一種基於線雷射的大型場景獲取方法
2023-09-13 03:28:35 4
專利名稱：一種基於線雷射的大型場景獲取方法
技術領域：
本發明涉及三維掃描技術，特別涉及一種基於線雷射的無需雷射發射 器定標的大型場景掃描方法。
背景技術：
三維掃描技術是逆向工程CAD技術一般以數位化測量設備的輸出數 據為原始信息來源。只有在得到要逆向的實體的表面三維信息，才能實現 後面的工作，如模型的檢測，複雜曲面的建模、評價、改進和製造。而逆 向工程測量方法的好壞直接影響到對被測實體描述的精確、完整程度，影 響到數位化實體幾何信息的速度，進而影響到重構的CAD曲面、實體模 型的質量，並最終影響到整個工程的進度和質量。因此，逆向工程在整個 逆向工程的鏈條中，處於整個工程的開始，因此是整個工程的基礎，也是 逆向工程技術的一個關鍵技術部分。非接觸式機構光視覺測量方法測量是 目前最為先進的逆向工程技術的數據採集方法，根據同一個三維空間點在 不同空間位置的兩個(多個)攝像機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之 間位置的空間幾何關係來獲取該點的三維坐標值。非接觸式機構光測量方 法可以對處於兩個(多個)攝像機共同視野內的目標特徵點進行測量，而 無須伺服機構等掃描裝置。非接觸式機構光測量技術關鍵是空間特徵點在 多幅數字圖像中提取與匹配的精度與準確性等問題。
在非結構光測量中又可分為雷射掃描和結構光掃描。在這裡主要討論 雷射掃描技術.就雷射掃描而言，根據利用雷射不同的性質又可以分為激 光測距掃描和雷射形變掃描。這兩者背後的數學模型截然不同.前者是發射一段( 一般為幾公分，雷射線過長會發散)有效的雷射線照射物體表面， 一旦接觸到物體表面，光束立刻被反射回掃描儀，紅外線的位移數據被測 量，從而反映出雷射與物體之間的距離。主要利用了雷射測距的原理來判 斷被測物體的空間坐標。而雷射形變掃描則運用小孔成傳_模型來計算圖像
的三維坐標。下文所iJL的雷射掃描均為雷射形變掃描。 :間點的世界坐標和像素坐標的轉換關係如下p
.…(1)
工'
00
V0 0
10010
i 0 r o i
『
令M =
我們得到
0
"0
0 ", v0 0 00 10
M，=
0 1
1
Af =M,M,
=M, A/， X = M A"
.(2)
式中A和r分別為從世界坐標繫到照相機坐標系的旋轉和平移矩陣。 肘為3*4矩陣，M!由內部參數決定，似2由相對於世界坐標系的方位即外 部參數決定。
在大型場景獲取中，雷射發射器往往被置於轉臺上，傳統雷射掃描需 要對雷射發射器的轉臺進行定標，獲取轉臺的位置從而計算雷射與照相機 主光軸的夾角。這不僅延長了定標的時間，而且還帶來了誤差。
發明內容
本發明提供一種基於線雷射的定標精度高、能快速生成整個場景的三 維信息的大型場景掃描方法。
一種基於線雷射的基於線雷射的大型場景獲取方法，包括以下步驟
(1) 在場景周圍架設若干各照相機，並調整好焦距使場景大部分清 晰可見。
(2) 運用Tomas Svoboda提出的多相機標定算法進行多相機標定， 計算得到多個照相機的內外參數^、 、"。、v。；
(3) 用來自場景外發射點A的雷射線A掃描整個場景，所有照相才幾 在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線A，分別得到若干照片；
(4) 改變雷射線發射點，用來自場景外發射點B的雷射線B掃描整 個場景，所有照相機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線B,分別得 到若干照片；
針對同一相機，將步驟(3)中得到的每一張照片與步驟(4)中時刻 與之對應的照片作為 一組，得到不同時刻的同時含有雷射線A和雷射線B 信息的若干組照片。
