本發(fā)明屬于視覺測量，特別涉及一種基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量方法、系統(tǒng)和介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)現(xiàn)場各種面型檢測的需求日益增多，以視覺測量為基礎(chǔ)的便攜式3d坐標(biāo)測量技術(shù)得到越來越多地應(yīng)用。手持靶標(biāo)視覺測量系統(tǒng)通常只需要一臺或若干臺雙目攝像機、標(biāo)定板、手持靶標(biāo)和專用測頭，就能完成對大型復(fù)雜零件面型的在位/在線測量，受現(xiàn)場環(huán)境影響小，可靠性高，尤其是對復(fù)雜內(nèi)腔、深長孔等測量有獨特的優(yōu)勢。

2、手持靶標(biāo)是該測量系統(tǒng)中一個重要的測量設(shè)備，不論其以何形式呈現(xiàn)，其構(gòu)成都有以下幾個部分：視覺特征、測頭、連接視覺特征的支撐載體與其他控制調(diào)節(jié)輔助設(shè)備。視覺特征是解決測量弱紋理、不可視等弱特征面型測量的人為構(gòu)造的輔助特征。通過易于捕捉、定位的視覺特征坐標(biāo)與靶標(biāo)上待測測頭坐標(biāo)之間的剛性變換關(guān)系，即可定位于測頭的3d坐標(biāo)。測量時，通過人工進行測頭與待測坐標(biāo)點接觸，進行拍照實現(xiàn)待測點的空間定位。目前，視覺特征按照發(fā)光形式主要以2種方式進行構(gòu)造：被動式與主動式。被動式由玻璃微珠等反光材料構(gòu)成一定形狀，特征本身不發(fā)光，依靠外部光源反射形成。主動式本身即是一種光源，例如led，主動發(fā)光形成特征點。通常，主動式能夠控制特征點亮度與現(xiàn)場測量光場環(huán)境相適應(yīng)，因而得到更廣泛的應(yīng)用。

3、為了能夠精確定位靶面特征點的坐標(biāo)，一方面，使用的“特征點”led需要小，例如貼片式led(smd-led)，這樣像面特征成像區(qū)域就小，便于坐標(biāo)提取。另一方面，特征點不能太小，在低分辨率視覺對比越不明顯，坐標(biāo)提取誤差較大。同時，針孔相機成像是一個透視成像的過程，存在透視畸變誤差，需要根據(jù)特征點尺寸與靶標(biāo)成像位姿進行校正，才能提高像面坐標(biāo)提取精度，算法復(fù)雜。

4、在測量過程中的另一個關(guān)鍵問題就是離焦。一方面，手持靶標(biāo)測量系統(tǒng)測量的通常為大尺寸物體在位在線測量，測量現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，一旦手持靶標(biāo)成像離焦，就難以精確確定特征點的像面坐標(biāo)造成提取誤差嚴(yán)重影響系統(tǒng)精度，因此需要較大景深的視覺成像系統(tǒng)。另一方面，綜合工業(yè)現(xiàn)場測量的實際情況，一般成像系統(tǒng)選用工業(yè)相機配合長焦定焦鏡頭，以滿足高精度高分辨率的測量需求?？紤]焦距光圈的綜合影響，為了得到較大的景深，需要將視覺測量系統(tǒng)的孔徑光闌調(diào)整最小，但此時led特征點成像形狀會受到小孔徑光闌的調(diào)制作用而變形明顯，這嚴(yán)重影響了依靠led特征點圖像形狀提取中心/重心坐標(biāo)的圖像處理精度。例如公開號為cn105678709b的專利申請公開了一種led手持靶標(biāo)光心偏差校正算法，通過分析以led為手持靶標(biāo)空間特征點的成像光心偏差成因，找出手持靶標(biāo)靶面上每個特征點的校正方向，利用雙目立體視覺系統(tǒng)獲取一對靶標(biāo)成像像面，利用基礎(chǔ)矩陣f建立特征點對的對極幾何約束關(guān)系，通過粗提取、降噪聲、粗定位精定位的過程，選擇特征點的最佳校正位置。但該專利申請就存在以上特征點精確提取、大景深離焦成像兩方面的問題，亟須一種新的技術(shù)以克服現(xiàn)有特征點精確提取、離焦成像對測量系統(tǒng)景深的限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量方法、系統(tǒng)和介質(zhì)，靶標(biāo)特征“點”是一種具有相位分布的面型結(jié)構(gòu)陣列，通過分離rgb三通道圖像得到三步相移圖像，結(jié)合設(shè)定的“相-高”模型，實現(xiàn)單一面陣特征的圓/橢圓錐體三維重構(gòu)，由于特征成像是點對點的一一映射關(guān)系，能夠有效避免在雙目攝像機透視成像過程中提取圖像特征集合，同時，相位信息對系統(tǒng)離焦成像影響不敏感，降低小孔徑光闌形狀調(diào)制影響，增大了測量景深，擴展了視覺系統(tǒng)的測量范圍。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量方法，包括以下步驟：

