针对上述问题，满足现场测量需求的便携式三坐标测量系统及方法应运而生，并成为测量领域的研究热点之一。以单目或双目视觉测量技术为基础，结合三坐标测量机的工作模式，一种手持光笔式三坐标测量机应运而生。光笔式三坐标测量系统具有如下特点：测量功能强大光笔式三坐标测量能实时动态地给出测量范围以内三维空间任意被测点的三维坐标，是一个功能完整的三维坐标测量系统。......
2023-11-24
光笔式三坐标测量系统中的关键技术
【摘要】：光笔式三坐标测量系统采用CCD摄像机拍摄光笔图像，通过提取光笔上光源控制点图像坐标实现测量，采用的是一种非接触传感的测量方法。因此，光笔是这种测量系统中的关键部件，其物理参数、结构参数和材料及点光源的成像质量都对测量系统的功能和精度起着重要作用。自动跟踪与识别受环境因素与噪声的影响，因此寻求鲁棒性好的自动跟踪与识别技术是光笔式三坐标测量的关键技术之一。
光笔式三坐标测量系统采用CCD摄像机拍摄光笔图像，通过提取光笔上光源控制点图像坐标实现测量，采用的是一种非接触传感的测量方法。因此，光笔是这种测量系统中的关键部件，其物理参数、结构参数和材料及点光源的成像质量都对测量系统的功能和精度起着重要作用。
（1）光笔硬件设计
光笔主要由笔体、嵌入笔体内的点光源、可装卸式笔尖触发测头和点光源的电源组成。
光笔作为测量系统的手持测量工具，为了保证测量精度并减小测量系统受外界环境变化的影响，需要选择确定合适的光笔制作材料。碳素纤维的膨胀系数远小于钢的膨胀系数，而且质地比较坚硬、重量轻，因此是比较理想的光笔材料。另外，还需确定合理的形状结构，要保证光笔上控制点的共线性和共面性及平行性等特征。
摄像机通过拍摄光笔上点光源图像完成测量，则点光源图像质量直接影响测量精度，因此要求点光源光强稳定、均匀。发光二极管（LED）具有体积小、功耗低、亮度高、稳定性好、使用寿命长等优点，因此可根据摄像机CCD器件的光谱响应范围选择合适的发光二极管作为光笔的点光源。(www.chuimin.cn)
（2）控制点图像特征精确提取
点光源中心是特征信息，其图像中心提取精度也决定了测量精度，因此点光源图像中心的精确提取算法是系统的关键技术之一。作为被测目标控制点的发光二极管是圆形的点光源，但它并不是理想点，而是有一定大小的圆形光斑，经过透视投影变换在CCD摄像机像平面上的像为椭圆形光斑。由射影几何可知，圆孔中心与其图像的中心并不是准确的对应点，存在一定的偏差，即畸变误差，这将对给测量结果引入误差。采用透视投影变换和空间解析几何理论，建立点光源在像平面上的图像中心坐标模型，再利用透视投影变换建立特征点中心的实际像点坐标模型，即可求出畸变误差的数学模型，从而精确地提取点光源图像坐标。
（3）光笔轮廓自动跟踪与光斑图像自动识别
为提高测量过程的自动化程度，对光笔轮廓自动跟踪与光斑图像自动识别是非常必要的。自动跟踪与识别受环境因素与噪声的影响，因此寻求鲁棒性好的自动跟踪与识别技术是光笔式三坐标测量的关键技术之一。
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