CN101726257A - 多目大范围激光扫描测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目大范围激光扫描测量方法，使用多目摄像机沿扫描线方向排列共同对一个光刀进行分段成像，通过增加摄像机数目，来增加摄像机总体视场范围，从而达到提高扫描效率的目的。摄像机视场增加的同时，相应地加长激光投射线长度，以使激光扫描的光刀长度满足多目摄像机的视场需要。本发明方法可以在不降低测量精度的基础上，成倍地增加激光扫描的效率。

Description

多目大范围激光扫描测量方法

技术领域

本发明涉及激光扫描测量三维轮廓尺寸的方法，特别涉及一种利用多目大范围激光扫描测量轮廓尺寸的方法。

背景技术

随着极端制造技术的深入发展，极端条件下的测量技术也应运而生。在大型及超大型机械装备的制造、装配及检测过程中，其几何尺寸和形位误差的测量是保证整套设备质量的关键因素。目前，诸如飞机机身、轮船船体、火车车箱等大尺寸几何量测量主要还是以坐标测量技术为主。在这种测量条件下，合理有效的终端测量方法与装置是系统的关键所在。

目前所采用的测量终端其主要形式有点触发式、光栅投影式和激光扫描式等。相对于长度为几米甚至几十米的大尺寸及超大尺寸的被测工件来说，其相对精度要求较高，但绝对精度要求并不太高，因而测量效率则显得十分重要。点触发式由于每次只测一个点，虽然其精度较高，但效率太低；光栅投影式效率相对较高，但由于是远距离光学成像，受测量环境影响，其测量精度较低，而且在实践中难以应用；激光扫描方式种类较多，目前有点扫描式、单光刀扫描式、平行多光刀扫描式和十字光刀扫描式。激光扫描所采用的测量原理一般是光学三角测量原理，即通过出射点、投影点和成像三者之间的几何关系来确定被测工件轮廓表面上各点相对于测量终端的终端坐标信息，再根据测量终端相对于全局测量空间的位置及姿态来获取被测工件轮廓上各点相对于全局测量空间的位置信息。

点扫描方式中激光投射光束为线光束，投射到工件轮廓上时形成为一个点，此点在摄像机上成像也只能成一个点，即每次采样只能测一个点，显然效率太低。单光刀扫描式中激光投射光束为平面光束，在工件上投射形成一条直线或曲线，在摄像机上成像也是一条线，故称之为线扫描，由于每次成像为一条线，故其测量效率比点扫描式大大提高。设每条线上采点个数为N，则其采样效率比点触发和点扫描式提高了N倍，但受摄像机视场范围影响，扫描光刀的投射线被摄像机成像的范围是有限的，即使光刀再长，也只能使用光刀的局部小段进行成像。为了有效利用摄像机的视场，可采用多个光刀平行扫描，或是十字交叉光刀扫描。前者是利用一组激光器投射平行光束到被测工件上面，形成多个光刀同时成像同时测量。从原理上讲，每幅测量图像中由于存在多条激光信息，因此每幅图像可以处理出多个位置的截面轮廓信息，以此达到高速测量的效果。但由于其光刀之间的间隔距离很小，不同光刀的准确识别在一定的条件下存在不确定性，其分段扫描的效率并不能提高到光刀个数的倍数。十字交叉光刀其扫过宽度与单光刀相同，就其测量效率来说，与单光刀是一样的。

发明内容

本发明在深入研究激光扫描测量技术的基础上，结合大尺寸及超大尺寸测量中被测工件一般尺寸很大且表面曲率较大的特点，提出了一种多目组合大范围激光扫描测量的方法，可以在不降低测量精度的基础上，成倍地增加激光扫描的效率。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种多目大范围激光扫描测量方法，包括下述步骤：

(1)采用一种测量终端，包括框架，在该框架上一侧设置有一激光光刀投射器，用于向工件投射平面光束，并在工件上形成长投射线；在该框架上另一侧设置多目数字摄像机，沿长投射线方向等距排列，用于对投射线分段成像；在该框架中腹设置有实时图像处理与通讯控制中心，用于对多目数字摄像机的成像信息进行实时处理，以得到工件轮廓在投射线上的点云相对于测量终端的坐标信息，并与全局计算机之间进行操作同步及信息互传；在框架上面四周设有多个手持模式定位与姿态监测装置，在框架下面，设有与坐标机连接的机载模式固定螺纹；

