本發(fā)明屬于三維測(cè)量技術(shù)，涉及一種大型物體三維測(cè)量拼接方法，尤其是一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維測(cè)量數(shù)據(jù)拼接方法。

技術(shù)背景

大型船舶工件的彎曲是船舶制造的重要環(huán)節(jié)。由于船用工件較厚，要將其精確地彎曲到設(shè)計(jì)要求的形狀是非常困難的。目前造船企業(yè)大多采用火燒之后手工敲打，然后再比對(duì)目標(biāo)模型的方法。這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)、且精度和效率低，為此需研發(fā)大型船舶工件彎曲自動(dòng)化控制系統(tǒng)。船舶工件彎曲自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，三維測(cè)量是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確測(cè)量出工件的三維形狀，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。由于大型船舶工件表面不能加裝傳感器，所以只能采用非接觸測(cè)量法。目前，常用的非接觸測(cè)量法有兩種：激光測(cè)量法和視覺(jué)測(cè)量法。由于船舶工件尺寸較大(8m×3m)，如果采用激光測(cè)量，測(cè)量速度較慢，無(wú)法滿足工業(yè)的實(shí)時(shí)加工要求。視覺(jué)測(cè)量方法具備測(cè)量速度高的優(yōu)點(diǎn)，因此，采用視覺(jué)測(cè)量法是比較好的選擇。但是一般的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量較小的目標(biāo)，在測(cè)量大型的船舶工件時(shí)，就需要多次測(cè)量，然后再進(jìn)行拼接。因此在大型工件的三維測(cè)量中，拼接技術(shù)相當(dāng)關(guān)鍵，將影響到整體的測(cè)量精度。

目前，存在多種測(cè)量數(shù)據(jù)拼接方法。文獻(xiàn)一“三維點(diǎn)云對(duì)齊中基于結(jié)構(gòu)光立體成像的基準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)(three-dimensionalpointcloudalignmentdetectingfiducialmarkersbystructuredlightstereoimaging)”【barone,s.,paoli,a.,razionale,a.v.:three-dimensionalpointcloudalignmentdetectingfiducialmarkersbystructuredlightstereoimaging.mach.vis.appl.23(2),217–229(2012)】，公開(kāi)了一種測(cè)量大型物體的方法，該方法首先在被測(cè)的大型物體表面粘貼輔助標(biāo)記，然后根據(jù)對(duì)輔助標(biāo)記的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拼接。但是方法非常繁瑣，所需時(shí)間較長(zhǎng)，使用不方便，并且拼接結(jié)果會(huì)受到被測(cè)物體形狀的影響。文獻(xiàn)二“大型曲面板的三維測(cè)量”【bai,suqin,etal."three-dimensionalmeasurementoflarge-scaletexture-lessbendingplates."journalofelectronicimaging24.1(2015):013001-013001.】，該拼接方法利用投影儀向被測(cè)物體表面投射特殊紋理，然后利用相機(jī)拍攝并分析所投射的紋理特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拼接，但是該方法受外界光線的影響較大，結(jié)果極易不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題與不足，一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維測(cè)量數(shù)據(jù)拼接方法，該方法操作簡(jiǎn)易，速度較快，不受外界光線的影響，也不受被測(cè)物體幾何形狀的影響，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而有效的數(shù)據(jù)拼接。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維測(cè)量數(shù)據(jù)拼接方法，所采用的系統(tǒng)包括：一臺(tái)包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維掃描儀、多個(gè)分別包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)的立體跟蹤器、gpu服務(wù)器；所述工業(yè)相機(jī)和投影儀分別經(jīng)由千兆網(wǎng)線和usb接口連接到gpu服務(wù)器；其特征在于，包括如下具體步驟：

(1)采用n個(gè)立體跟蹤器ti、一臺(tái)三維掃描儀；在所述的每臺(tái)立體跟蹤器和三維掃描儀上分別安裝m個(gè)led標(biāo)記；然后采用棋盤(pán)格標(biāo)定法，標(biāo)定led標(biāo)記，即：分別計(jì)算立體跟蹤器ti的led標(biāo)記在立體跟蹤器ti坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和三維掃描儀的led標(biāo)記在三維掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；假設(shè)立體跟蹤器ti標(biāo)定之后的led坐標(biāo)為三維掃描儀標(biāo)定之后的led坐標(biāo)為所述的i∈{1,....,n}、j∈{1,....,m}；

