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一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法與流程

文檔序號:11130569閱讀:4523來源:國知局
一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法與制造工藝

本發(fā)明屬于視覺測量領(lǐng)域,具體涉及一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法。



背景技術(shù):

產(chǎn)品的數(shù)字化是實(shí)施逆向工程中首要而關(guān)鍵的一步,數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量直接影響著后續(xù)逆向工程內(nèi)容的展開。手持式結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描系統(tǒng)因?yàn)榫哂斜銛y性和自定位功能而帶來更廣泛的應(yīng)用,其運(yùn)行時(shí)只需在被測物上粘貼若干個(gè)標(biāo)志點(diǎn),手持掃描儀如同刷油漆一樣,撲捉物體的表面形狀,加速和簡化了掃描處理,特別適用于各種工件和裝配的設(shè)計(jì)、制造和檢測。

手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的基本原理是利用雙相機(jī)間的空間約束關(guān)系,解算粘貼在被測物上的標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo),而標(biāo)志點(diǎn)的空間位置不變性又為雙相機(jī)反解自身當(dāng)前位置提供了約束條件,從而實(shí)現(xiàn)掃描儀自定位,雙相機(jī)間的空間約束關(guān)系通過相機(jī)參數(shù)標(biāo)定獲??;高密度點(diǎn)云的獲取由左相機(jī)實(shí)現(xiàn),其圖像采集是一種空間三維信息到二維信息的轉(zhuǎn)換,所以單純的從圖像中無法獲取物體的三維坐標(biāo)信息,因此引入結(jié)構(gòu)光平面方程約束條件,再對空間三維坐標(biāo)進(jìn)行求解,而光平面方程通過結(jié)構(gòu)光標(biāo)定獲取。

可見,相機(jī)系統(tǒng)與線結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定是該類儀器研制過程中的關(guān)鍵。目前,線結(jié)構(gòu)光視覺測量標(biāo)定技術(shù)主要包含兩步:相機(jī)標(biāo)定、結(jié)構(gòu)光平面結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定,其中相機(jī)標(biāo)定是結(jié)構(gòu)光平面結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定的前提。相機(jī)標(biāo)定包括左右相機(jī)的內(nèi)參數(shù)(畸變參數(shù))標(biāo)定和外參數(shù)(位置參數(shù))標(biāo)定,常用的標(biāo)定方法有:傳統(tǒng)標(biāo)定方法、自標(biāo)定方法、主動視覺標(biāo)定方法,以及介于傳統(tǒng)標(biāo)定方法和自 標(biāo)定方法之間的平面標(biāo)定方法等,該技術(shù)在國內(nèi)外均比較成熟。

光平面的標(biāo)定是指在攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)已精確標(biāo)定的前提下,通過解算光平面上特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo),利用這些特征點(diǎn)三維坐標(biāo)確定光平面在參考坐標(biāo)系中的位置結(jié)構(gòu)參數(shù)即光平面的方程的過程。光平面的標(biāo)定方法目前主要有拉絲法、齒形靶標(biāo)法、基于交比不變性的方法和2D(3D立體)靶標(biāo)法等方法。但上述方法均需要通過其他精密調(diào)整和測量機(jī)構(gòu)獲取光平面中的一些特征點(diǎn)來對結(jié)構(gòu)光平面進(jìn)行標(biāo)定。如拉絲法需要采用其他的三維坐標(biāo)測量手段〔如經(jīng)緯儀等)測量細(xì)絲與光平面交點(diǎn)坐標(biāo);齒形靶標(biāo)法需要通過精密調(diào)整使得結(jié)構(gòu)光平面與齒形靶標(biāo)棱線垂直后才能對光平面進(jìn)行標(biāo)定。

以上常用的結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定方法標(biāo)定過程比較復(fù)雜,工作量比較大,成本較高。為了能夠快速,簡便的標(biāo)定出光平面的結(jié)構(gòu)參數(shù),亟需一種標(biāo)定方法,簡單易操作,同時(shí)保證了測量的精度,適用于手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀應(yīng)用的現(xiàn)場標(biāo)定。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法,簡化手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀結(jié)構(gòu)光平面的標(biāo)定流程,提高速度,降低成本。

為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法,具體包括以下步驟:

步驟一、分別對左相機(jī)、右相機(jī)的內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定:采用平面標(biāo)定法,根據(jù)畸變模型解算獲得左相機(jī)、右相機(jī)的畸變矩陣M1L和M1R;

步驟二、標(biāo)定右相機(jī)相對于左相機(jī)的外參矩陣:同樣采用平面標(biāo)定法,將標(biāo)定板擺放在雙相機(jī)的公共視野范圍內(nèi)的不同位置獲取多幅標(biāo)定板圖像,根據(jù) 雙目測量模型解算右相機(jī)相對于左相機(jī)的外參矩陣MR2L;