4、步驟一：搭建手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號連接的雙目攝像機1、手持靶標(biāo)2和電腦3；手持靶標(biāo)2的測頭接觸待測位置表面，同時雙目攝像機1對靶面特征進行圖像采集傳輸給電腦3；測量前，先對雙目攝像機1進行標(biāo)定，得到系統(tǒng)內(nèi)參矩陣a1、a2、...、an與外參矩陣[r1|t1]、[r2|t2]、...、[rn-1|tn-1]，其中，n為雙目攝像機1的數(shù)量，外參矩陣[rn-1|tn-1]表示從第n-1個雙目攝像機1到第n個雙目攝像機1的旋轉(zhuǎn)矩陣rn-1與平移矩陣tn-1的剛體變換位置關(guān)系；

5、步驟二：對手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)中的手持靶標(biāo)2進行測頭標(biāo)定，建立靶面特征坐標(biāo)系of與測頭中心坐標(biāo)系op之間的相對位置關(guān)系，所述相對位置關(guān)系用旋轉(zhuǎn)矩陣rfp、平移矩陣tfp表示為：

6、mp＝rfp*mf+tfp

7、其中，mp為測頭中心坐標(biāo)系op下某一點三維坐標(biāo)，mf為測頭中心坐標(biāo)系of下某一點三維坐標(biāo)；

8、步驟三：使用手持靶標(biāo)2對待測表面進行測量，測量時，靶標(biāo)測頭接觸待測位置表面，同時使用雙目攝像機1對靶面特征進行圖像采集，獲取圖像；

9、步驟四：對采集的靶面圖像信息進行特征提取，即對單個面型特征的彩色條紋圖像進行解調(diào)得到相位特征，根據(jù)“相-高模型”構(gòu)造特征區(qū)域的圓/橢圓錐，使用迭代算法精確提取圓/橢圓錐頂?shù)膩喯袼刈鴺?biāo)，根據(jù)陣列中每個圓/橢圓錐頂對應(yīng)的亞像面坐標(biāo)，建立靶面特征坐標(biāo)系of，通過步驟一標(biāo)定的系統(tǒng)內(nèi)參矩陣ai、外參矩陣[ri-1|ti-1]以及步驟二測頭標(biāo)定的旋轉(zhuǎn)矩陣rfp、平移矩陣tfp解算出測頭中心位置的空間坐標(biāo)；

10、步驟五：根據(jù)步驟四的測頭中心位置的空間坐標(biāo)，以及步驟二建立的靶面特征坐標(biāo)系of與測頭中心坐標(biāo)系op之間的相對位置關(guān)系，即可解算出測頭在測量時的空間坐標(biāo)，最終實現(xiàn)待測位置的空間定位。

11、所述步驟四具體為：

12、(4.1)、對采集的靶面圖像，其彩色圖像的特征點沿半徑方向按照從內(nèi)向外的順序依次為：

13、紅色，ir＝a+bcos[2πr(u,v)/t-2π/3]

14、綠色，ig＝a+bcos[2πr(u,v)/t]

15、藍色，ib＝a+bcos[2πr(u,v)/t+2π/3]

16、彩色，irgb＝(ir，ig，ib)

17、其中，ir、ig、ib表示彩色圖irgb的三個通道數(shù)據(jù)，特征點的三個分量的相位相差為2π/3；

18、(4.2)、在彩色圖像中，綠色顯示像素大小為pg(ug,vg)，藍色顯示像素大小為pb(ub,vb)，紅色顯示像素大小為pr(ur,vr)，且有：

19、ur＝ub＝2ug

20、vr＝vb＝vg＝3ug

21、單個彩色像素塊大小prgb(urgb,vrgb)為：

22、urgb＝6ug

23、vrgb＝vr＝vb＝vg＝3ug

24、urgb/vrgb＝2:1

25、設(shè)置單個特征點周期為k，1.5≤k≤3，因此，單個特征點的顯示尺寸m*n為：

26、m＝p*k*urgb

27、n＝p*2k*vrgb；

28、其中，p＞28pixels；p為一個周期條紋寬度像素數(shù)；

29、通過手持靶標(biāo)2的靶面面積和單個特征點的顯示尺寸m*n，計算特征點點陣數(shù)量參數(shù)m*n的區(qū)間范圍；

30、(4.3)、在步驟(4.2)的m*n的區(qū)間范圍內(nèi)，通過雙目攝像機1捕捉彩色光柵特征點，通過rgb三通道信息將彩色圖irgb信息分離，得到三張彩色圖ir、ig、ib；

