基于双高速摄像机与REMA软件的双目位姿测量精度验证实验

采用高速摄像机与REMA测量软件双目位姿测量模块，对圆柱目标开展标定、静止与匀速运动验证，实测动态位移误差小于0.05 mm，速度误差小于0.1 mm/s，同时验证了俯仰、偏航姿态角的连续稳定输出能力。

1 实验背景

在刚体运动、机构运动测试以及外场目标跟踪等动态测量场景中，测量通常关注：目标的三维位移能否准确恢复，连续运动条件下速度能否稳定测量，以及俯仰、偏航等姿态变化能否可靠解析。

为此，千眼狼(Revealer)工程师采用两台高速摄像机构建双目测量系统，以精密位移台提供已知位移和速度输入，通过REMA(Revealer Motion Analysis)软件双目位姿测量完成目标检测、立体三角测量与姿态解算，在可重复工况下验证。

2 实验设备

实验设备由千眼狼(Revealer)高速摄像机、精密位移台、圆柱轴目标、标定板以及REMA软件组成。

• 高速摄像机：两台NEO25高速摄像机用于构建双目测量的左、右成像通道，同步采集圆柱目标运动图像，使同一时刻目标特征能够参与立体几何重建。

• 精密位移台：用于产生已知方向、已知距离及已知速度的运动输入。位移台步进距离50 mm/步，匀速运动阶段速度20 mm/s。位移台提供的运动参数以及实验记录中的激光测距结果作为位移和速度真值对比参考。

• 圆柱轴目标：具有明确中轴线几何特征的圆柱目标，供REMA软件识别并跟踪。

• REMA软件：用于双目标定、目标定义、自动检测与跟踪、三维重建、运动学计算及结果输出。

图- REMA软件的双目位姿测量精度验证实验现场

3 实验方法

实验首先固定两台高速摄像机的位置及姿态，调整双目基线和镜头视场，使被测圆柱目标的完整运动区域处于两台高速摄像机的共同视场内。完成设备假设后，采用固定标定板完成双目系统标定，求解左右相机内外参数，并以重投影误差和标定点间距误差评价标定质量。

随后在REMA软件中创建圆柱轴线目标，对目标轴线进行检测与跟踪，并依据双目标定参数进行立体三角测量，获得目标三维位置；再根据空间轴线方向计算俯仰、偏航等姿态变化。

测量流程如下：

实验设置两类工况：一是目标完全静止，用于评价位移、速度及姿态输出稳定性；二是位移台以20 mm/s匀速运动、总行程100 mm，用于验证动态位移和速度测量能力。

4 实验数据

4.1 标定精度

双目标定重投影误差为0.075 pixel，标定点间距误差为0.029 mm。亚像素级重投影误差标明，本次实验中左右高速摄像机的几何标定具有较好的拟合质量，为后续三维测量提供基础。

图-REMA双目位姿测量标定

4.2 静止工况-三维位置与姿态输出稳定性

目标保持完全静止时，理论位移增量与速度均应为零。在采用加权平均和平滑处理后，REMA双目位姿测量模块的位移输出变化控制在0.03 mm以内，速度输出变化控制在0.1 mm/s以内，静止姿态角输出变化0.03°以内。

该结果表明，在无真实运动输入条件下，REMA双目位姿测量模块的三维位置、速度及姿态输出能够稳定收敛。

4.3 匀速工况-三维位移测量能力

在位移台以20 mm/s运动、总位移100 mm条件下，REMA软件连续输出目标三维位置曲线。附件记录的动态位移误差小于0.05 mm。

该结果表明，本次实验的运动速度、成像尺度、双目基线和目标特征条件下，左右图像中的目标轴线能够保持连续匹配，立体三角测量结果没有出现明显的累计漂移。

图-REMA输出的位移曲线

4.4 匀速工况-速度跟踪能力

位移台以20 mm/s匀速运动，REMA输出的速度曲线可以观察到明显的启动、匀速和停止过程，匀速阶段测量速度能够跟随位移台设定值变化，实验记录的速度误差小于0.1 mm/s。

这一结果说明，在本次运动速度下，双高速摄像机获得的时间序列能够支持连续位置重建，位置结果经过时间维度处理后可进一步用于运动速度计算。

图-REMA输出的速度曲线，真值由激光测距仪测量得到

4.5 俯仰、偏航解析

动态测试中，REMA软件持续输出偏航角和俯仰角变化曲线。由于位移台无法与测量坐标系绝对校平，运动过程中存在小幅姿态变化，测量结果能够连续反映这一变化趋势，验证了REMA软件双目位姿模块姿态角变化的的解析能力及输出的连续性、稳定性。

图-REMA输出的偏航角曲线

图-REMA输出的俯仰角曲线

5 实验结论

本实验采用两台高速摄像机构成双目视觉测量系统，以精密位移台驱动圆柱目标，对REMA软件双目位姿测量模块进行了标定、静止与匀速运动验证。实验结果表明，在本次测试工况范围内：

I. 双目标定重投影误差0.075 pixel，标定点间距误差0.029 mm，为后续三维空间重建提供稳定的几何标定基础。

II. 静止工况，经加权平均和平滑处理，三维位移输出波动小于0.03 mm，速度输出变化小于0.1 mm/s，姿态角输出变化小于0.03°，表明系统具有较好的静态稳定性。

III.动态工况，实验记录位移误差小于0.05 mm，速度误差小于0.1 mm/s，REMA软件能够保持双目目标连续跟踪并完成三维位置及速度计算。

IV.俯仰、偏航姿态解析上，实验验证了REMA姿态角连续输出及小角度变化的解析能力。后续实验将引入独立的高精度转台专项标定，进一步验证REMA角度精度。