專利名稱：一種基于單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光的三維坐標(biāo)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光的三維坐標(biāo)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
逆向工程(Reverse Engineering)是指從產(chǎn)品的實(shí)物樣件或模型反求幾何模型的過程。主要研究如何從實(shí)物或者樣件上準(zhǔn)確高效地采集復(fù)雜三維表面數(shù)據(jù)，進(jìn)而重建出CAD實(shí)體模型，廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造，醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。三維掃描測(cè)量的目的是為了獲取物體三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通常可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，接觸式測(cè)量效率低、操作復(fù)雜，難以測(cè)量外形復(fù)雜的物體。非接觸式測(cè)量包括線結(jié)構(gòu)光掃描法、投影光柵法、立體視覺法等。線結(jié)構(gòu)光掃描法是一種發(fā)展比較成熟的方法，典型的工作方式是通過電機(jī)控制激光發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，投射一條激光線在物體表面移動(dòng)，激光線根據(jù)物體表面形狀發(fā)生空間扭曲，形成測(cè)量光柵條紋，由相機(jī)捕捉成像，經(jīng)圖像處理獲得中心條紋信息，結(jié)合相機(jī)標(biāo)定的參數(shù)，可以計(jì)算出物體表面的三維信息。一般的線結(jié)構(gòu)光三維掃描儀通常由兩個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)結(jié)構(gòu)光源的組成依據(jù)三維攝影測(cè)量理論，傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定是指采用特定的照相機(jī)模型，求取相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的過程。通常將鏡頭抽象為投影點(diǎn)，求出拍照時(shí)的各種幾何常量。對(duì)于鏡頭的誤差，則采用各種補(bǔ)償算法。傳統(tǒng)方法最大的問題是無法對(duì)相機(jī)鏡頭的畸變準(zhǔn)確的補(bǔ)償，從而影響三維測(cè)量的精度。如圖I所示，圖I中，兩架攝像機(jī)安裝在激光器光源的左右兩側(cè)，光平面與攝像機(jī)視場(chǎng)相交的部分是測(cè)量平面區(qū)域。同一次測(cè)量中兩臺(tái)攝像機(jī)各拍一張圖像，分別得到物體表面上亮帶部分的三維坐標(biāo)。采用兩個(gè)攝像機(jī)的目的是為了擴(kuò)大觀察角度，從而減少測(cè)量盲區(qū)，但是使用兩個(gè)攝像機(jī)的缺點(diǎn)是攝像機(jī)的標(biāo)定困難，需要進(jìn)行多視角數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)工作，從而影響測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明的目的在于，提供一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，以解決非接觸式測(cè)量線結(jié)構(gòu)光掃描法雙攝像機(jī)的數(shù)據(jù)采集量小，成本高，數(shù)據(jù)傳輸量大，需要進(jìn)行多個(gè)攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)問題?，F(xiàn)將本發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下本發(fā)明一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其特征在于包括攝像機(jī)標(biāo)定、光平面標(biāo)定、坐標(biāo)求解三大步驟，具體如下步驟I :攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定的是建立圖像上像素坐標(biāo)與形成該像點(diǎn)的一條空間直線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過合理分布樣本點(diǎn)的位置、建立樣本點(diǎn)集的像素坐標(biāo)與空間直線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到全部測(cè)量空間內(nèi)的連續(xù)映射。由于光線在空氣中可以認(rèn)為是直線，這種方法避開了鏡頭的幾何畸變，更有實(shí)用價(jià)值。步驟I. I :標(biāo)定器材
標(biāo)定器材為放置在活動(dòng)滑板上的垂直安裝的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖案平板，標(biāo)定塊安裝在模型夾持器上，標(biāo)定塊AB兩面平行，兩面相同位置有黑底白線網(wǎng)格圖案；標(biāo)定板是具有漫反射表面的平板，圖像上既有網(wǎng)格，又可以獲取紅藍(lán)光柵圖像。步驟I. 2 :攝像機(jī)標(biāo)定算法步驟I. 2. I :標(biāo)定時(shí)使垂直轉(zhuǎn)軸繞X軸旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針90度，攝像機(jī)光軸與坐標(biāo)系y軸重合，標(biāo)定板平面放置在與I軸垂直的平面上，原點(diǎn)位置在標(biāo)定板的中心，對(duì)應(yīng)三維空間坐標(biāo)(x，z)為(0，0)，標(biāo)定時(shí)使三維掃描儀平移平臺(tái)在y方向pi位置和p2位置分別拍攝兩幅標(biāo)定板的圖像(如圖5)。通過圖像處理的方法提取網(wǎng)格線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)，每個(gè)網(wǎng)格交點(diǎn)的像素坐標(biāo)和三維空間坐標(biāo)可以——對(duì)應(yīng)，如表I。在y = 0附近的三維空間即為三維測(cè)量空間，與攝像機(jī)有固定的相互位置關(guān)系。步驟I. 2. 2 :依據(jù)表I中的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用雙線性插值方法建立由像素坐標(biāo)到成像直線的映射函數(shù)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(biāo)(xp, yp)在平面pi和平面p2對(duì)應(yīng)的
三維坐標(biāo)。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(quán)利要求