(2)终端扫描测量标定和终端位置姿态标定，其中，在机载模式下，终端的位置T(X_T，Y_T，Z_T)及姿态R(α，β，γ)标定由三坐标测量机获取；在手持模式下，终端上的定位与姿态监测装置仅仅做为上位机的靶标使用，其位置与姿态信息由上位机给出；终端扫描测量标定，则使用虚拟网格映射法标定；

(3)测量工件表面光刀线上任意点P相对于测量终端的坐标。

设摄像机的镜头中心为A点，摄像机图像传感器位置在C点，激光投射器在B点，AB直线的中垂线为OD，垂直工件表面，使激光光束与摄像机光轴的交点位于中垂线OD上，因此，以测量终端为基准建立的坐标系其X轴为DB方向，Z轴为DO方向，Y轴则为多目数字摄像机的排列方向，设AB长度为c，激光束和光轴与AB的夹角皆为β，工件表面与激光光束的交点为P，而P点在图像传感器上的成像点为P’，P’距图像传感器上的光轴中心点O’点的位移为s，并且镜头的焦距为f，由此可得P点相对于测量终端的坐标位置P_C(X_C，Y_C，Z_C)，其值为：

$X_C=c\·(\frac{\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}-0.5)$

$Z_C=c\·\frac{\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其中：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\β}-{\tan }^{-1}\left(\frac{s}{f}\right)$

设光刀线的上点P成像于第i(i＝0，1，2，3，……)个摄像机图像传感器上，其像点P’距离摄像机光轴距离为v，则P点相对于测量终端的Y向坐标为：

$Y_C=\frac{\mathrm{ib}}{4}+\frac{\mathrm{vcSin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\sqrt{f^2+v^2}\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

(4)测量工件表面光刀线上任意点P在全局测量空间中的坐标。设此P点在全局测量空间中的坐标为P_G(X_G，Y_G，Z_G)，其在终端坐标系中的坐标为P_C(X_C，Y_C，Z_C)，并且测量终端在全局测量空间中的坐标为T(X_T，Y_T，Z_T)，姿态角为R(α，β，γ)，则P点在全局测量空间中的坐标可以用其在终端中的坐标经旋转和平移得到，即P_G可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_G\\ Y_G\\ Z_G\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+T=\left[\begin{array}{ccc}{r}_0& r_1& r_2\\ r_3& r_4& r_5\\ r_6& r_7& r_8\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right]$

其中R是旋转矩阵，它是姿态角(α，β，γ)的三角函数组合，T是平移向量，是终端坐标系原点在全局坐标系中的位置，两个数据信息都由三坐标测量机给出。

上述方案中，所述虚拟网格映射法是将测量终端固连于三坐标自动测量机上，终端的激光光刀投射到一个标准平面上，另外再利用一个辅助光刀与终端光刀相交，驱动三坐标测量在不同的X、Y、Z位置上使终端光刀与辅助光刀相交，则两光刀的相交点构成一个平面网格。

所述多目数字摄像机，曝光时间同步触发，根据预期达到扫描宽度b，设图像传感器的像敏区域宽度为w，长度为kw，k为长宽比例系数一般约为4/3，镜头焦距为f，则其应满足关系式：

$\frac{w}{f}=\frac{\mathrm{bCos}\left(\mathrm{\β}\right)}{2c}$

设宽度方向上像元数量为N，则在长度方向像元数量为kN，由此可计算出理论分辨率为：

${\mathrm{\Δ}}_z=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_x=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_y=\frac{\mathrm{wc}}{2\mathrm{NfCos}\left(\mathrm{\β}\right)}.$

所述多目数字摄像机采用了固定光圈及电子快门而调节激光光刀亮度的方法来保证成像的曝光量和成像质量。

所述激光光刀通过实时图像处理与通讯控制中心根据所获得的图像的灰度变化，对激光投射的激光束强度进行适当调节。

本发明使用多目摄像机沿扫描线方向排列共同对一个光刀进行成像，通过增加摄像机数目，来增加摄像机总体视场范围，从而达到提高扫描效率的目的。摄像机视场增加的同时，相应地加长激光投射线长度，以使激光扫描的光刀长度满足多目摄像机的视场需要。

由于本发明的扫描光刀长度增加，激光扫描的视场增大，采用多目摄像机对激光光刀进行分段成像。由于多目摄像机中每个摄像机对激光光刀的成像是独立的，其精度与单目摄像机测量是相同的，此外，每个摄像机的视场也并没有变小，扫描速度也没有降低，因此，与单摄像机扫描方式相比，其效率得到了成倍提高，对于提高大尺寸尤其是超大尺寸三维轮廓测量的效率，具有重要意义。