(5) 對步驟(4)得到的若干組照片中的雷射線進行提取；
1) 在沒有雷射照射時拍攝原始照片，輸入原始照片和含有雷射線的 照片；
2) 含有雷射信息的照片上的每個像素點的像素值減去原始照片上對 應像素點的像素值，差值大於最大差值的90%的像素點定義為雷射線上的 點，從而提取得到雷射線A和雷射線B。
(6) 對提取的雷射線進行三維點雲計算，生成整個場景的三維信息。 1)判斷同一組照片上提取的雷射線A和雷射線B是否相交，如果不
相交則忽略該組照片，處理下一組照片；如果相交則找出相交雷射線的交 點p,令交點p在照片上的像素坐標為("、v)。
2 )利用最小二乘方法計算得到交點p的空間中的世界坐標(JiV， IV,i交點p像素坐標和世界坐標的關係如式(l)所示:
formula see original document page 8
式(1)化簡為式(2):
formula see original document page 8
式中A和r分別為l象素點從世界坐標繫到照相才幾坐標系的旋轉和平
移矩陣；",、"，、"。、v。為照相機的內外參數；投影矩陣似可以通過M!、
M2求得。
ii因為交點p在圖像上的像素坐標為("、v)，所以可以根據式(l) 或式(2)得到其空間對應的一條直線方程，方程表達式如式(3)所示
formula see original document page 8
如果已知照相機的內外參數，就可以求得投影矩陣M，對任何空間點P， 如果已知三維空間中的世界坐標，就可以求出其照片上的像素坐標；但是， 反過來，如果已知某照片上的像素坐標和投影矩陣M,其對應的三維空間 中的世界坐標不是唯一確定的，對應的是空間中的一條直線。
根據L照相機在某一時刻兩次的掃描過程中拍攝的一組照片V—l和 H_l,提取這兩張照片中的雷射線，這兩條線的交點的相機坐標就是點P在L的相機坐標系的坐標。由此可以確定根據相機L的內外參數確定一條 經過L和P的空間直線。同理，根據R照相機在同一時刻兩次掃描拍才氛 了同一條雷射線的一組照片，從R照相機的這組照片中也找找到雷射線的 交點p,i兌明這個時刻照相才幾L和照相才幾R在同一時刻同時看到了交點P， 根據照相機R的內外參數也可以獲得一條經過P和R的空間直線，這兩 條直線必然交於一點，這一空間點就是我們要求的點P的空間坐標。
i殳空間中兩條雷射線相交的點P在照相片幾L和照相才幾R的坐標系下 的圖像上的像素坐標分別為(i/、 /)、 (z/、 v";由兩個照相機坐標系 下的圖像上的兩個像素坐標確定了兩條過p點的直線，所述的兩條直線在
空間上交於p點；根據式(3)將這兩條直線的方程聯立，如式(4)所示 '(一 ro^ )x + ( z 4j — mf2 )y + (一 "4j 〉2 =肌L — (/飢3 一w4 )義+ formula see original document page 9
由(4)式可以求得交點p在空間中的世界坐標(x,》z);
3)由於雷射發射器發射遍布整個場景的雷射束，所以通過二次掃描
拍攝的一組照片上有若干個交點，任意一個交點在空間中的世界坐標的計
算方法與交點p的計算方法一致，從而計算得到空間中任意點的世界坐標，
得到了場景中的點的集合，將這些點的世界坐標寫入文件生成該場景的點
雲模型，得到整個場景的三維信息。
本發明克服了傳統雷射掃描的轉臺標定的弱點，同時又具有雷射掃描 的高精度和高速度。傳統掃描出了相機定標還要進行轉臺標定，這樣不僅 浪費時間而且引入了轉臺標定的誤差。通過對傳統算法的改進，本發明避 免了轉臺標定的步驟。這樣不僅提高了掃描的精度，同時也縮短了整個場 景獲取的時間，提升了掃描的效率。由於避免了轉臺的標定，雷射線可以從任意角度發射，而且可以隨時改變發射的位置，這樣不僅方便掃描人員 的獲取，而且更適合掃描複雜場景無法固定雷射發射器的要求。
