專利名稱：不基于粘性標(biāo)記的大型三維形體形貌測(cè)量拼接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密測(cè)量方法，特別涉及一種不基于粘性標(biāo)記點(diǎn)的大型物體(形體)形貌測(cè)量的拼接方法。
背景技術(shù)：
形體形貌測(cè)量是指形體表面形貌的測(cè)量，是現(xiàn)代逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、管理及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，也是一項(xiàng)先進(jìn)的產(chǎn)品檢測(cè)手段，在先進(jìn)制造領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用背景，已引起人們的高度重視。
傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形體形貌測(cè)量主要有兩大類方案直接利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)和間接利用CMM測(cè)量原理。前者直接應(yīng)用CMM，將被測(cè)物體放在CMM上，用CMM測(cè)頭對(duì)物體進(jìn)行采樣，得到物體的形貌數(shù)據(jù)，但因?yàn)镃MM直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)形式的限制，效率非常低，測(cè)量一個(gè)較大的物體通常需要幾天甚至十幾天時(shí)間，并且不能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；后者間接利用CMM原理，將標(biāo)準(zhǔn)的CMM用運(yùn)動(dòng)形式靈活(包含旋轉(zhuǎn)自由度)，低成本的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)代替，配合高精度的激光掃描裝置(相當(dāng)于CMM測(cè)頭)，測(cè)量時(shí)，形體置于工作臺(tái)上，工作臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)或激光掃描裝置繞工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物體多個(gè)側(cè)面快速掃描測(cè)量。較之直接利用CMM，后者速度快，成本低，特別適合于體積不大，對(duì)精度要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。
現(xiàn)今發(fā)展了一種新型的便攜式測(cè)量方法，采用拼接技術(shù)，將大的被測(cè)形貌劃分成多個(gè)小區(qū)域，單個(gè)區(qū)域采用非接觸光學(xué)測(cè)頭測(cè)量，然后將所有區(qū)域的測(cè)量結(jié)果拼接在一起(統(tǒng)一在一個(gè)全局坐標(biāo)系中)，形成完整的形貌。為實(shí)現(xiàn)整體拼接，目前常用做法是在被測(cè)物體表面粘貼很多標(biāo)記點(diǎn)(即粘性標(biāo)記點(diǎn))，每個(gè)區(qū)域內(nèi)至少包含三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，所有標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)采用全局測(cè)量技術(shù)(如經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字近景測(cè)量)測(cè)量得到，根據(jù)所有標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)，將每個(gè)區(qū)域內(nèi)(局部坐標(biāo)系)的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)整體拼接。
上述方法有明顯的局限性1)對(duì)于大型物體貌測(cè)量，必須設(shè)置很多標(biāo)記點(diǎn)，非常繁瑣，且隨著標(biāo)記點(diǎn)數(shù)目增加，自動(dòng)識(shí)別的錯(cuò)誤增加；2)大量標(biāo)記點(diǎn)必須粘貼在被測(cè)物體表面，破壞了被測(cè)形貌自身特征，影響測(cè)量的真實(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種無需在被測(cè)物體表面粘貼多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的大型三維形體形貌測(cè)量拼接方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的不基于粘性標(biāo)記的大型三維形體形貌測(cè)量拼接方法，通過測(cè)頭控制點(diǎn)將測(cè)頭在每個(gè)局部位置的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)局部到整體的拼接，拼接方法包括以下步步驟a在測(cè)量空間內(nèi)放置標(biāo)記有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的一基準(zhǔn)尺，兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間距離即為基準(zhǔn)距離；b采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)從多個(gè)不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標(biāo)記點(diǎn)和基準(zhǔn)尺的圖像，得到所有全局控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系OgXgYgZg下的三維坐標(biāo)值和空間相互關(guān)系；c測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體形貌的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量某個(gè)區(qū)域時(shí)，數(shù)碼相機(jī)同時(shí)拍攝一幅包含測(cè)頭控制點(diǎn)和至少3個(gè)全局控制點(diǎn)的圖像；d通過攝像機(jī)坐標(biāo)系的過渡作用，得到測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間關(guān)系，進(jìn)而得到測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系OmXmYmZm和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；e對(duì)于每個(gè)區(qū)域，將測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系中，完成單個(gè)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(一)本發(fā)明不需在被測(cè)物體表面粘貼多個(gè)(或大量)標(biāo)記點(diǎn)，不影響被測(cè)形貌自身特征，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；(二)本發(fā)明的拼接方法且操作簡(jiǎn)潔、效率高；(三)由于不需在在被測(cè)物體表面上粘貼很多標(biāo)記點(diǎn)，減速少了自動(dòng)識(shí)別的錯(cuò)誤。


