光学法多维参数测量中的虚拟定位方法.pdf

                              具体实施方式

本发明中，根据二维视觉传感器的测量原理，给出其成像公式。该公式为物空间Yg
-Zg平面坐标映射到像平面Xi-Yi坐标的数学表达式：

对于图1中所示线结构光模型，如果在物空间Yg-Zg平面上假想一个三角形Δabc，
则经公式计算在像平面Xi-Yi上虚拟出一个对应的三角形Δa′b′c′。虚拟定位技术正是
利用此原理在面阵CCD的像平面上虚拟出二维视觉传感器对应的调整参照物-正四面体在
空间中的理想位置(理想三角形)，并将此理想三角形在计算机屏幕上画出且让其固定保
持不动。

本发明中理想三角形Δabc的实现是通过对正四面体三条被照棱进行测量与计算得到
的。空心正四面体每条被照棱的测量是在三坐标测量机上进行的，如：要得到棱AB的方
程，首先要测出交成棱AB的平面S与平面T的方程，测量时在平面S上取任意n点，在
三坐标测量机上测出其坐标值，用最小二乘法拟合出平面S的方程，同样方法可得到平面
T的方程。然后两个方程联立求出棱AB的方程。在得到三条被照棱的方程后，取棱AB上
某一点b(通常可取距顶点A往下20-30mm处的点)，然后计算出过b点且垂直于棱AB的
平面abc方程，通过此虚拟平面abc与另外两个被照棱的方程可求出交点a与c的坐标。
因为棱AB代表汽车被测棱，而对被测棱的测量通常是沿其法向方向。

这时候得到的a、b、c三点坐标是三坐标测量机主坐标系下的坐标，有了这三点坐标，
可以算出ab、bc、ca三边的长度。实际中我们把理想三角形的顶点b放在物空间Yg-Zg
坐标系的Zg坐标轴上，把底边ac放在Yg坐标轴上，这样摆放的理想三角形是关于Zg坐
标轴轴对称的。然后通过公式计算出a，b，c三点在像平面Xi-Yi坐标系中的a′、b′、
c′对应点坐标，这样就可以在计算机屏幕上画出理想三角形了。

本发明中实际三角形Δ1mn的实现是对激光带与被照棱的交线进行图像处理与坐标转
换得到的。交线成‘V’字形，如图4中的粗实线所示。对每一个被照棱上的交线像，我
们可以先求出‘V’字形交线左右两条直线的方程，再求出交点。这样可以得到像面上三
点l′m′n′
从上到下依次存储，所以可以建立图像坐标系为左上角为坐标原点，向右为X正方向，向
下为Y正方向。实际图像处理中，对于每一个激光打出的‘V’字形光条，通过软件方法
沿X方向从左往右逐点得到光条在Y方向上最亮点的中心，由此得出光条沿X方向各中心
最亮点的坐标，再用最小二乘法拟合出左右直线的方程，再求交点得到像面上三点l′m
′n′

通过图像采集卡进行图像采集，图像采集卡的采集速度不应小于40毫秒一帧，因此，
每采集完一帧经处理后，并在屏幕上画出实际三角形的时间大约是200毫秒，当二维视觉
传感器的移动不是很快的时候，屏幕上的实际三角形的变化也是连续的，因此定位过程是
实时的。

本发明中双三角形对准方案的实施方式是：在得到理想三角形与实际三角形后，观察
计算机屏幕上的图形，不断调整二维视觉传感器的方位和坐标，使实际三角形与理想三角
形重合对准。为了便于对准和提高对准精度，我们采用了对称画法(或称倍频法)，即在
原三角形的基础上绘制一个对称三角形，从而与原三角形共同组成一个四边形，如图5所
不。

本发明中评定双三角形对准精度的原则是：在调整过程中，当图5中的直线mn与直
线bc没有重合时，要进一步调整，直到两条直线之间沿垂直于直线coa方向的各点距离
的平方和为最小时，我们则认为直线mn与直线bc重合。重合时，由于环境变化及图像采
集的不稳定性所造成的随机误差显示在计算机的屏幕上，由该显示可知图像不重合误差，
以决定是否进一步调整。该方法可将调整精度控制在0.01mm之内。