步驟三、經(jīng)過上述兩個(gè)步驟左相機(jī)和右相機(jī)已經(jīng)構(gòu)成了雙目測量系統(tǒng),由步驟一中的畸變矩陣M1L和M1R和步驟二中的外參矩陣MR2L,利用雙目解算模型,使用手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀沿條紋方向?qū)l紋平板進(jìn)行掃描,由雙目測量系統(tǒng)對條紋與線結(jié)構(gòu)光交點(diǎn)進(jìn)行提取和測量,獲取n個(gè)結(jié)構(gòu)光平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)(Xdi,Ydi,Zdi),(i=0,1,…n-1),計(jì)算得到平面參數(shù)A,B,D的數(shù)值,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的掃描測量,解算得到世界坐標(biāo)系下測量點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo)Xwp,Ywp,Zwp。

所述的步驟三中,n≥3。

所述的步驟三中平面參數(shù)A,B,D的數(shù)值的計(jì)算方法為,采用最小二乘法擬合,得出平面的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過這些特征點(diǎn)擬合出光平面的平面方程,必須滿足:

最小。

所述的步驟三中,Xwp,Ywp,Zwp的計(jì)算采用下式計(jì)算,其中Zwp=AXwp+BYwp+D,

M1L左相機(jī)的畸變矩陣;

M2L為像機(jī)外參矩陣;

(u,v)為左相機(jī)像素坐標(biāo)系下坐標(biāo);

ρ=ZLp為左相機(jī)坐標(biāo)系下z坐標(biāo)。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于:此方法利用手持式掃描儀的雙目測量系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)共用同一個(gè)相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),由雙目測量系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定提供標(biāo)準(zhǔn),在不借助其他任何高精度標(biāo)定設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定。該方法標(biāo)定流程簡單,快速,同時(shí)保證了測量的精度,適用于手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀應(yīng)用的現(xiàn)場標(biāo)定。應(yīng)用效果顯示所有特征點(diǎn)到平面的距離平均值為小于0.05mm,說明系統(tǒng)具有較高的的標(biāo)定精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的空間幾何測量模型示意圖;

圖中:1為世界坐標(biāo)系;2為左相機(jī)像素坐標(biāo)系;3為線結(jié)構(gòu)光與條紋交點(diǎn);4為條紋平板;5為線結(jié)構(gòu)光;6為右相機(jī)坐標(biāo)系;7為左相機(jī)像面坐標(biāo)系;8為左相機(jī)坐標(biāo)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的現(xiàn)場標(biāo)定方法,如圖1為手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的空間幾何測量模型,其中主要包含了5個(gè)坐標(biāo)系:世界坐標(biāo)系(Xw,Yw,Zw),雙目系統(tǒng)測量坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd),左相機(jī)像面坐標(biāo)系(x,y),左相機(jī)像素坐標(biāo)系(u,v),以及左相機(jī)坐標(biāo)系(XL,YL,ZL),且左相機(jī)機(jī)坐標(biāo)系ZL軸與相機(jī)自身光軸重合。OLO1兩點(diǎn)間距離是相機(jī)的有效焦距fc。手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的雙目測量系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)共用同一個(gè)相機(jī),即左相機(jī),故雙目系統(tǒng)測量坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd)與左相機(jī)坐標(biāo)系(XL,YL,ZL)重合。對于被測對象表面某一個(gè)特征點(diǎn)P,其在世界坐標(biāo)系與左相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別用[Xwp,Ywp,Zwp]與[XLp,YLp,ZLp]來表示,由相機(jī)成像模 型我們能夠推導(dǎo)出左相機(jī)像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,如下式所示:

式中:fc是左相機(jī)機(jī)的有效焦距,ρ=ZLp。Sx,Sy分別是左相機(jī)每一個(gè)象素點(diǎn)矩形長和寬的物理尺寸大小。(u0,v0)是左相機(jī)光軸與成像平面的交點(diǎn)的像素坐標(biāo),也是圖像的實(shí)際中心點(diǎn)位置。M1L完全由fc,Sx,Sy,u0,v0決定,M1L與相機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和加工制造誤差有很大關(guān)系,稱之為內(nèi)參數(shù)矩陣,M2L完全由R,T所決定,R,T是左相機(jī)相對于世界坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和平移變化參數(shù)矩陣,稱為像機(jī)外參矩陣,通常M2L=E,為單位矩陣,M=M1LM2L,M為3*4矩陣,稱為投影矩陣,相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)可通過像機(jī)標(biāo)定技術(shù)標(biāo)定出來。