31、

32、展開相位為：

33、

34、(4.4)基于“相-高”模型，對步驟(4.3)的彩色圖特征點展開相位進行面型重構(gòu)，設(shè)定重構(gòu)面型為圓/橢圓錐，因此設(shè)定的圓錐高度h與特征點物理尺寸半徑r，有如下關(guān)系：

35、h＝r

36、由于“相-高”模型是線性模型，則比例系數(shù)q為：

37、q＝p*urgb/2π

38、其中，p是一個周期條紋寬度像素數(shù)，urgb是彩色像素塊prgb橫向物理尺寸；

39、(4.5)、對重構(gòu)面型進行展開，得到圓/橢圓錐面型；

40、(4.6)由于彩色特征點2π/3相位差之間存在交疊，則特征點錐角的亞像素中心坐標(biāo)通過迭代計算獲得。

41、所述步驟(4.6)迭代計算具體為：

42、(4.6.1)設(shè)定迭代閾值ε；

43、(4.6.2)隨機抽取彩色特征點不低于所占像素數(shù)的50％數(shù)量點坐標(biāo)，擬合圓/橢圓錐面：

44、

45、根據(jù)擬合結(jié)果，計算未抽取到點坐標(biāo)距離所在過圓錐中心軸平面與所在母線之間的平均距離ε'；

46、(4.6.3)判斷ε'與ε大小，若ε'<ε，在未抽到數(shù)據(jù)點中隨機抽取不低于彩色特征點總數(shù)量10％的數(shù)據(jù)點，擬合圓/橢圓錐面，并計算ε'，判斷ε'與ε大?。蝗舫槿?00％數(shù)據(jù)點依然滿足ε'<ε，調(diào)整ε為ε/(2-3)，并從步驟(4.6.1)進行計算；

47、若ε'≥ε，隨機抽取不低于彩色特征點所占像素數(shù)50％的數(shù)量點坐標(biāo)，擬合圓/橢圓錐面，直到抽取到的樣本擬合圓/橢圓錐面的ε'小于ε為止；

48、(4.6.4)根據(jù)最終滿足閾值要求數(shù)據(jù)點確定的圓/橢圓錐面，提取擬合的錐頂角的xoy平面亞像素坐標(biāo)(x1,1，y1,1)；

49、(4.6.5)依次計算靶面所有特征點點陣數(shù)量參數(shù)m*n個彩色特征點錐頂角亞像素坐標(biāo)(xm,n，ym,n)，實現(xiàn)靶面特征點的提取。

50、一種基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，安裝于電腦3中，包括運行上述基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)方法各個步驟的處理指令模塊。

51、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，存儲有基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)方法的計算程序，所述電腦3執(zhí)行該計算程序時候能夠?qū)崿F(xiàn)所述的基于相位特征的手持靶標(biāo)視覺坐標(biāo)方法。

52、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

53、(1)本發(fā)明步驟四基于三頻疊加相位的靶標(biāo)特征點，用雙目攝像機獲取rgb三通道圖像得到三步相移圖像，結(jié)合標(biāo)定的相-高模型，實現(xiàn)單一面陣特征的圓/橢圓錐體三維重構(gòu)，由于特征成像是點對點的一一映射關(guān)系，能夠有效避免在雙目攝像機透視成像過程中提取圖像特征集合，同時，相位信息對系統(tǒng)離焦成像影響不敏感，降低小孔徑光闌形狀調(diào)制影響，增大了測量景深，擴展了視覺系統(tǒng)的測量范圍。

54、(2)本發(fā)明步驟(4.3)基于空間相位展開原理，具有不受限測量物體的運動狀態(tài)，可以實現(xiàn)實時動態(tài)測量；同時對于定焦測量系統(tǒng)中由于景深較小造成的大尺寸物體測量時離焦的情況也能保持測量精度。

55、綜上所述，本發(fā)明針對手持靶標(biāo)測量系統(tǒng)在測量過程中發(fā)光特征點坐標(biāo)精確提取時的瓶頸；提出了面陣靶標(biāo)特征結(jié)構(gòu)及精確提取方法，該方法能夠提高測量效率，降低特征點提取誤差，增大測量視場，解決了成像系統(tǒng)離焦對靶面特征點提取的影響，實現(xiàn)了手持靶標(biāo)系統(tǒng)在線高精度測量。