针对单目光笔式三维测量系统测量范围小、无法实现全空间测量的问题,提出了一种基于精密旋转台的全空间光笔式单目视觉测量方法。将相机固定在精密旋转台上,在不同的角度对标定板进行拍摄,获取不同角度下相机光心在标定板坐标系下的位置。通过主成分分析(PCA)平面拟合获得相机光心所在平面和相机旋转运动的转轴方向矢量,使用空间最小二乘圆拟合获得相机旋转轴的位置。借助精密转台读数和罗德里格斯公式将转台的旋转角度变换为相机的旋转矩阵和平移向量。利用计算出来的变换矩阵将旋转一定角度后不同位置相机的测量数据转换到同一转台坐标系中,实现全空间测量。实验结果表明,在使用相同光笔的测量系统中,本文方法在基本达到传统单目光笔测量系统测量精度的前提下,可实现360°全空间测量,极大地拓展了单目光笔的应用范围。

为克服测量端的几何约束条件,需对现有的光笔系统布置多个测量光点,这会导致测量终端结构复杂,不利于光笔系统应用于测量空间受限的场合。针对这一问题,将光场成像方法引入到光笔式测量系统中,利用光场成像原理获取光笔上光点的极平面图像(EPI),并采用旋转平行四边形算子(SPO)计算EPI中斜线的斜率,从而估计出发光点的深度信息,排除了PNP(perspective-n-points)算法的错误解,得到被测点的准确三维坐标。最后通过实验对所提方法进行了验证。所提方法仅需单目光场相机,并结合三点式光笔即可完成三维坐标值的测量,极大地简化了光笔测量系统。

针对现有三点式光笔测量系统采用透视三点(P3P)算法求解出现多解的问题,提出一种基于光场成像的三点式光笔多解排除算法。对光场相机中心子孔径进行高精度内参标定;通过光场相机采集图像,运用P3P算法获得提取的中心子孔径图像中两组光笔激光点的摄像机坐标;利用高斯成像公式计算两组解的深度值,将区域窗口光场重聚焦到两组深度平面。选取合适的清晰度评价方法对两幅图像的清晰度进行比较,获得最终的光笔位姿矩阵,解算笔尖的三维坐标。选用精密三坐标平移台移动距离作为比对基准,实验结果表明:本实验测量系统与三坐标平移台在X、Y、Z方向的最大位置差值分别为0.35,0.40,0.54 mm,该结果与运用四点重投影选取正解的结果相同,证明了所提出的方法的有效性和准确性。

为了对机械加工部件进行高精度、大尺寸、三维立体空间的现场实时测量, 建立了光笔式单目视觉测量系统。对该系统中的新型光笔工艺、算法转换模型、摄像机焦距的优化、光笔笔尖位置的标定进行了研究。首先提出了一种利用光刻工艺设计制作的新型光笔, 其次, 基于近景摄影测量学中的单像空间后方交会原理, 建立了一种新的光笔坐标系与摄像机坐标系之间的转换模型, 通过最小二乘平差法循环迭代求解最优的单像空间外方位元素, 从而确定了转换模型基本参数。最后, 分析了摄像机焦距对光笔式单目视觉测量系统结果的影响, 并提出了一种确定相对准确焦距和光笔测头在光笔坐标系下的位置的方法。实验结果表明: 摄像机坐标系下x轴、y轴、z轴方向的稳定性误差分别为0.042、0.048、0.066 mm; 测量最大误差为0.173 mm,较大程度上满足了光笔式单目测量系统稳定性强和精度高的要求。

为了提高光笔式三坐标视觉测量的正确性和有效性, 对六点透视问题的理论渊源、数学模型及其数学模型的正确性和有效性进行了研究。以视觉测量的经典理论——“N点透视问题”的原理为依据, 建立了光笔式三坐标视觉测量的通用数学模型。在充分分析和研究该通用数学模型解的性态的基础上, 得出了光笔式三坐标视觉测量中的六点透视问题具有唯一解, 而且可线性求解的结论, 建立了六点透视问题的数学模型, 并开发出对应该数学模型的实验测量系统, 在三坐标测量机上进行了比对测量实验。比对测量结果表明: 在300mm 测量范围内, 六点透视问题实验测量系统和三坐标测量机在X、Y、Z轴方向上的测量数据最大差值分别为0.06mm、0.07mm和0.09mm。六点透视问题的数学模型能基本满足现场测量精度的要求。

考虑光笔式视觉测量系统的测量精度与测头中心位置的准确性相关, 本文提出一种基于系统测量模型的测头中心自标定方法。该方法利用每幅光笔图像上的控制点信息, 根据位置不变原理建立目标优化函数; 利用非线性方程组最小二乘解的广义逆法对目标函数进行优化求解, 获得测头中心在光笔坐标系下的位置。最后, 借助参考标准锥完成标定, 并结合平均思想改善收敛稳定性和速度来实验验证本方法的实用性。实验结果显示, 测头中心坐标x、y、z轴的稳定性可分别达到0.033 mm, 0.030 mm和0.043 mm,且具有满意的收敛速度。另外, 对测量工件圆孔直径与参考值进行比较表明：测头中心标定后, 系统的测量精度可满足中等精度的工业测量要求。

为了提高光笔式三坐标视觉测量的正确性和有效性, 对其多点透视模型进行了研究。以经典的“N点透视问题”理论为依据, 将世界坐标系的原点巧妙地构建在光笔笔尖处, 使坐标测量变为传统的摄像机外部参数标定问题, 采用坐标变换方法, 建立了光笔式三坐标视觉测量系统的多点透视数学模型, 得出光笔上点光源的个数应大于等于3。结合光笔参数的自标定, 采用十点透视模型, 开发出光笔式三坐标视觉测量实验系统, 在三坐标测量机上进行了比对测量实验。比对测量结果表明: 在300mm 测量范围内, 实验测量系统和三坐标测量机在x、y、z轴方向上的测量数据最大差值分别为0.13、0.14和0.2mm。

基于双目立体视觉的系统模型,设计了一种新型的光笔, 提出了基于该光笔的匹配算法。由于光笔在测量时可以出现任何姿态, 必须对两摄像机像面上所成图像中的8个发光点进行匹配, 才能代入摄像机模型计算出8个发光点在左摄像机坐标系下的三维坐标, 通过建立8个共面发光点所在的平面坐标系与左摄像机坐标系的线性关系求得测头中心的三维坐标。实验结果表明, 系统在5 m范围内的空间长度测量精度达到0.159 mm ,基本满足大尺寸工件的现场检测需求。

介绍了一种光笔式便携三坐标视觉测量系统，提出了被测特征点像面坐标的提取方法。依据数字图像处理理论并结合测量系统中被测特征点的成像特点，给出了图像预处理过程及实际处理结果；采用基于灰度质心法的径向截面扫描法对图像边缘进行亚像素级检测；应用平面内任意位置椭圆的最小二乘曲线拟合法对椭圆形光斑中心的像面坐标进行了提取，实验结果表明该方法的提取精度为0.1个像素。