大尺寸设备如飞机、轮船等，其外形相对简单，形状变化比较缓慢，因此激光束投射到轮廓上时形成的光刀曲线的曲率较大并且曲率变化较慢，这就意味着使用较长的光刀扫描线并利用多目摄像机进行分段测量是可行的，不会形成视觉盲区。

本发明可应用于机载模式和手持模式。在机载模式下，可通过终端上的固定螺纹将终端安装在坐标测量机上，一般情况下终端与计算机距离较近，可将多目摄像机的视频信号直接接入计算机进行处理。在手持模式下，一般终端与计算机主机距离较远，视频图像的传输失真严重，再加上手持模式下其运动不平稳，视频成像的许多缺点不能通过获取运动速度来得到补偿，因此，视频信号必须在终端上进行实时处理。处理后的点云数据流量可以大大减少，此时可通过无线通讯将点云数据上传到上位计算机。在手持模式下，被测工件上点云数据的坐标是相对终端的，而终端的位置与姿态相对于全局测量空间是变化的，因此，必须确定终端在全局测量空间中的坐标与姿态，才可以通过坐标转换将点云数据变为全局测量空间坐标的点云数据。坐标转换需要终端上配置全局空间定位系统来确定，其方法是用跟踪设备扫描终端上的定位与姿态监测装置来确定。

附图说明

图1为本发明测量终端结构示意图。

图2为本发明测量终端光学三角测量原理图。

图3为本发明测量终端多目摄像机视场分割示意图。

具体实施方式

1.测量终端组成。

如图1所示，多目大范围激光扫描测量终端主要由五部分组成：激光光刀投射器5、多目高精度数字摄像机1、实时图像处理与通讯控制中心3、手持模式定位与姿态监测装置6、机载模式固定螺纹7，以及终端框架组成。

激光光刀投射器5的功能是向工件投射一平面光束4，在工件上形成的投射线8很长，扫描宽度很宽。四目(四个)数字摄像机1沿投射线8方向等距排列，对投射线分段成像，以保证投射线的宽度得到充分利用，从而提高测量效率。实时图像处理与通讯控制中心3对四目数字摄像机1的成像信息进行实时处理，以得到工件轮廓在投射线8上的点云相对于测量终端的坐标信息，并与全局计算机之间进行操作同步及信息互传。测量终端相对于全局测量空间的位置及姿态有两种获取方式：机载模式和手持模式，在机载模式下，靠终端框架上的固定螺纹7与坐标机的机械固连来获取，在手持模式下，则通过3个定位与姿态监测装置6来获取。

2.测量原理

本发明的基本测量原理是光学三角测量原理。测量的目的是获取工件表面上各点相对于全局测量空间的坐标，由于测量终端的全局空间坐标及姿态可由定位系统获取，因此，只要测量出工件表面光刀线上各点相对于测量终端的坐标即可。

如图2所示，设摄像机1的镜头中心为A点，图像传感器位置在C点，激光投射器5在B点。在扫描时，希望终端工作面与工件表面尽量平行以防碰撞，因此，应使AB直线的中垂线OD尽量垂直工件表面。设计时，使激光光束与摄像机光轴的交点位于中垂线OD上，因此，以测量终端为基准建立的坐标系其X轴为DB方向，Z轴为DO方向，Y轴则为多目数字摄像机的排列方向，原点为D点。设AB长度为c，激光束和光轴与AB的夹角皆为β，工件表面与激光光束的交点为P，而P点在图像传感器CCD上的成像点为P’，P’距图像传感器上的光轴中心点O’点的位移为s，并且镜头的焦距为f，由此可得P点相对于测量终端的坐标位置P_C(X_C，Y_C，Z_C)，其值为：

$X_C=c\·(\frac{\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}-0.5)$

$Z_C=c\·\frac{\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其中：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\β}-{\tan }^{-1}\left(\frac{s}{f}\right)$

设光刀线的上点P成像于第i(i＝0，1，2，3，……)个摄像机图像传感器上，其像点P’距离摄像机光轴距离为v，则P点相对于测量终端的Y向坐标为：

$Y_C=\frac{\mathrm{ib}}{4}+\frac{\mathrm{vcSin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\sqrt{f^2+v^2}\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