圖l是本發明一種基於線雷射的大型場景獲取方法的流程圖； 圖2是本發明的雷射發射器對場景進行第 一次掃描的示意圖； 圖3是本發明的雷射發射器對場景進行第二次掃描的示意圖； 圖4是本發明的兩個照相對同 一組照片拍攝確定的交點的示意圖。
具體實施例方式
本發明一種基於線雷射的大型場景獲取方法，如圖l所示，包括以下 步驟1.在場景中周圍架設若干各照相機；2.運用TomasSvoboda提出的 多相機標定算法進行多相機標定，計算得到場景中多個照相機的內外參 數；3.用來自場景外發射點A的雷射線A掃描整個場景，所有照相機在掃 描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線A，分別得到若千照片；4.改變雷射 線發射點，用來自場景外發射點B的雷射線B掃描整個場景，所有照相 機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線B,分別得到若干照片；針對 同一相機，將步驟3中得到的每一張照片與步驟4中時刻與之對應的照片 作為一組，得到不同時刻的同時含有雷射線A和雷射線B信息的若干組 照片；5.對步驟4得到的若干組照片中的雷射線進行提取；6.對提取的激 光線進行三維點雲計算，生成整個場景的三維信息。
我們以掃描一個接近正方型的場景為具體實施方式
來說明一種基於 線雷射的大型場景獲取方法。
(1)在場景架設4個照相機進行三維獲取，將四個照相機架於場景 的四個角落，並調整照相機的光圈焦距使之達到場景大部分成象清晰達到 最佳拍攝效果。
(2 )運用Tomas Svoboda提出的多相機標定算法進行多相機標定， 計算得到場景中多個照相機的內外參數",、"""。、v。。
操作者只需手持定標物(一個LED光源)在整個場景中移動，所有攝像頭同時拍攝500張圖片。每副圖片的命名方式採用cameraX一YYY的 形式，其中X代表相機編號，YYY代表圖片編號，從O開始計數。儘量 使定標物遍歷整個場景以確保定標結果精確。
待拍攝完畢後，打開Matlab調用定標工具包進行多相機定標。主要 步驟如下
1) 在命令行中輸入im2point程序會自動運行並且找到每副圖片中的 定標光源；
2) 在步驟l)運行完成後，在命令行中輸入gocal,程序將會輸出相機 標定的結果，得到照相機的內外參數a、 、"。、v。。
(3) 用線雷射第一次(如圖2)掃描整個場景，所有照相機在掃描過 程中各自拍攝不同時刻的雷射線，分別得到若干照片。
(4) 改變雷射線發射點(如圖3)，用線雷射第二次掃描整個場景， 所有照相機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線，分別得到若干照 片。
針對同一相機，將步驟(3)中得到的每一張照片與步驟(4)中時刻 與之對應的照片作為 一組，得到不同時刻的同時含有第 一次掃描雷射線和 第二次掃描的雷射線信息的若干組照片。
如圖2所示，將雷射發射器的轉臺置於照相機Cl和C3之間，啟動 雷射發射器發射雷射，使轉臺勻速轉動，對場景進行第一次掃描，使雷射 線覆蓋整個場景，四個照相機在同一時刻對場景中的雷射進行拍照，分別 拍攝500張照片。
如圖3所示，變換雷射發射器角度，將雷射發射器的轉臺置於照相機 C4和C3之間，啟動雷射發射器發射雷射，使轉臺勻速轉動，對場景進行 第二次掃描，使雷射線覆蓋整個場景，四個照相機在同一時刻對場景中的 雷射進行拍照，分別拍t聶500張照片。
將兩次掃描過程中四個照相機同 一時刻所拍才聶的照片對應的編為一組。
定義下照片編號的構成，帶有後綴V的代表第一次掃描拍攝的照片， 帶有後綴H代表第二次掃描拍攝的照片。200 V代表某一照相機照相機在第一次掃描時在第200時刻拍攝的照片。
(5 )讀取一組Cl和C2拍攝的有雷射線的照片，對照片上的雷射線 進行提取。
