双目视觉测量系统结构参数理论与试验研究

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1、第30卷第2期机械设计Vol．30No．22013年2月JOURNALOFMACHINEDESIGNFeb．2013*双目视觉测量系统结构参数理论与试验研究赵萍，李永奎，田素博，谷纪魁，刘光林(沈阳农业大学工程学院，辽宁沈阳110866)摘要:建立了对称式双目立体视觉测量系统的数学模型，从理论上系统、详尽地分析了系统结构参数———两摄像机之间的距离(基线距离2b)及两摄像机光轴之间的夹角(光轴夹角2α)对测量精度的影响，并得出了影响趋势。在此基础上，搭建了双目视觉系统并进行试验，试验结果与理论定性分析结果是一致的，且当光轴夹角2α＜20°时，测量误差急剧增加，2α＞45°时，测量误差趋于

2、平缓。综合考虑测量误差、测量范围及系统结构紧凑性等因素，设计双目视觉系统时，建议光轴夹角在20°～45°，基线距离在300～500mm。关键词:双目视觉;视觉测量;结构参数;测量误差;逆向工程中图分类号:TP391．4;TP212．9文献标识码:A文章编号:1001－2354(2013)02－0064－05逆向工程作为消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术，已成为先进设计制造领域研1理论分析究的热点，具有良好的应用前景和应用价值。而数字化测量是其初始条件也是关键技术及步骤，其中，基于1．1双目视觉传感器数学模型视觉的测量方法是较为成熟的方法之一，双目视觉测双目视觉系统成像模型

3、如图1所示，C1和C2分别量技术是视觉测量法中的一个重要分支，以测量原理表示两摄像机镜头光心所在位置，C1O和C2O分别为清晰、设备简单、操作灵活及成本低、非破坏性等优点两摄像机的光轴，两摄像机之间的距离(基线距离)为被广泛应用于工业检测、物体识别、工件定位、机器人2b，光轴夹角为2α，焦距相等且都为f。将世界坐标系［1－2］自动导航、地理信息测量和航天等多个领域。国Ow－XwYwZw的原点Ow设在左摄像机的光心C1处，内、外学者也进行了大量的研究工作，但大多数集中在OwZw轴与左摄像机光轴C1O重合，OwYw轴垂直向上，［3－7］［8－9］左右摄像机的图像坐标系O－xy和O－xy分别在

4、摄像机标定，立体匹配，对系统结构参数的研111222究相对较少。文献［1］对双目视觉系统结构参数进行各自像平面上，原点在像平面中点。M为交汇视场内任了研究，给出了光轴夹角应选择在30°～60°之间的结一被测点，其在两摄像机像平面上的像点分别为论，但其没给出测量误差与结构参数的具体关系;文献m1(x1，y1)和m2(x2，y2)，m1和m2像点对2台摄像机［10］给出了光轴夹角应选择在50°～80°之间的结论，镜头光心的水平视场角分别为β1和β2，垂直视场角分但其以固定点为目标进行坐标测量误差分析时，没有别为γ1和γ2，由图中的几何关系、正弦定理及成像原理，可得M点的坐标为:考虑参数变化时

5、带来的有效视场变化，稍具片面性;文2bcos(α+β2)sinβ1献［11］也做了相关研究，得出光轴正交时平均综合误ìXw=ïsin(2α+β1+β2)差最小的结论，但其在仿真分析时基线距离在4000～ï2bcos(α+β2)tanγ1íYw=(1)7000mm范围内，与实际应用不符。考虑到双目视觉sin(2α+β1+β2)ï系统结构参数不但对测量范围有影响，而且对测量精ï2bcos(α+β2)cosβ1îZw=sin(2α+β1+β2)度也有影响，文中研究在保证有效视场的情况下，从理x1论和试验两方面分析、研究了双目视觉测量系统结构式中:β1=－arctan;f参数对测量精度的影响，为

6、双目立体视觉系统的设计x2β2=arctan;及搭建提供参考和指导。f*收稿日期:2012－01－12;修订日期:2012－08－27基金项目:国家自然科学基金资助项目(31101076);辽宁省博士启动基金资助项目(20111081);沈阳农业大学青年基金资助项目(20071026)作者简介:赵萍(1976—)，女，内蒙古乌兰察布人，副教授，博士，主要从事机器视觉及逆向工程方面的研究。2013年2月赵萍，等:双目视觉测量系统结构参数理论与试验研究65y1cosβ1定后，综合测量误差取决于系统的结构参数b和α。γ1=arctan。f1．3测量误差与系统结构参数的关系由式(1)及式(5)求

7、得双目视觉结构参数误差传递系数为:2cos(α+β2)φb=sin(2α+β1+β2)cosγ1{2b［cos(α+β2)cos(2α+β1+β2)+cos(α+β1)］φα=2sin(2α+β1+β2)cosγ1(6)分析式(6)可得结构参数的误差传递规律及结论:(1)两摄像机基线距离2b的误差对双目视觉系统整图1双目视觉成像模型体测量误差的影响取决于光轴夹角及被测点的视场角;1．2双目视觉三维坐标测量误差分析(2)光轴夹角2α的