一種基於單攝像機雙色線結構光的三維坐標測量方法

2023-10-29 18:04:27 3

專利名稱：一種基於單攝像機雙色線結構光的三維坐標測量方法
技術領域：
本發明屬於光學測量技術領域，涉及一種基於單攝像機雙色線結構光的三維坐標測量方法。
背景技術：
逆向工程(Reverse Engineering)是指從產品的實物樣件或模型反求幾何模型的過程。主要研究如何從實物或者樣件上準確高效地採集複雜三維表面數據，進而重建出CAD實體模型，廣泛應用在機械製造，醫療衛生等領域。三維掃描測量的目的是為了獲取物體三維空間坐標數據，通常可以分為接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量效率低、操作複雜，難以測量外形複雜的物體。非接觸式測量包括線結構光掃描法、投影光柵法、立體視覺法等。線結構光掃描法是一種發展比較成熟的方法，典型的工作方式是通過電機控制雷射發生器旋轉，投射一條雷射線在物體表面移動，雷射線根據物體表面形狀發生空間扭曲，形成測量光柵條紋，由相機捕捉成像，經圖像處理獲得中心條紋信息，結合相機標定的參數，可以計算出物體表面的三維信息。一般的線結構光三維掃描儀通常由兩個攝像機和一個結構光源的組成依據三維攝影測量理論，傳統的攝像機標定是指採用特定的照相機模型，求取相機內外參數的過程。通常將鏡頭抽象為投影點，求出拍照時的各種幾何常量。對於鏡頭的誤差，則採用各種補償算法。傳統方法最大的問題是無法對相機鏡頭的畸變準確的補償，從而影響三維測量的精度。如圖I所示，圖I中，兩架攝像機安裝在雷射器光源的左右兩側，光平面與攝像機視場相交的部分是測量平面區域。同一次測量中兩臺攝像機各拍一張圖像，分別得到物體表面上亮帶部分的三維坐標。採用兩個攝像機的目的是為了擴大觀察角度，從而減少測量盲區，但是使用兩個攝像機的缺點是攝像機的標定困難，需要進行多視角數據的配準工作，從而影響測量精度。

