发脉冲的频率等)；

(5)启动相机和转台进行水平全视角扫描并实时使用图像采集卡采集图像数据；

(6)对获取的图像进行靶标提取，得到靶标像素；

(7)利用靶标中心，结合转台，求解靶标中心对应的水平角度；

(8)由第1节求解三维坐标信息并平差优化。

3 测量系统实验测试

3.1 仿真数据

在该仿真试验中，假设被测大尺寸物体为一个平面，已知平面上有9个靶标，以采集仪A中线阵相机光心为空间坐标系原点，其各靶标的中心点空间坐标如下表1所示。

在已知各靶标中心点的空间坐标时，可以计算得到任意两个靶标中心点的空间距离d，在本文中，假设转台A的起始角度α0A=800，转台B的起始角度α0B=400，Δb=7.04μm，αAB=1800，βAB=0.477 5°，αBA=00，βBA=89.522 5，b=6mm，h=50 mm，V0A=4 096，fA=60 mm，V0B=4 096，fB=60 mm。当全视角高精度数据采集仪A、B从两个不同视角扫描同一个靶标时，其仿真模型装置如图3所示，在已知各靶标中心点的空间坐标以及b、h、αAB、βAB、αBA、βBA、V0A、fA、V0B、fB的值时，由靶标中心点的空间三角函数关系式以及式(2)、(3)，可以快速地求出靶标面上9个靶标中心点的αAP、βAP、αBP、βBP的角度以及像素坐标值VPA、VPB。

在全视角高精度三维测量系统中，全视角高精度采集仪A和B采集到的数据中，在已知d、αAP、βAP、VPA的情况下，由式(7)、(8)可以求出采集仪A的未知参数αAB、βAB、b、V0A、fA。同理，在已知d、αBP、βBP、VPB的情况下，可以求出采集仪B的未知参数αAB、βAB、b、h、V0B、fB，由式(5)求出βAB、βBA。所求参数的值如表2所示。

3.2 真实数据

全视角高精度三维测量系统中，采用TELEDYNE DALSA公司的Piranha4 8K Camera (P4-CC-08K050-00-R)线阵相机，主要参数如表3所示。

被测靶标平面中靶标的实际排列位置如图4(a)所示。其三维测量扫描装置如图4(b)所示。

图4中，转台A的起始角度α0A=800，转台B的起始角度α0B=400,每列像素对应的旋转角度Δα=0.007 50,由表3可知，像元尺寸Δb=7.04 μm。在已知靶标中心点像素坐标的条件下，由式(1)计算两个测量装置扫描靶标时采集一次图像的旋转水平角度αAP、αBP，接下来由人为直接测量P1～P16中任意两个靶标的实际距离d，将测量装置扫描靶标时采集一次图像的旋转水平角度αAP、αBP以及d带入式(7)、(8)，可以求出采集仪A的未知参数αAB、βAB、b、V0A、fA，以及采集仪B的未知参数αAB、βAB、b、h、V0B、fB。求出未知参数如表4所示。

将表4中求出的参数带入式(7)中，以采集仪A中线阵相机光心为空间坐标系原点，用表5中的坐标算出P1～P16中部分任意两个靶标的实际距离d，如表5所示。

4 结论

本文基于全视角高精度三维测量系统在测量过程中采用两台测量装置进行测量，采用以扫描速度等于其旋转速度的方式进行图像的采集，从而保证了后续计算靶标中心空间坐标的精度。本文不仅解决了电子经纬仪测量精度不高、自动程度低以及面阵相机图像分辨率受限等问题，同时解决了传统基于计算机视觉测量技术的三维测量系统不能实现全视角(水平360°)测量的问题，实现了水平全视角图像采集的不失真。同时采用非接触式测量，测量范围大、精度高，具有良好的实用价值。

[1] 黄桂平,钦桂勤,卢成静.数字近景摄影大尺寸三坐标测量系统V-STARS的测试与应用[J].宇航计测技术,2009,29(2):5-9.

[2] 李广云.工业测量系统最新进展及应用[J].测绘工程,2001,10(2):36-40.

[3] 戴相龙.三维非接触式测量中编码标志的研究与应用[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[4] 黄桂平.数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用[D].天津:天津大学，2005.

[5] 张旭苹，汪家其，张益昕，等. 大尺度三维几何尺寸立体视觉测量系统实现[J].光学学报，2012，32(3):140-147.

[6] 赵立,王佩贤,张贵豪. 基于T3000电子经纬仪的工业测量系统及其精度分析[C]. 第二届中国卫星导航学术年会CSNC，2011.

[7] 张益昕.基于计算机视觉的大尺度三维几何尺寸测量方法及应用[D].南京：南京大学,2011.

A whole perspective of high precision 3-D measuring system based on dual linear-CCD

Xiong Qunfang,Tao Qingchuan,Ye Chongyang

(College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to realize 3-D measurement of large space objects, a whole perspective of high precision 3-D measuring system based on dual linear-CCD is put forward in this paper. Firstly, using two high-speed line scan cameras combined with high-precision single shaft rotary platform and high-speed image acquisition card to scan the space objects to obtain the line image. Then, according to the principle of intersection measurement, a mathematic model of measurement system is established, based on a recursive least squares method to obtain the 3-D coordinates of the space target. The advantages of the proposed system in this paper is that it can simplify the complexity of the 3-D measurement system because it does not need to calibrate the line-scan cameras and it has a high degree of automation, the measurement speed is fast. The experimental results show that the 3-D measurement method is efficient, practical and high in accuracy which can be widely used in the industrial large scale coordinate measurement field.

dual linear-CCD；3-D measuring system；high precision

TN911.73；TN247

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.014

熊群芳，陶青川，叶重阳.基于双线阵相机的全视角高精度三维测量系统[J].微型机与应用，2017,36(5)：42-45，49.

2016-12-05)

熊群芳(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：计算机应用与图像处理。

陶青川(1972-)，男，硕士生导师，副教授，主要研究方向：模式识别与智能系统。

叶重阳(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：计算机应用与图像处理。