需要注意的是，图2、3为中心透视投影模型，其像距与焦距相同，而对于透镜成像模型，其像距要大于焦距。在光学三角测量中，由于物距较大，像距相应地比较小，当物距远大于像距时，可认为像距等于焦距。对于本发明来说，物距范围约在100mm～300mm，而像距约为10mm左右，因此，可认为物距远远大于像距，在公式中可以用像距来近似焦距，由此引起的误差可通过系统标定来补偿修正。

3.光机设计

由于本装置的测量原理是基于机器视觉测量，因此其光学及机械结构必须进行精确设计。

如图2所示，由于工作表面起伏变化以及测量终端在运动过程中距离工件远近不同，点P距测量终端的距离X_P会有一定变化，其变化范围定义为终端的测量景深，其大小标示为2h。在手持模式下，由于人手的运动极为不平稳，而且不同的操作人员其习惯也不同，终端的景深设计必须足够大，以减轻对操作人员的要求。

根据预期达到扫描宽度b(图3)，选用合适的图像传感器和镜头，设图像传感器的像敏区域宽度为w，长度为kw(比较常用的长宽比例系数k为4/3)，镜头焦距为f，则其应满足关系式：

$\frac{w}{f}=\frac{\mathrm{bCos}\left(\mathrm{\β}\right)}{2c}$

设宽度方向上像元数量为N，则在长度方向像元数量为kN，由此可计算出本发明的理论分辨率为：

${\mathrm{\Δ}}_z=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_x=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_y=\frac{\mathrm{wc}}{2\mathrm{NfCos}\left(\mathrm{\β}\right)}.$

以上公式给出的是供设计参考的理论分辨率，实际装置的精度影响还很多，主要有摄像机的光积分周期、镜头光圈、目标照度等。

由于扫描测量是运动测量，在摄像机光积分时间期间，摄像机在不断运动，由此造成的成像误差称之为拖影，光积分时间越长，拖影越严重。在机载模式下，拖影的影响可以通过保证机器运动速度平稳性并对速度进行精度标定来减小甚至消除。但在手持模式时，由于运动速度不平稳，无法通过速度标定来补偿精度，因此，降低光积分时间才是提高测量精度有效手段。目前的摄像机图像传感器，其一帧图像的光积分时间主要受两个因素影响：被测目标的照度以及镜头的光圈孔径。照度越高，光圈孔径越大，其光积分的时间可以越短。对于普通视频图像的采集来说，由于目标照度难以调节，而光圈调节属机械调节，速度较慢，故常采用改变电子快门时间的方法来调整曝光量，所以电子快门时间即为光积分时间。但受图像传感器的像素数量及图像处理器的速度影响，其电子快门的时间最短周期是有限的。本发明确定电子快门时间的方法是：通过计算视场大小和测量精度，选用适量像素数量的图像传感器，通过处理器速度实验，确定并固定电子快门时间，使其达到最短，以减小图像拖影对测量精度的影响。

镜头光圈调节属机械调节，速度较慢，易磨损，长期稳定性难以保证，此外，光圈调节后会导致摄像机景深变化，从而影响测量量程及精度。因此本发明采用固定光圈的方式。同时，尽量减小光圈的孔径，这样可以增加景深，提高图像的清晰度。

由于镜头光圈及电子快门都固定了，但曝光量还得调节，本发明使用可调节亮度的激光器，实时图像处理与通讯控制中心可以根据所获得的图像的亮度变化，对激光投射的激光束强度进行适当调整。

必须提出的是，摄像机曝光时间相对较长，而且摄像机运动平稳性难以保证，如果每个摄像机曝光的时刻不同步，曝光的时间不相等，必然导致不的图像传感器上所成的像的位置及质量不一致。设曝光时间最长为帧周期且摄像机帧频为25，则其曝光时间为40ms，设扫描速度为10mm/s，则由于帧不同步引起的最大误差可达0.4mm。显然，这样的误差对于精密测量来说是难以接受的。为此，各目摄像机的曝光时间必须进行同步。在本发明中，各目摄像机的曝光时间相同，并用外部触发进行同步曝光。