圖1是全局控制點(diǎn)和測(cè)頭控制點(diǎn)示意圖；圖2是測(cè)量數(shù)據(jù)拼接示意圖；圖3是區(qū)域測(cè)量示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的拼接方法詳細(xì)說明。
本發(fā)明不采用粘性標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)被測(cè)形貌自身特征沒有影響、測(cè)量速度快、效率高。由若干控制標(biāo)記點(diǎn)(包含測(cè)頭控制點(diǎn)和全局控制點(diǎn))、基準(zhǔn)尺以及高精度數(shù)碼相機(jī)組成。采用測(cè)頭控制點(diǎn)和全局控制點(diǎn)技術(shù)，在測(cè)頭上設(shè)置3個(gè)(或3個(gè)以上)固定控制點(diǎn)(固定在測(cè)頭上，和測(cè)頭之間的空間關(guān)系固定)，稱為測(cè)頭控制點(diǎn)，由三個(gè)測(cè)頭控制點(diǎn)定義一個(gè)測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc，測(cè)頭控制坐標(biāo)系和測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系OmXmYmZm之間的關(guān)系通過標(biāo)定技術(shù)預(yù)先得到。在測(cè)量空間內(nèi)設(shè)置4個(gè)以上全局控制點(diǎn)，它們的空間坐標(biāo)和相互位置采用近景攝影測(cè)量原理，結(jié)合基準(zhǔn)尺，由數(shù)碼相機(jī)測(cè)量得到。
如圖1所示，在被測(cè)物體空間內(nèi)設(shè)置四個(gè)以上固定的全局控制點(diǎn)G1，G2，…Gn，控制點(diǎn)可以采用標(biāo)準(zhǔn)圓球的球心定位，在測(cè)頭上設(shè)置3個(gè)以上的測(cè)頭控制點(diǎn)L1，L2，L3，…。選取全局控制點(diǎn)G1，G2，…Gn，中任意不在一條直線上的3個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)全局坐標(biāo)系OgXgYgZg，同樣選取測(cè)頭控制點(diǎn)L1，L2，L3…中任意不在一條直線上的3個(gè)點(diǎn)定義一個(gè)測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc，測(cè)量之前采用精密標(biāo)定技術(shù)，建立測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系OmXmYmZm和測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc之間的變換關(guān)系。
測(cè)量時(shí)，首先，在測(cè)量空間內(nèi)放置一基準(zhǔn)尺(包含兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)之間距離固定，即為基準(zhǔn)距離)，采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)從多個(gè)不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標(biāo)記點(diǎn)和基準(zhǔn)尺的圖像，由攝影測(cè)量原理，可以得到所有全局控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系OgXgYgZg下的三維坐標(biāo)值和空間相互關(guān)系；其次，測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體形貌的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量某個(gè)區(qū)域時(shí)，數(shù)碼相機(jī)同時(shí)拍攝一幅包含測(cè)頭控制點(diǎn)和至少3個(gè)全局控制點(diǎn)的圖像，如圖二所示，因測(cè)頭控制點(diǎn)之間關(guān)系是固定已知的，而且全局控制點(diǎn)之間的空間關(guān)系也已經(jīng)得到(上一個(gè)步驟得到)，由這些約束條件，可以同時(shí)解得測(cè)頭控制點(diǎn)和圖像中出現(xiàn)的全局控制點(diǎn)(3個(gè)以上)在攝像機(jī)(數(shù)碼相機(jī))坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；再次，因測(cè)頭控制點(diǎn)和3個(gè)以上全局控制點(diǎn)在攝像機(jī)(數(shù)碼相機(jī))坐標(biāo)系中的坐標(biāo)已知，通過攝像機(jī)坐標(biāo)系的過渡作用，可以得到測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間關(guān)系，進(jìn)而得到測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系OmXmYmZm和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；最后，對(duì)于每個(gè)區(qū)域，因測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系之間關(guān)系已經(jīng)得到，可以將測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系中，完成單個(gè)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
