[发明专利]一种基于EIV模型的手持靶标测头标定方法

说明书

本发明公开了一种基于EIV模型的手持靶标测头标定方法，该方法首先详细分析了，以球面方程作为测头标定约束条件时产生病态问题的原因，并通过构造空间近似正交向量以消除病态方程和获得较小的条件数系数矩阵；然后，通过建立EIV模型，将测头标定问题转化为EIV问题；最后，利用TLS方法，使用SVD分解，得到该EIV问题的TLS解。该方法过程简单方便，可以实时在线进行测头中心位置标定，近似正交的手持靶标位姿可以有效的避免基于球面方程约束中的病态问题，测头中心定位精度高，不需要过多的靶标位姿，标定效率高，解决了在双目视觉测量系统中手持靶标，测头在线高精度快速标定的问题。

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种在双目视觉测量系统中用于手持靶标测头标定的优化方法。

背景技术

随着各种异形工件内腔外形检测需求的增多，以视觉测量为基础的便携式3D坐标测量技术得到越来越多的应用。立体视觉测量系统通常只需要两台摄像机、标定板、手持靶标和专用测头，就能完成对大型复杂型腔零件的在位/在线测量，受现场环境影响小，可靠性高、尤其是对复杂内腔、深长孔等测量有独特的优势。

在双目视觉测量系统中，手持靶标作为系统中一个重要的辅助测量工具，将其表面特征点空间3D坐标和测头空间3D坐标紧密联系在一起。在测量目标工件的关键位置和形状尺寸时，首先，将手持靶标的测头与待测物体表面接触，通过标定的摄像机捕捉手持靶标靶面特征点，完成特征点的3D空间坐标还原；然后，利用预先建立的靶标坐标系实现从靶面特征点的3D空间坐标到测头中心坐标转换；最后，通过测头的半径补偿，得到与测头接触的待测物体表面3D空间坐标，从而实现待测物体表面点的定位。从上述测量过程可以看出，建立一个精确的靶标坐标系是得到精确的待测点空间坐标的保证，而靶标坐标系的建立过程中的最重要环节，就是靶标测头标定。一方面，对于固定式手持靶标，在系统运输和测量的过程中存在震动和磨损，一旦测头位置精度低于设计精度就需要重新标定；另一方面对于可更换式手持靶标，需要一种快速鲁棒标定方法以适应在位/在线标定要求。所以，在视觉测量系统中，手持靶标测头标定是一个值得研究的重要问题。

目前，就检索到的文献而言，绝大多数测头标定是在单目系统中实现的，而且往往和自标定技术结合在一起。与在双目系统中测头标定不同，单目系统测头标定主要是解决靶面特征点的N点透视问题和相机参数优化的标定问题。其每次进行靶标测头标定必然需要进行相机的内外参数的标定，为了得到较高的标定精度，需要至少100个、甚至更多手持靶标的位姿，这就大大降低了测头的标定效率。而在双目系统中，测头标定主要解决靶面的特征点和测头中心在空间中的精确定位问题。一般来说，靶面的特征点都是人工主动布置能自主发光(如LED)或者能够反光的(用回光反射材料设计的)点和形状，他们在相机的视场内有着较高的亮度易于捕捉和提取，而靶标测头则是针尖形或标准球，相对于特征点来说测头不发光也不反光，不能依靠其成像提取针尖或者球心，所以确定他们的空间坐标只有依靠建立他们之间的空间约束关系来间接确定，这种约束就是通常讲的球面约束。一般情况下，实现这种约束需要标定块，即一个可以牢固固定的基块上附加一个锥形槽，使得测头稳定接触槽壁旋转以后，测头中心不再移动，而靶面的特征点，在以测头中心为圆心的球面上，形成各自的球面轨迹。通过在双目视觉系统中，确定这些点在空间坐标，利用球面约束就可以求得球心的坐标，即可建立手持靶标坐标系，完成测头的标定过程。

而然在利用球面约束实现测头标定的过程中，往往会遇到以下问题：

首先，将所列的球面方程组(三元二次过定方程组)在半径误差平方最小意义下用最小二乘(LS)方法拟合，就需要较多的点(点个数N50)，每一个点都需要单独定位，这就大大降低了标定效率，这对于在线/在位测量来说是需要解决的问题；另一方面，由于单个点存在测量误差和噪声影响，如果某个单点误差较大，在整体测量点数较少的情况下，会对测头中心位置造成较大的影响。