一種線陣結構光三維快速測量裝置及其測量方法與流程
2023-11-11 02:23:02 1
本發明涉及三維檢測、三維重構領域，特別是一種線陣結構光三維快速測量的方法。
背景技術：
三維測量技術是獲取待測物體表面各點空間坐標的一種技術。三維模型很好的反映了物體的真實形貌，快速三維測量技術在許多諸如軍事、文物、醫學、教育、工業檢測等領域都有著巨大的應用前景。
三維測量技術由來已久，技術已經日趨成熟。常用的三維測量方法分別接觸式和非接觸式，接觸式測量代表技術主要有cmm(三坐標測量機)、斷層掃描和層析法等。其優點是精度相對較高，但對一些非接觸式表面卻無能為力，且只適合測量比較小型的物體及場景，對於大場景的三維測量，其測量速度較慢。非接觸式測量有：1.雙目立體視覺法：基於視差原理。通過在不同位置拍攝被測物體的兩幅圖像，並通過數字圖像處理的方式計算圖像像素點與物體對應點之間的位置，從而獲得物體表面三維信息；2.飛行時間法：通過發射出一個雷射脈衝信號，經過接收物體表面反射回來的脈衝信號，計算得出接收的時間差，便可以得到物理到測量儀器的距離；3.相位測量輪廓術：結構光法的一種，它的原理是通過投影多幅具有一定相位差的條紋光柵至物體表面，通過變形的光柵條紋圖來計算相位，最後通過相位與高度的映射關係來得到物體的高度分布，進而實現物體的三維重建；4.雷射線掃描：利用三角測量原理，投射出一條水平雷射線，均勻移動待測物體，使雷射線通過物體的表面，從而測量得到物體的表面三維輪廓。
現有技術還未出現運用線陣結構光與查表法結合，簡便快捷的完成物體表面三維輪廓測量的方法，本發明解決這樣的問題。
技術實現要素：
為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種線陣結構光三維快速測量裝置及其測量方法，本發明通過運用線陣結構光與查表法的原理，簡便快捷的完成物體表面三維輪廓測量。
為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案：
一種線陣結構光三維快速測量裝置，包括：放置待測物體的基準平面，圖像採集器，對圖像採集器進行標定的棋盤標定板，置於基準平面上的線陣結構光。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，線陣結構光通過線陣雷射器產生。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，線陣結構光為通過投影儀做為光源生成的投影圖像。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，線陣結構光為經過光柵生成的衍射圖像。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，圖像採集器為單目相機。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，圖像採集器的中軸線與線陣雷射發生器的光源線之間的角度範圍為0到180度。
前述的一種線陣結構光三維快速測量裝置，相機的中軸線和光源線之間的角度為九十度。
前述的一種線陣結構光三維快速測量方法，包括：如下步驟：
步驟一：使用棋盤標定板對圖像採集器進行標定，利用標定算法求出圖像採集器得到圖像採集器的內參數矩陣，徑向畸變參數k1,k2,k3,切向畸變參數p1,p2和圖像採集器相對於待測平面的外參數，即旋轉向量和平移向量；
步驟二：將圖像採集器和陣列雷射發生器利用機械固定裝置分別固定；
步驟三：將陣列雷射線投射到基準平面，提高至少一次基準平面的高度，採集圖像並記錄相應高度值；
步驟四：利用插值法擬合出每條雷射線的位置隨高度變化的關係，生成相應
的檢索表並保存；假設高度h1的平面光線上某點的坐標為(x1,y1),其對應
的高度h2的坐標為(x2,y2),假設光線沿x軸方向，利用插值法可得像素坐
標和高度的關係：
根據該式，可以將y1,y2之間所有的點擬合出來，並生成相應的查詢表保存
起來。
步驟五：將物體放在基準高度為0的平面，通過圖像採集器採集其平面的線陣光，對採集到的圖片進行圖像處理，提取雷射線的位置得到表面雷射線坐標(x1,y1),根據關係表w，去查找(x1,y1)對應的高度h，進而還原出物體的三維輪廓；
圖像處理的方法具體為：a)打開待處理的圖像，並校正圖像的畸變；b)生成灰度圖像，並進行平滑濾波、高斯去噪、開運算、閉運算等預處理；c)對灰度圖像進行閾值化；d)查找雷射線的位置，利用重心法確定雷射線的中心坐標；
關係表w的製作過程為：
a)確定基準平面，其空間高度看作0，採集此平面的線陣圖像，經過圖像處理後得到雷射線的坐標位置(x,y)；
b)將該基準平面上升h高度，同樣採集線陣圖像並處理，利用插值法計算出在高度0到h的範圍內，光線坐標與空間高度h的關係；
c)將平面再上升h高度，同理得到h到2h的範圍內，光線坐標與空間高度h的關係；