1) 在沒有雷射照射時拍攝原始照片，輸入原始照片和含有雷射線的 照片；
2) 應用背景差的方法提取照片中的雷射線將含有雷射的照片上的 每個像素點的像素值減去原始照片上對應像素點的像素值，差值大於最大 差值的90%的像素點被判定為雷射線上的點，從而提取得到雷射線。
在軟體中執行如下程序
For(i=0; i〈第一次掃描拍照數；++i)
提取Cl第一次拍照編號為i—V的照片中的雷射線條line—l一i一V 提取C2第一次拍照編號為i_V的照片中的雷射線條line—2—i—V for(j=0; j〈第二次掃描拍照數；++j)
提取Cl第二次拍照編號為j—H的照片中的雷射線條line—1J—H 提取C2第二次拍照編號為j—H的照片中的雷射線條line一2J—H line—1—i—V和line一l丄H求交點 line—2J—V和line—2」—H求交點
若兩個交點均存在，根據Cl和C2的內外參數求得世界坐標
(6)對提取的雷射線進行三維點雲計算，生成整個場景的三維信息。 1)判斷同一組照片上提取的兩條雷射線是否相交，如果不相交則忽 略該組照片，處理下一組照片；如果相交則找出相交雷射線的交點p,令 交點p在照片上的像素坐標為(m， v)。2 )利用最小二乘方法計算得到交點p的空間中的世界坐標(義『，IV，
i.交點p像素坐標和世界坐標的關係如式(l)所示
二0M00r
V0",00i
丄0010
令M,=
0 "。 0 00 10
仏=
o i
M= M,M2
則
式(1)化簡為式(2):
=A/, M， X = M X
.(2)
式中A和r分別為像素點從世界坐標繫到照相機坐標系的旋轉和平
移矩陣；fl,、 "" "Q、 v。為照相機的內外參數；^投影矩陣似可以通過Mp ^2求得。
ii.因為交點p在圖像上的像素坐標為(w,, v),所以可以根據式(l) 或式(2)得到其空間對應的一條直線方程，方程表達式如式(3)所示
ox -附;,)A+o:/";廣収+a;KR.-附；-》；
(3)
如果已知照相機的內外參數，就可以求得投影矩陣M，對任何空間點 P，如果已知三維空間中的世界坐標，就可以求出其照片上的像素坐標； 但是，反過來，如果已知某照片上的像素坐標和投影矩陣M，其對應的三 維空間中的世界坐標不是唯一確定的，對應的是空間中的一條直線。
如圖4所示，才艮據L照相機在某一時刻兩次的掃描過程中拍攝的一組照片Vj和Hj,提取這兩張照片中的雷射線，這兩條線的交點的相機坐 標就是點P在L的相才幾坐標系的坐標。由此可以確定才艮據相才幾L的內外參 數確定一條經過L和P的空間直線。同理，根據R照相機在同一時刻兩 次掃描拍攝了同一條雷射線的一組照片，從R照相機的這組照片中也找找 到雷射線的交點P，說明這個時刻照相機L和照相機R在同 一時刻同時看 到了交點P,根據照相機R的內外參數也可以獲得一條經過P和R的空間 直線，這兩條直線必然交於一點，這一空間點就是我們要求的點P的空間 坐標。
設空間中兩條雷射線相交的點P在照相才幾L和照相機R的坐標系下 的圖像上的像素坐標分別為(/、 /)、 (Z、 由兩個照相機坐標系 下的圖像上的兩個l象素坐標確定了兩條過p點的直線，所述的兩條直線在 空間上交於p點；根據式(3)將這兩條直線的方程聯立，如式(4)所示
formula see original document page 14
(4)
由(4)式可以求得交點p在空間中的世界坐標(x,》z)。
3)根據公式(4)求得每組相交點的世界坐標，然後將這些坐標寫 入文件生成整個場景的三維信息。
權利要求