從上式可以看出,式中包含有ρ,Xwp,Ywp,Zwp四個(gè)未知數(shù),已知圖像坐標(biāo)(u,v)的情況下是無法求解空間三維坐標(biāo)(Xw,Yw,Zw),因此引入約束條件Zw=f(Xw,Yw)即結(jié)構(gòu)光平面方程,再對空間三維坐標(biāo)進(jìn)行求解。設(shè)線結(jié)構(gòu)光平面方程為:

Zwp=AXwp+BYwp+D

本發(fā)明具體包括以下步驟:

步驟一、分別對左相機(jī)、右相機(jī)的內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定:采用平面標(biāo)定法,將標(biāo)定板擺放在相機(jī)視野范圍內(nèi)不同位置獲取多幅標(biāo)定板圖像,并且使標(biāo)定板能夠 覆蓋機(jī)的全部視野范圍,不同的圖像坐標(biāo)位置攝像機(jī)鏡頭的畸變不同,根據(jù)畸變模型解算獲得左相機(jī)、右相機(jī)的畸變矩陣M1L和M1R;

步驟二、標(biāo)定右相機(jī)相對于左相機(jī)的外參矩陣:同樣采用平面標(biāo)定法,將標(biāo)定板擺放在雙相機(jī)的公共視野范圍內(nèi)的不同位置獲取多幅標(biāo)定板圖像,根據(jù)雙目測量模型解算右相機(jī)相對于左相機(jī)的外參矩陣MR2L

步驟三、經(jīng)過上述兩個(gè)步驟左相機(jī)和右相機(jī)已經(jīng)構(gòu)成了雙目測量系統(tǒng),由步驟一中的畸變矩陣M1L和M1R和步驟二中的外參矩陣MR2L,利用雙目解算模型,能夠?qū)崿F(xiàn)在其公共視野所見范圍內(nèi)空間三維點(diǎn)坐標(biāo)的測量,本發(fā)明即利用這一特點(diǎn),由雙目測量系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)光平面標(biāo)定提供標(biāo)準(zhǔn),無需借助其他測量標(biāo)準(zhǔn),由于手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀的雙目測量系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)共用同一個(gè)相機(jī),即左相機(jī),兩測量系統(tǒng)的測量坐標(biāo)系重合,故雙目系統(tǒng)測量坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd)與左相機(jī)坐標(biāo)系(XL,YL,ZL)重合,當(dāng)采用雙目測量系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí),測量結(jié)果均建立在雙目系統(tǒng)測量坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd)下,即世界坐標(biāo)系(Xw,Yw,Zw)與雙目系統(tǒng)測量坐標(biāo)系(Xd,Yd,Zd)重合,且像機(jī)相對于世界坐標(biāo)系的外參矩陣為E,線結(jié)構(gòu)光平面方程為可轉(zhuǎn)換為:

Zdp=AXdp+BYdp+D

其中:Xdp,Ydp,Zdp為P點(diǎn)在雙目坐標(biāo)系的三維坐標(biāo);A,B,D為平面參數(shù);

根據(jù)空間幾何學(xué)可知:空間中不共線的三點(diǎn)可以解算出一個(gè)光平面的方程,因此我們只需要獲取線結(jié)構(gòu)光平面內(nèi)不共線的三點(diǎn)或三點(diǎn)以上的特征點(diǎn)坐標(biāo)就可以擬合出光平面的結(jié)構(gòu)參數(shù),只要知道特征點(diǎn)在雙目測量坐標(biāo)系中的線結(jié)構(gòu)光面上的點(diǎn)坐標(biāo),即可求解結(jié)構(gòu)光平面方程;

使用手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀沿條紋方向?qū)l紋平板進(jìn)行掃描,由 雙目測量系統(tǒng)對條紋與線結(jié)構(gòu)光交點(diǎn)進(jìn)行提取和測量,為了提高解算精度,將條紋平板放置在與手持式線結(jié)構(gòu)光視覺三維掃描儀不同距離處多次掃描,獲取n個(gè)結(jié)構(gòu)光平面上的點(diǎn)坐標(biāo),n≥3,為了提高光平面結(jié)構(gòu)參數(shù)的正確性,使取到的點(diǎn)更具有代表性,首先對所測得的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行直線擬合,在擬合直線上在重新選取n個(gè)特征點(diǎn)(Xdi,Ydi,Zdi),(i=0,1,…n-1),對平面進(jìn)行最小二乘法擬合,得出平面的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過這些特征點(diǎn)擬合出光平面的平面方程,必須滿足:

最小,計(jì)算得到平面參數(shù)A,B,D的數(shù)值,利用下式可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的掃描測量,解算得到世界坐標(biāo)系下測量點(diǎn)P點(diǎn)坐標(biāo)Xwp,Ywp,Zwp,其中Zwp=AXwp+BYwp+D,

上面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明,但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例,在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi),還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容均可以采用現(xiàn)有技術(shù)。

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