下面以光學(xué)非接觸測(cè)頭測(cè)量大型物體形貌為例說明具體的實(shí)施方式如圖2所示，在被測(cè)空間內(nèi)放置4個(gè)以上全局控制點(diǎn)，全局點(diǎn)數(shù)量的多少可根據(jù)實(shí)際要求(被測(cè)物體大小)決定，全局控制點(diǎn)采用精密圓球的球心定位。光學(xué)測(cè)頭上固定3個(gè)(或多個(gè))測(cè)頭控制點(diǎn)，測(cè)頭控制點(diǎn)采用精密圓球的球心或平面圓的圓心定位。測(cè)頭上控制點(diǎn)在測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)預(yù)先標(biāo)定得到。
測(cè)量時(shí)，首先，用數(shù)碼相機(jī)從多角度拍攝包含所有全局控制點(diǎn)的圖像，得到全局控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系OgXgYgZg中的空間坐標(biāo)值；其次，光學(xué)測(cè)頭逐個(gè)測(cè)量被測(cè)物體的每個(gè)區(qū)域，在測(cè)量每個(gè)區(qū)域Si時(shí)，如圖3，用數(shù)碼相機(jī)同時(shí)拍攝當(dāng)前位置下包含所有測(cè)頭控制點(diǎn)和三個(gè)以上全局控制點(diǎn)的圖像；再次，由全局控制點(diǎn)和測(cè)頭控制點(diǎn)已知的空間關(guān)系，可解算出當(dāng)前位置下，全局控制點(diǎn)和測(cè)頭控制點(diǎn)在數(shù)碼相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，通過這些坐標(biāo)值，可以建立測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，將當(dāng)前被測(cè)區(qū)域S的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系中；最后，用光學(xué)測(cè)頭依次測(cè)量被測(cè)物體的每個(gè)區(qū)域，重復(fù)上述步驟，可以將所有被測(cè)區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系中去，實(shí)現(xiàn)大型物體形貌的整體拼接。
權(quán)利要求
1.一種不基于粘性標(biāo)記的大型三維形體形貌測(cè)量拼接方法，其特征是，通過測(cè)頭控制點(diǎn)將測(cè)頭在每個(gè)局部位置的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)局部到整體的拼接，拼接方法包括以下步步驟a在測(cè)量空間內(nèi)放置標(biāo)記有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的一基準(zhǔn)尺，兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間距離即為基準(zhǔn)距離；b采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)從多個(gè)不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標(biāo)記點(diǎn)和基準(zhǔn)尺的圖像，得到所有全局控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系OgXgYgZg下的三維坐標(biāo)值和空間相互關(guān)系；c測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體形貌的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量某個(gè)區(qū)域時(shí)，數(shù)碼相機(jī)同時(shí)拍攝一幅包含測(cè)頭控制點(diǎn)和至少3個(gè)全局控制點(diǎn)的圖像；d通過攝像機(jī)坐標(biāo)系的過渡作用，得到測(cè)頭控制坐標(biāo)系OcXcYcZc和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間關(guān)系，進(jìn)而得到測(cè)頭測(cè)量坐標(biāo)系OmZmYmZm和全局坐標(biāo)系OgXgYgZg之間的變換關(guān)系；e對(duì)于每個(gè)區(qū)域，將測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系中，完成單個(gè)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)到整體的拼接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種不基于粘性標(biāo)記的大型三維形體形貌測(cè)量拼接方法，通過測(cè)頭控制點(diǎn)將測(cè)頭在每個(gè)局部位置的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)局部到整體的拼接，拼接方法包括在測(cè)量空間內(nèi)放置標(biāo)記有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的一基準(zhǔn)尺；采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)從多個(gè)不同角度，以不同的姿態(tài)拍攝包含全局標(biāo)記點(diǎn)和基準(zhǔn)尺的圖像；同時(shí)拍攝一幅包含測(cè)頭控制點(diǎn)和至少3個(gè)全局控制點(diǎn)的圖像；對(duì)于每個(gè)區(qū)域，將測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系中等步驟，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系中，完成單個(gè)區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)到整體的拼接。本發(fā)明不需在被測(cè)物體表面粘貼多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，不影響被測(cè)形貌自身特征，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，操作簡(jiǎn)潔、效率高。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1605830SQ20041007270
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者邾繼貴, 吳斌, 劉常杰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)