1.一種基於線雷射的大型場景獲取方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)在場景周圍架設若干各照相機；(2)運用多相機標定算法進行定標，計算得到多個照相機的內外參數；(3)用來自場景外發射點A的雷射線A掃描整個場景，所有照相機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線A，分別得到若干照片；(4)改變雷射線發射點，用來自場景外發射點B的雷射線B掃描整個場景，所有照相機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線B，分別得到若干照片；針對同一相機，將步驟(3)中得到的每一張照片與步驟(4)中時刻與之對應的照片作為一組，得到不同時刻的同時含有雷射線A和雷射線B信息的若干組照片；(5)對步驟(4)得到的若干組照片中的雷射線進行提取；(6)對提取的雷射線進行三維點雲計算，生成整個場景的三維信息。
2. 如權利要求1所述的基於線雷射的大型場景獲取方法，其特徵在於，所述的步驟(5)中的雷射線的提取包括以下步驟1) 在沒有雷射照射時拍攝原始照片；2) 含有雷射信息的照片上的每個像素點的像素值減去原始照片上對應像素點的像素值，差值大於最大差值的90%的像素點定義為雷射線上的點，從而提取得到雷射線A和雷射線B。
3. 如權利要求1所述的基於線雷射的大型場景獲取方法，其特徵在於，所述的步驟(6)中對提取的雷射線進行三維點雲計算包括以下步驟1) 判斷同一組照片上提取的雷射線A和雷射線B是否相交，如果不相交則忽略該組照片，處理下一組照片；如果相交則找出相交雷射線的交點p，令交點p在照片上的像素坐標為(《 、 v);2) 利用最小二乘方法計算得到交點p的空間中的世界坐標(^T『，IV,交點p像素坐標和世界坐標的關係如式(l)所示:formula see original document page 3式(1)化簡為式(2):formula see original document page 3式中A和r分別為像素點從世界坐標繫到照相機坐標系的旋轉和平移矩陣；a、 、"。、v。為照相機的內外參數；投影矩陣M可以通過Mi、a^求得；ii.因為交點p在圖像上的像素坐標為("、v)，所以可以根據式(l)或式(2)得到其空間對應的一條直線方程，方程表達式如式(3)所示formula see original document page 3iii.設空間中兩條雷射線相交的點P在照相機L和照相機R的坐標系下的圖像上的像素坐標分別為(/、 v。、 (Z、 v";由兩個照相機坐標系下的圖像上的兩個像素坐標確定了兩條過p點的直線，所述的兩條直線在空間上交於p點；根據式(3)將這兩條直線的方程聯立，如式(4)所示formula see original document page 4(4)由(4)式可以求得交點p在空間中的世界坐標(x,》z);3)根據公式(4)求得每組相交點的世界坐標，所有點的世界坐標形成三維點雲，然後將這些坐標寫入文件生成整個場景的三維信息。
全文摘要
本發明公開了一種基於線雷射的大型場景獲取方法，包括以下步驟1)在場景周圍架設多個照相機並調整好焦距；2)運用多相機標定算法進行定標，計算得到多個照相機的內外參數；3)用來自場景外發射點A和發射點B的雷射線A和雷射線B掃描整個場景，所有照相機在掃描過程中各自拍攝不同時刻的雷射線A和雷射線B，得到不同時刻的同時含有雷射線A和雷射線B信息的若干組照片；5)對拍攝的照片上的雷射線進行提取；6)對提取的雷射線進行三維點雲計算，生成整個場景的三維信息。本發明方法通過對傳統算法改進，避免了轉臺標定步驟，既提高了掃描的精度，也縮短了場景獲取的時間，提升了掃描效率，適合掃描無法固定雷射發射器的複雜場景。
文檔編號G06T19/00GK101551918SQ20091009799
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者刁常宇, 古鑫桐, 魯東明 申請人:浙江大學