4.系统标定

工件表面与激光光束的交点P在全局测量空间中的坐标为P_G(X_G，Y_G，Z_G)，在终端坐标系中的坐标为P_C(X_C，Y_C，Z_C)，并且测量终端在全局测量空间中的坐标为T(X_T，Y_T，Z_T)，姿态角为R(α，β，γ)，则P点在全局中的坐标可以用其在终端中的坐标经旋转和平移得到，即PG可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_G\\ Y_G\\ Z_G\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+T=\left[\begin{array}{ccc}{r}_0& r_1& r_2\\ r_3& r_4& r_5\\ r_6& r_7& r_8\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right]$

其中R是旋转矩阵，它是姿态角(α，β，γ)的三角函数组合。T是平移向量，是终端坐标系原点在全局坐标系中的位置。

光学摄像测量的测量精度主要取决于成像精度，但由于摄像测量的光学成像原理性误差、图像数字化的非线性量化误差以及光学系统在加工和安装过程所产生的各种误差，使得理想模型与实际情况相差很大。此外，随着系统使用环境及时间的不同，系统的状态也会发生改变，其测量精度也会受到影响。因此，在测量精度不高时，可直接使用测量原理中所给的理想模型，但对于高精度测量来说，其理想模型只能作为设计参考，而不能直接用于计算最终结果。这样，只能通过系统标定的方法来拟合出其准确的实际数学模型，从而求得精确测量结果。由此可见，系统标定是测量系统实现高精度测量的前提和保证。

系统标定分终端扫描测量标定和终端位置姿态标定。在机载模式下(例如安装于三坐标测量机上)，终端的位置信息T(X_T，Y_T，Z_T)及姿态信息R(α，β，γ)由全局测量机(三坐标测量机)获取；在手持模式下，终端上的定位与姿态监测装置仅仅做为上位机的靶标使用，其位置与姿态信息由上位机给出，因此，终端位置姿态标定在此不再详述。终端扫描测量标定方法很多，常用的有标准块标定法、斜面标定法、标准球标定法和网格标定法等，本发明使用虚拟网格映射标定法。其方法是将测量终端固连于三坐标自动测量机上，终端的激光光刀投射到一个标准平面上，另外再利用一个辅助光刀与终端光刀相交，驱动三坐标测量在不同的X、Y、Z位置上使终端光刀与辅助光刀相交，则两光刀的相交点构成一个平面网格，由于三坐标位置由坐标测量机给出，其精度可以得到很好的保证，因此平面网格的精度可以得到保证。

设摄像机的靶面的影像坐标为P′(u，v)，标准平面上网格点相对摄像机的坐标为P_C(X_C，Y_C，Z_C)，这两个平面之间的映射关系可以用平方递归n次多项式表示：

$X_C=X(u,v)=\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n-j}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{u}^i{v}^j$

$Y_C=Y(u,v)=\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n-j}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ij}}{u}^i{v}^j$

$Z_C=Z(u,v)=\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n-j}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{u}^i{v}^j$

其中，(u，v)坐标系各交点构成CCD靶面上M×N点阵。X_C、Y_C与Z_C的误差函数EX、EY和EZ为：

$E_X=\underset{k=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(X_k-X)}^2$

$E_Y=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_k-Y)}^2$

$E_Z=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(Z_k-Z)}^2$

a_ij、b_ij和c_ij可以由公式 $\frac{\∂E_x}{\∂a_{\mathrm{ij}}}=0,$ $\frac{\∂E_x}{\∂a_{\mathrm{ij}}}=0,$ $\frac{\∂E_z}{\∂c_{\mathrm{ij}}}=0$ 求得。

以上标定是对摄像机的图像传感器、镜头、激光光刀以及测量景深的综合标定，标定完毕后，利用标定结果计算出的点云数据相对测量终端的坐标就是精确的，再根据全局计算机给出的终端的坐标T(X_T，Y_T，Z_T)及姿态角R(α，β，γ)通过坐标变换即可确定被测工件上任意点相对于全局测量空间的坐标。

Claims (5)

1.一种多目大范围激光扫描测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采用一种测量终端，包括框架，在该框架上一侧设置有一激光光刀投射器，用于向工件投射平面光束，并在工件上形成长投射线；在该框架上另一侧设置多目数字摄像机，沿长投射线方向等距排列，用于对投射线分段成像；在该框架中腹设置有实时图像处理与通讯控制中心，用于对多目数字摄像机的成像信息进行实时处理，以得到工件轮廓在投射线上的点云相对于测量终端的坐标信息，并与全局计算机之间进行操作同步及信息互传；在框架上面四周设有多个手持模式定位与姿态监测装置，在框架下面，设有与坐标机连接的机载模式固定螺纹；