發明內容
針對上述現有技術狀況，本發明的目的在於，提供一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，以解決非接觸式測量線結構光掃描法雙攝像機的數據採集量小，成本高，數據傳輸量大，需要進行多個攝像機採集數據的配準問題。現將本發明構思及技術解決方案敘述如下本發明一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，其特徵在於包括攝像機標定、光平面標定、坐標求解三大步驟，具體如下步驟I :攝像機標定攝像機標定的是建立圖像上像素坐標與形成該像點的一條空間直線的對應關係，通過合理分布樣本點的位置、建立樣本點集的像素坐標與空間直線的對應關係，得到全部測量空間內的連續映射。由於光線在空氣中可以認為是直線，這種方法避開了鏡頭的幾何畸變，更有實用價值。步驟I. I :標定器材
標定器材為放置在活動滑板上的垂直安裝的標準網格圖案平板，標定塊安裝在模型夾持器上，標定塊AB兩面平行，兩面相同位置有黑底白線網格圖案；標定板是具有漫反射表面的平板，圖像上既有網格，又可以獲取紅藍光柵圖像。步驟I. 2 :攝像機標定算法步驟I. 2. I :標定時使垂直轉軸繞X軸旋轉逆時針90度，攝像機光軸與坐標系y軸重合，標定板平面放置在與I軸垂直的平面上，原點位置在標定板的中心，對應三維空間坐標(x，z)為(0，0)，標定時使三維掃描儀平移平臺在y方向pi位置和p2位置分別拍攝兩幅標定板的圖像(如圖5)。通過圖像處理的方法提取網格線交點對應的像素坐標，每個網格交點的像素坐標和三維空間坐標可以——對應，如表I。在y = 0附近的三維空間即為三維測量空間，與攝像機有固定的相互位置關係。步驟I. 2. 2 :依據表I中的樣本點數據，採用雙線性插值方法建立由像素坐標到成像直線的映射函數L P = P1 (x, y, z) +A (p2(x, y, z^l-pjx, y, z))(I)其中pjx, y, z)、p2(x, y, z)分別為像素坐標(xp, yp)在平面pi和平面p2對應的
三維坐標。P1 (x, y, z) = f (xp, yp)(2)p2 (x, y, z) = g(xp, yp)(3)公式⑵、⑶可以分別具體表示成公式⑷、(5)
權利要求
1.一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟I :攝像機標定攝像機標定的是建立圖像上像素坐標與形成該像點的一條空間直線的對應關係，通過合理分布樣本點的位置、建立樣本點集的像素坐標與空間直線的對應關係，得到全部測量空間內的連續映射； 步驟2 :光平面的標定光平面的標定是為獲得紅、藍線結構光三維空間方程，在兩張標定圖像上獲取紅藍線結構光圖像像素坐標，轉化為對應的空間三維坐標，利用最小二乘法擬合出紅色光平面和藍色光平面方程； 步驟3 :三維坐標求解在掃描過程中拍攝的彩色圖像上搜索紅藍線結構光中心像素坐標，建立空間直線方程1，求解直線I與標定光平面的交點，得到空間三維坐標。
2.根據權利要求I所述的一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，其特徵在於步驟I中所述的攝像機標定具體如下 步驟I. I :標定器材 標定器材為放置在活動滑板上的垂直安裝的標準網格圖案平板，標定塊安裝在模型夾持器上，標定塊AB兩面平行，兩面相同位置有黑底白線網格圖案；標定板是具有漫反射表面的平板； 步驟I. 2 :攝像機標定算法 步驟I. 2. I :標定時使垂直轉軸繞X軸旋轉逆時針90度，攝像機光軸與坐標系y軸重合，標定板平面放置在與y軸垂直的平面上，原點位置在標定板的中心，對應三維空間坐標(x,z)為(0，0)，標定時使三維掃描儀平移平臺在y方向pi位置和p2位置分別拍攝兩幅標定板的圖像；通過圖像處理的方法提取網格線交點對應的像素坐標，每個網格交點的像素坐標和三維空間坐標——對應，在y = 0附近的三維空間即為三維測量空間，與攝像機有固定的相互位置關係，形成樣本點數據； 步驟I. 2. 2 :依據樣本點數據，採用雙線性插值方法建立由像素坐標到成像直線的映射函數L P = P1 (x, y, z) +A (p2 (x, y, z^l-pjx, y, z))(I) 其中P1U, y, z)、p2(x, y, z)分別為像素坐標(xp, yp)在平面pi和平面p2對應的三維坐標。Pi (x, y, z) = f (xp, yp)(2)P2 (x, y, z) = g(xp, yp)(3) 公式⑵、(3)分別具體表示成公式⑷、(5)
3.根據權利要求I所述的一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，其特徵在於步驟2中所述的光平面的標定是將在標定板上的投影記錄在標定圖像中，通過提取紅色和藍色光柵在y = pi和y = p2樣本點的像素坐標,計算對應的空間三維坐標,具體如下 步驟2. 2 :利用最小二乘法分別擬和出紅色光平面和藍色光平面方程ax+by+cz+1 = O 步驟2. 3 :將樣本數據代入axj+byj+czj+l = Oax2+by2+cz2+l = O (6)axn+byn+czn+l = O 步驟2. 4:計算誤差平方和 E(a，b，c) = (aXi+byi+cZi+1)2+(ax2(7)+by2+cz2+l)2+----+(axn+byn+czn+l)2 對a，b，c求偏導數，令偏導數為零，化簡，解方程組，得到a，b，c，採樣密度越大，計算出的光平面方程越準確。
4.根據權利要求I所述的一種單攝像機雙色線結構光三維掃描方法，其特徵在於步驟3中所述的三維坐標求解具體如下 步驟3. I :空間三維坐標求解算法模型掃描的過程中，通過模型下面的旋轉平臺的旋轉以及平移臺的平移運動，拍攝出牙模型不同角度的圖像，分離出紅色和藍色光柵圖像，進行細化操作求光柵採樣點的中心像素坐標(xp，yp)； 步驟3. 2 :依據上述步驟，得到該像素點所對應的空間直線方程L :P = Pl+A (P2-P1)，紅色像素點對應的直線和紅色光平面方程求交點，藍色像素點對應的直線和藍色光平面方程求交點，得到攝像機坐標系下的牙模型三維坐標(1。，7。，2。); 步驟3. 3 :旋轉攝像機，旋轉和平移模型轉臺，進行空間坐標變換，得到空間坐標變換矩陣(X, Y，z, I) = (X。，yc, zc, 1)M,其中
全文摘要
本發明屬涉及一種基於單攝像機雙色線結構光的三維坐標測量方法。包括攝像機標定光平面的標定；三維坐標求解大步驟本發明是建立圖像上像素坐標與形成該像點的一條空間直線的對應關係，得到全部測量空間內的連續映射；為獲得紅、藍線結構光三維空間方程，在兩張標定圖像上獲取紅藍線結構光圖像像素坐標，轉化為對應的空間三維坐標，；在拍攝的彩色圖像上搜索紅藍線結構光中心像素坐標，建立空間直線方程求解得到空間三維坐標。本發明同傳統的三維測量方法相比，數據採集量大，成本低，數據傳輸量小，不需要進行多個攝像機採集數據的配準，圖像中的綠色分量還可以用來對背景幹擾進行消除，使測量對環境光不敏感。
文檔編號G01B11/24GK102628671SQ201210103449
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者孫玉春, 宋大虎, 李忠科, 李曉軍, 楊眉, 王 忠, 董澤峰 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程學院