(2)在依次放置的n個(gè)立體跟蹤器ti中，要確保ti上的led標(biāo)記能被ti-1看到，將t1作為全局坐標(biāo)系；

(3)前一個(gè)立體跟蹤器ti-1拍攝下一個(gè)立體跟蹤器ti的led標(biāo)記，并在ti-1的坐標(biāo)系中，計(jì)算ti的led標(biāo)記的坐標(biāo)，記作

(4)以led標(biāo)記的坐標(biāo)為頂點(diǎn)構(gòu)建連通圖，不同的頂點(diǎn)之間的連線作為圖的邊，用一個(gè)矩陣表示連通圖；是一個(gè)m×m的矩陣，dhk表示矩陣第h行k列的元素；dhk表示第h個(gè)頂點(diǎn)和第k個(gè)頂點(diǎn)之間的歐式距離；同理，以led標(biāo)記的坐標(biāo)為頂點(diǎn)，構(gòu)建連通圖

(5)匹配連通圖和

(6)根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算ti-1和ti坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；

(7)獲得相鄰跟蹤器之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，估計(jì)立體跟蹤器的姿態(tài)；對(duì)于第i個(gè)立體跟蹤器，如果i＝2，它的姿態(tài)可以表示為如果i≥3，它的姿態(tài)可以表示為：

(8)三維掃描儀在立體跟蹤器的視場(chǎng)中移動(dòng)，測(cè)量大型物體的局部三維數(shù)據(jù)，假設(shè)在時(shí)刻t，三維掃描儀測(cè)量到的數(shù)據(jù)點(diǎn)云記作此時(shí)立體跟蹤器會(huì)測(cè)量到三維掃描儀上的led標(biāo)記，假設(shè)第i個(gè)立體跟蹤器ti測(cè)量到三維掃描儀上的led標(biāo)記，記作

(9)利用步驟(4)的方法，針對(duì)和構(gòu)建連通圖，分別記作gs和gt；

(10)利用步驟(5)的方法，匹配連通圖gs和gt，確立led標(biāo)記在三維掃描儀坐標(biāo)和ti坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，假設(shè)和相對(duì)應(yīng)；

(11)根據(jù)匹配的結(jié)果，計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)；

(12)根據(jù)三維掃描儀和立體跟蹤器的姿態(tài)，拼接三維掃描儀在時(shí)刻t測(cè)量的局部數(shù)據(jù)

在所述步驟(5)中，所述的匹配連通圖和的具體步驟如下：

對(duì)于中的每行元素，創(chuàng)建一個(gè)kd-tree；

對(duì)于的第y行中的任一列p的元素利用kd-tree樹(shù)，在的第x行中，尋找離最近的元素然后利用如下公式計(jì)算的第y行與的第x行之間的距離，

記錄第y行的所有然后求解如下公式：

如果dmin≤δ，所述的δ是一個(gè)已設(shè)定值，則認(rèn)為找到連通圖和中的匹配頂點(diǎn)；這里假設(shè)和相匹配。

在所述步驟(6)中，利用以下公式(3)計(jì)算ti-1和ti坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：

其中，r∈ξ^3×3，且υ∈ξ³。

在所述步驟(11)中，假設(shè)此時(shí)三維掃描儀的姿態(tài)為可用下式計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)：

在所述步驟(12)中，采用以下公式，拼接三維掃描儀在時(shí)刻t測(cè)量的局部數(shù)據(jù)

所述的δ已設(shè)定值為1毫米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1.本發(fā)明在多跟蹤器環(huán)境下，采用無(wú)接觸式拼接技術(shù)，不受限于被測(cè)物體的形狀、溫度等特征，效率較高；

2.本發(fā)明的拼接精度不會(huì)受到環(huán)境光的影響，增加了測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)用性，為船舶外板制造、飛機(jī)外板制造以及大型海洋工程裝備等制造中的三維測(cè)量提供了一種有效的數(shù)據(jù)拼接技術(shù)手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所采用的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維測(cè)量數(shù)據(jù)拼接方法，所采用的系統(tǒng)如圖1所示，包括有：一臺(tái)包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維掃描儀、多個(gè)分別包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)的立體跟蹤器、gpu服務(wù)器；所述工業(yè)相機(jī)和投影儀分別經(jīng)由千兆網(wǎng)線和usb接口連接到gpu服務(wù)器。