d)依次類推，便可得到0到h的連續範圍內，光線坐標隨空間高度變化的關係表w(x,y,h)，將該表保存起來。
本發明的有益之處在於：本發明提供一種線陣結構光三維快速測量裝置及其測量方法，本發明通過運用線陣結構光和查詢表的原理，簡便快捷的完成物體表面三維輪廓測量。首先利用傳統標定方法得到相機的內參數和畸變參數；再採集不同空間高度的線陣結構光圖像，利用標定參數對圖像進行畸變矯正；然後利用插值計算得到每條雷射線圖像坐標位置和高度的對應關係，生成相應的檢索表並保存；查詢表只需要生成一次，保持相機和光源相對位置不變，再測量其他物體時，只需要將待測物體放在基準平面，利用圖像採集器得到線陣結構光在其表面的圖像；利用圖像處理得出雷射線的圖像坐標，直接查找之前的檢索表就可以得到雷射線的深度信息；進而快速還原出物體的三維輪廓。
附圖說明
圖1是本發明的一種實施例的結構示意圖；
圖2是本發明製作關係表w的原理圖；
圖中附圖標記的含義：
h為採集不同高度的平面時，每次上升的距離；，h為多次上升後平面的最終高度。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
一種線陣結構光三維快速測量裝置，包括：放置待測物體的基準平面，圖像採集器，對圖像採集器進行標定的棋盤標定板，置於基準平面上的線陣結構光。作為一種優選，圖像採集器為單目相機，測量精度0.2mm時要求相機的像元大小最少5um,精度要求更高時，像元需要更小。
作為一種實施例，線陣結構光通過線陣雷射器產生；線陣結構光也可以為通過投影儀做為光源生成的投影圖像；線陣結構光也可以為經過光柵生成的衍射圖像。
圖像採集器的中軸線與線陣雷射發生器的光源線之間的角度範圍為0到180度；角度越小其深度測量範圍越小，角度越大深度測量範圍越大，就測量精度而言，角度越接近九十度，測量精度越高。作為一種優選，相機的中軸線和光源線之間的角度為九十度。
一種線陣結構光三維快速測量方法，包括：如下步驟：
步驟一：使用棋盤標定板對圖像採集器進行標定，利用標定算法求出圖像採集器得到圖像採集器的內參數矩陣，徑向畸變參數k1,k2,k3,切向畸變參數p1,p2和圖像採集器相對於待測平面的外參數，即旋轉向量和平移向量；
步驟二：將圖像採集器和陣列雷射發生器利用機械固定裝置分別固定；
步驟三：將陣列雷射線投射到基準平面，提高至少一次基準平面的高度，採集圖像並記錄相應高度值；
步驟四：利用插值法擬合出每條雷射線的位置隨高度變化的關係，生成相應的檢索表並保存；假設高度h1的平面光線上某點的坐標為(x1,y1),其對應的高度h2的坐標為(x2,y2),假設光線沿x軸方向，利用插值法可得像素坐標和高度的關係：
根據該式，可以將y1,y2之間所有的點擬合出來，並生成相應的查詢表保存起來。
步驟五：將物體放在基準高度為0的平面，通過圖像採集器採集其平面的線陣光，對採集到的圖片進行圖像處理，提取雷射線的位置得到表面雷射線坐標(x1,y1),根據關係表w，去查找(x1,y1)對應的高度h，進而還原出物體的三維輪廓；
圖像處理的方法具體為：a)打開待處理的圖像，並校正圖像的畸變；b)生成灰度圖像，並進行平滑濾波、高斯去噪、開運算、閉運算等預處理；c)對灰度圖像進行閾值化；d)查找雷射線的位置，利用重心法確定雷射線的中心坐標；
關係表w的製作過程為：
a)確定基準平面，其空間高度看作0，採集此平面的線陣圖像，經過圖像處理後得到雷射線的坐標位置(x,y)；
b)將該基準平面上升h高度，同樣採集線陣圖像並處理，利用插值法計算出在高度0到h的範圍內，光線坐標與空間高度h的關係；
c)將平面再上升h高度，同理得到h到2h的範圍內，光線坐標與空間高度h的關係；
d)依次類推，便可得到0到h的連續範圍內，光線坐標隨空間高度變化的關係表w(x,y,h)，將該表保存起來。
查詢表只需要生成一次，保持相機和光源相對位置不變，再測量其他物體時，可以採用快速三維測量的方法：
構建查詢表之後，相機和線陣結構光的相對位置保持不變，放置待測物體，採集其表面的線陣結構光圖像，圖像處理得到表面雷射線某點坐標(x,y),根據之前保存的關係表或者叫查詢表w，去查找(x,y)對應的高度h，最後根據一系列的三維坐標值進行三維表面還原。
本發明提供一種線陣結構光三維快速測量裝置及其測量方法，本發明通過運用線陣結構光和查詢表的原理，簡便快捷的完成物體表面三維輪廓測量。首先利用傳統標定方法得到相機的內參數和畸變參數；再採集不同空間高度的線陣結構光圖像，利用標定參數對圖像進行畸變矯正；然後利用插值計算得到每條雷射線圖像坐標位置和高度的對應關係，生成相應的檢索表並保存；查詢表只需要生成一次，保持相機和光源相對位置不變，再測量其他物體時，只需要將待測物體放在基準平面，利用圖像採集器得到線陣結構光在其表面的圖像；利用圖像處理得出雷射線的圖像坐標，直接查找之前的檢索表就可以得到雷射線的深度信息；進而快速還原出物體的三維輪廓。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。