(2)终端扫描测量标定和终端位置姿态标定，其中，在机载模式下，终端的位置T(X_T，Y_T，Z_T)及姿态R(α，β，γ)标定由三坐标测量机获取；在手持模式下，终端上的定位与姿态监测装置仅仅做为上位机的靶标使用，其位置与姿态信息由上位机给出；终端扫描测量标定，则使用虚拟网格映射法标定；

(3)测量工件表面光刀线上任意点P相对于测量终端的坐标，设摄像机的镜头中心为A点，摄像机图像传感器位置在C点，激光投射器在B点，AB直线的中垂线为OD，垂直工件表面，使激光光束与摄像机光轴的交点位于中垂线OD上，因此，以测量终端为基准建立的坐标系其X轴为DB方向，Z轴为DO方向，Y轴则为多目数字摄像机的排列方向，设AB长度为c，激光束和光轴与AB的夹角皆为β，工件表面与激光光束的交点为P，而P点在图像传感器上的成像点为P’，P’距图像传感器上的光轴中心点O’点的位移为s，并且镜头的焦距为f，由此可得P点相对于测量终端的坐标位置P_C(X_C，Y_C，Z_C)，其值为：

$X_C=C\·(\frac{\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}-0.5)$

$Z_C=C\·\frac{\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

其中：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\β}-{\tan }^{-1}\left(\frac{s}{f}\right)$

设光刀线的上点P成像于第i(i＝0，1，2，3，……)个摄像机图像传感器上，其像点P’距离摄像机光轴距离为v，则P点相对于测量终端的Y向坐标为：

$Y_C=\frac{\mathrm{ib}}{4}+\frac{\mathrm{vcSin}\left(\mathrm{\β}\right)}{\sqrt{f^2+v^2}\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})};$

(4)测量工件表面光刀线上任意点P在全局测量空间中的坐标，设此P点在全局测量空间中的坐标为P_G(X_G，Y_G，Z_G)，其在终端坐标系中的坐标为P_C(X_C，Y_C，Z_C)，并且测量终端在全局测量空间中的坐标为T(X_T，Y_T，Z_T)，姿态角为R(α，β，γ)，则P点在全局测量空间中的坐标可以用其在终端中的坐标经旋转和平移得到，即P_G可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_G\\ Y_G\\ Z_G\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+T=\left[\begin{array}{ccc}{r}_0& r_1& r_2\\ r_3& r_4& r_5\\ r_6& r_7& r_8\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_T\\ Y_T\\ Z_T\end{array}\right]$

其中R是旋转矩阵，它是姿态角(α，β，γ)的三角函数组合，T是平移向量，是终端坐标系原点在全局坐标系中的位置，两个数据信息都由三坐标测量机给出。

2.如权利要求1所述的多目大范围激光扫描测量方法，其特征在于，所述虚拟网格映射法是将测量终端固连于三坐标自动测量机上，终端的激光光刀投射到一个标准平面上，另外再利用一个辅助光刀与终端光刀相交，驱动三坐标测量在不同的X、Y、Z位置上使终端光刀与辅助光刀相交，则两光刀的相交点构成一个平面网格。

3.如权利要求1所述的多目大范围激光扫描测量方法，其特征在于，所述多目数字摄像机，曝光时间同步触发，根据预期达到扫描宽度b，设图像传感器的像敏区域宽度为w，长度为kw，k为长宽比例系数一般约为4/3，镜头焦距为f，则其应满足关系式：

$\frac{w}{f}=\frac{\mathrm{bCos}\left(\mathrm{\β}\right)}{2c}$

设宽度方向上像元数量为N，则在长度方向像元数量为kN，由此可计算出理论分辨率为：

${\mathrm{\Δ}}_z=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_x=\frac{\mathrm{wl}}{\mathrm{kNf}}\mathrm{Cos}\left(\mathrm{\β}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_y=\frac{\mathrm{wc}}{2\mathrm{NfCos}\left(\mathrm{\β}\right)}.$

4.如权利要求1所述的多目大范围激光扫描测量方法，其特征在于，所述多目数字摄像机采用固定光圈及电子快门而调节激光光刀亮度的方法来保证成像的曝光量和成像质量。

5.如权利要求1所述的多目大范围激光扫描测量方法，其特征在于，所述激光光刀通过实时图像处理与通讯控制中心根据所获得的图像的灰度变化，对激光投射的激光束强度进行适当调节。

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