1.一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I :攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定的是建立圖像上像素坐標(biāo)與形成該像點(diǎn)的一條空間直線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過合理分布樣本點(diǎn)的位置、建立樣本點(diǎn)集的像素坐標(biāo)與空間直線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到全部測(cè)量空間內(nèi)的連續(xù)映射； 步驟2 :光平面的標(biāo)定光平面的標(biāo)定是為獲得紅、藍(lán)線結(jié)構(gòu)光三維空間方程，在兩張標(biāo)定圖像上獲取紅藍(lán)線結(jié)構(gòu)光圖像像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)，利用最小二乘法擬合出紅色光平面和藍(lán)色光平面方程； 步驟3 :三維坐標(biāo)求解在掃描過程中拍攝的彩色圖像上搜索紅藍(lán)線結(jié)構(gòu)光中心像素坐標(biāo)，建立空間直線方程1，求解直線I與標(biāo)定光平面的交點(diǎn)，得到空間三維坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其特征在于步驟I中所述的攝像機(jī)標(biāo)定具體如下 步驟I. I :標(biāo)定器材 標(biāo)定器材為放置在活動(dòng)滑板上的垂直安裝的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖案平板，標(biāo)定塊安裝在模型夾持器上，標(biāo)定塊AB兩面平行，兩面相同位置有黑底白線網(wǎng)格圖案；標(biāo)定板是具有漫反射表面的平板； 步驟I. 2 :攝像機(jī)標(biāo)定算法 步驟I. 2. I :標(biāo)定時(shí)使垂直轉(zhuǎn)軸繞X軸旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針90度，攝像機(jī)光軸與坐標(biāo)系y軸重合，標(biāo)定板平面放置在與y軸垂直的平面上，原點(diǎn)位置在標(biāo)定板的中心，對(duì)應(yīng)三維空間坐標(biāo)(x,z)為(0，0)，標(biāo)定時(shí)使三維掃描儀平移平臺(tái)在y方向pi位置和p2位置分別拍攝兩幅標(biāo)定板的圖像；通過圖像處理的方法提取網(wǎng)格線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)，每個(gè)網(wǎng)格交點(diǎn)的像素坐標(biāo)和三維空間坐標(biāo)——對(duì)應(yīng)，在y = 0附近的三維空間即為三維測(cè)量空間，與攝像機(jī)有固定的相互位置關(guān)系，形成樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)； 步驟I. 2. 2 :依據(jù)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用雙線性插值方法建立由像素坐標(biāo)到成像直線的映射函數(shù)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(biāo)(xp, yp)在平面pi和平面p2對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。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(jù)權(quán)利要求I所述的一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其特征在于步驟2中所述的光平面的標(biāo)定是將在標(biāo)定板上的投影記錄在標(biāo)定圖像中，通過提取紅色和藍(lán)色光柵在y = pi和y = p2樣本點(diǎn)的像素坐標(biāo),計(jì)算對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo),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(lán)色光平面方程ax+by+cz+1 = O 步驟2. 3 :將樣本數(shù)據(jù)代入axj+byj+czj+l = Oax2+by2+cz2+l = O (6)axn+byn+czn+l = O 步驟2. 4:計(jì)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(duì)a，b，c求偏導(dǎo)數(shù)，令偏導(dǎo)數(shù)為零，化簡(jiǎn)，解方程組，得到a，b，c，采樣密度越大，計(jì)算出的光平面方程越準(zhǔn)確。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光三維掃描方法，其特征在于步驟3中所述的三維坐標(biāo)求解具體如下 步驟3. I :空間三維坐標(biāo)求解算法模型掃描的過程中，通過模型下面的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)以及平移臺(tái)的平移運(yùn)動(dòng)，拍攝出牙模型不同角度的圖像，分離出紅色和藍(lán)色光柵圖像，進(jìn)行細(xì)化操作求光柵采樣點(diǎn)的中心像素坐標(biāo)(xp，yp)； 步驟3. 2 :依據(jù)上述步驟，得到該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的空間直線方程L :P = Pl+A (P2-P1)，紅色像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直線和紅色光平面方程求交點(diǎn)，藍(lán)色像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直線和藍(lán)色光平面方程求交點(diǎn)，得到攝像機(jī)坐標(biāo)系下的牙模型三維坐標(biāo)(1。，7。，2。); 步驟3. 3 :旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)，旋轉(zhuǎn)和平移模型轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，得到空間坐標(biāo)變換矩陣(X, Y，z, I) = (X。，yc, zc, 1)M,其中
全文摘要
本發(fā)明屬涉及一種基于單攝像機(jī)雙色線結(jié)構(gòu)光的三維坐標(biāo)測(cè)量方法。包括攝像機(jī)標(biāo)定光平面的標(biāo)定；三維坐標(biāo)求解大步驟本發(fā)明是建立圖像上像素坐標(biāo)與形成該像點(diǎn)的一條空間直線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到全部測(cè)量空間內(nèi)的連續(xù)映射；為獲得紅、藍(lán)線結(jié)構(gòu)光三維空間方程，在兩張標(biāo)定圖像上獲取紅藍(lán)線結(jié)構(gòu)光圖像像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)，；在拍攝的彩色圖像上搜索紅藍(lán)線結(jié)構(gòu)光中心像素坐標(biāo)，建立空間直線方程求解得到空間三維坐標(biāo)。本發(fā)明同傳統(tǒng)的三維測(cè)量方法相比，數(shù)據(jù)采集量大，成本低，數(shù)據(jù)傳輸量小，不需要進(jìn)行多個(gè)攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，圖像中的綠色分量還可以用來對(duì)背景干擾進(jìn)行消除，使測(cè)量對(duì)環(huán)境光不敏感。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102628671SQ201210103449
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者孫玉春, 宋大虎, 李忠科, 李曉軍, 楊眉, 王 忠, 董澤峰 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院