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖。如圖2所示。本實(shí)施例具體步驟如下：

a.假設(shè)采用n個(gè)立體跟蹤器ti(i∈{1,....,n})，一個(gè)三維掃描儀，在每個(gè)立體跟蹤器和三維掃描儀上需要安裝m個(gè)led標(biāo)記。然后采用棋盤(pán)格標(biāo)定法，標(biāo)定led標(biāo)記(即計(jì)算立體跟蹤器ti的led標(biāo)記在立體跟蹤器ti坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，以及三維掃描儀的led標(biāo)記在三維掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo))，假設(shè)立體跟蹤器ti標(biāo)定之后的led坐標(biāo)為三維掃描儀標(biāo)定之后的led坐標(biāo)為

b.在安裝系統(tǒng)時(shí)，依次放置立體跟蹤器，要確保ti上的led標(biāo)記能被ti-1看到，并且將t1作為全局坐標(biāo)系；

c.前一個(gè)立體跟蹤器ti-1拍攝下一個(gè)立體跟蹤器ti的led標(biāo)記，并在ti-1的坐標(biāo)系中，計(jì)算ti的led標(biāo)記的坐標(biāo)，記作

d.以led標(biāo)記的坐標(biāo)為頂點(diǎn)構(gòu)建連通圖，不同的頂點(diǎn)之間的連線作為圖的邊。用一個(gè)矩陣表示這個(gè)連通圖。是一個(gè)m×m的矩陣，表示矩陣第h行k列的元素。表示第h個(gè)頂點(diǎn)和第k個(gè)頂點(diǎn)之間的歐式距離；同理，以led標(biāo)記的坐標(biāo)為頂點(diǎn)，構(gòu)建連通圖

e.匹配連通圖和方法如下：對(duì)于的第x行，利用kd-tree算法創(chuàng)建樹(shù)，對(duì)于的第y行中的任一列p的元素利用kd-tree樹(shù)，在的第x行中，尋找離最近的元素然后利用如下公式計(jì)算的第y行與的第x行之間的距離，

記錄第y行的所有然后求解如下公式：

如果dmin≤δ(δ是一個(gè)設(shè)定好的值，例如1毫米)，則認(rèn)為找到連通圖和中的匹配頂點(diǎn)。這里假設(shè)和相匹配；

f.根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可利用公式(3)計(jì)算ti-1和ti坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

這里

其中，r∈ξ^3×3，且υ∈ξ³。

g.獲得相鄰跟蹤器之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，就可以估計(jì)立體跟蹤器的姿態(tài)。對(duì)于第i個(gè)立體跟蹤器，如果i＝2，它的姿態(tài)可以表示為如果i≥3，它的姿態(tài)可以表示為：

h.三維掃描儀在立體跟蹤器的視場(chǎng)中移動(dòng)，測(cè)量大型物體的局部三維數(shù)據(jù)，假設(shè)在時(shí)刻t，三維掃描儀測(cè)量到的數(shù)據(jù)點(diǎn)云記作此時(shí)立體跟蹤器會(huì)測(cè)量到三維掃描儀上的led標(biāo)記，假設(shè)第i個(gè)立體跟蹤器ti測(cè)量到三維掃描儀上的led標(biāo)記，記作

i.利用步驟d.的方法，針對(duì)和構(gòu)建連通圖，分別記作gs和gt；

j.利用步驟e.的方法，匹配連通圖gs和gt，確立led標(biāo)記在三維掃描儀坐標(biāo)和ti坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，假設(shè)和相對(duì)應(yīng)；

k.根據(jù)匹配的結(jié)果，計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)，假設(shè)此時(shí)三維掃描儀的姿態(tài)為可以如下公式計(jì)算：

l.根據(jù)三維掃描儀和立體跟蹤器的姿態(tài)，拼接三維掃描儀在時(shí)刻t測(cè)量的局部數(shù)據(jù)如下公式

。