本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量領(lǐng)域，將多個攝像機陣列式分布與激光投影裝置組合成陣列式并行激光投影三維掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)對復(fù)雜臺階邊緣測量敏感，可實現(xiàn)物體的非接觸、高速度和物體邊緣臺階高精度測量。

背景技術(shù)：

光學(xué)三維測量由于具有非接觸、高精高和速度快的優(yōu)勢，已在工業(yè)制造、動畫特技制作、游戲娛樂和醫(yī)學(xué)等行業(yè)嶄露頭角，顯示了巨大的技術(shù)先進性和強大的生命力，其應(yīng)用可謂方興未艾,并且制造商也在逐漸開發(fā)出性能更好的產(chǎn)品，己初步形成了頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

光學(xué)三維測量分為主動式和被動式兩種。被動式測量技術(shù)主要以立體視覺技術(shù)為代表，采用非結(jié)構(gòu)光照明方式，從一個或多個角度觀察系統(tǒng)中的二維圖像信息來合成第三維信息，從而得到物體的三維數(shù)據(jù)。立體視覺技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但存在著匹配難、計算速度慢等缺點。主動式測量技術(shù)以結(jié)構(gòu)光條紋投影和激光線掃描為代表。

結(jié)構(gòu)光條紋投影方法是將條紋投影到被測物體表面，經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形條紋由攝像機采集，再進一步解調(diào)得到和深度信息有關(guān)的調(diào)制信號，最后經(jīng)過標定得到物體表面的三維形貌。

激光線掃描測量法，是以一條或多條激光光線(光刀)圖像來重現(xiàn)物體三維形貌，即從光刀圖像中提取光刀中心位置，然后利用三角測量原理對光刀中心逐點進行求解，來獲得形面三維數(shù)據(jù)。該技術(shù)以其非接觸性、靈敏度高、實時性好、抗干擾能力強、對金屬物體表面同樣可以進行測量等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)檢測和金屬測量領(lǐng)域中。然而，在傳統(tǒng)的激光線掃描測量方法中，都是向被測物投影一個方向的一條或多條光刀，由于激光線寬通常在0.2mm-0.5mm，在物理上難以壓縮，當測量物體有相互垂直的邊緣時，傳統(tǒng)的測量方法只可以在某一方向的邊緣測量滿足要求，使用傳統(tǒng)的測量方法時需要多次測量并且還需要旋轉(zhuǎn)裝置。同時，傳統(tǒng)的激光掃描的測量精度將受到光源技術(shù)和投影設(shè)備的影響，傳統(tǒng)的投影鏡頭采用dlp，lcd等數(shù)字光技術(shù)，但由于其投影像素離散、分辨率有限、光強度非線性和功耗高等缺點，嚴重影響了三維掃描的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種將多個陣列式分布攝像機與激光投影裝置組合成陣列式并行激光投影三維掃描系統(tǒng)。該掃描系統(tǒng)選用激光微振鏡投影裝置，可以橫向和縱向同時投影一條或多條線激光，替代了傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)中的單色激光器和機械位移結(jié)構(gòu)；該投影裝置可以編程，按照編碼同時投影多條不同方向的線激光，利用陣列式分布攝像機對其進行采集和識別，對被測物體不同方向的邊緣測量比較敏感，只進行掃描一次就可以重建物體復(fù)雜邊緣臺階，且測量速度快，邊緣測量精度高。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種陣列式并行激光投影三維掃描系統(tǒng)，包括用于投影不同方向線激光的激光微振鏡投影裝置和用于數(shù)據(jù)采集的兩組(或多組)陣列式攝像機。對每張采集的圖像，先進行不同方向的光刀分離，然后對每個方向光刀分別提取光刀中心，根據(jù)投影裝置與攝像機之間的三角關(guān)系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動一個像素，重復(fù)上述過程提取光刀處物體三維坐標，直到光刀獲取整個物體表面的三維坐標。該方法的優(yōu)勢在于：可以同時投影兩個方向線激光，對測量物體復(fù)雜邊緣臺階敏感，只需要一次掃描可以實現(xiàn)不同方向邊緣的三維重建且不需要任何旋轉(zhuǎn)裝置。

整個掃描過程如下：

第一步：在掃描被測物前，標定攝像機內(nèi)參和攝像機與基準平面的位姿關(guān)系。

(1)每組攝像機分別標定左攝像機與右攝像機(或投影裝置)組合成的雙目(或單目)立體視覺系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)(攝像機有效焦距、光心、畸變系數(shù)、像元間距、兩攝像機坐標系間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)。

(2)在基準平面放置一個標定板，每組攝像機分別采集一張標定板圖片，求出每組攝像機中的左攝像機與標定板坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

第二步：計算有效區(qū)域光刀中心矩陣

(1)該步驟以兩組雙目系統(tǒng)為例描述，通過傅里葉變化求取a組攝像機(a1、a2)采集到圖片的頻譜信息，選擇合適的濾波器濾除x方向的光刀頻譜信息和x方向的邊緣頻譜信息；然后，進行逆傅里葉變化，求取y方向的光刀中心矩陣center。

(2)將a組攝像機(a1、a2)采集的背景圖片，通過邊緣檢測算子(如sobel算子)可以得到被測物y方向邊緣的二值化矩陣mask。根據(jù)公式center*(1-mask)可得到y(tǒng)方向有效區(qū)域的光刀中心矩陣。對于圖片質(zhì)量較差的光刀位置，采用多級曝光技術(shù)，來求取該位置的光刀中心。采用同樣的方法，對b組攝像機(b1、b2)采集到的數(shù)據(jù)進行同樣的處理，獲得b組攝像機x方向的有效光刀中心矩陣。

第三步：進行物體三維重建

根據(jù)第一步對系統(tǒng)進行的標定過程，可以獲得每組攝像機的標定內(nèi)參和外參。并且，我們已經(jīng)計算出每組攝像機的有效光刀中心矩陣，通過極線校正和雙目立體視覺技術(shù)，可以獲得每組攝像機三維點云模型。將每組攝像機的三維點云模型轉(zhuǎn)到同一個參考平面坐標系下，然后再利用icp(internativeclosestpoints)算法優(yōu)化，最后形成完整的被測物體的三維點云數(shù)據(jù)。

有益效果

本發(fā)明方案提出的是一種陣列式并行激光投影三維掃描系統(tǒng)，激光投影裝置采用的是mems掃描振鏡激光，相比數(shù)字光和物理光柵技術(shù)，具有景深大，掃描速度快，體積小和掃描精度高的優(yōu)點；同時該系統(tǒng)將攝像機陣列式分布，對復(fù)雜臺階邊緣測量敏感，可實現(xiàn)物體的非接觸、高速度和物體邊緣臺階高精度測量。

附圖說明

圖1示出一種陣列式并行激光投影三維掃描裝置整體圖，其中，a1為第一攝像機，a2為第二攝像機，b1為第三攝像機，b2為第四攝像機，攝像機2為激光投影裝置，攝像機4為被測物體；

圖2示出多光刀采集原圖；

圖3示出提取x方向多光刀圖片；

圖4示出提取y方向多光刀圖片。

具體實施方式

下面具體結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。

在被測物上方放置一個陣列式并行激光投影三維掃描裝置(圖一所示)，其包括用于投影不同方向線激光的激光微振鏡投影裝置和用于數(shù)據(jù)采集的兩組或多組陣列式攝像機，攝像機圍繞激光投影裝置呈陣列式分布。

一種陣列式并行激光投影三維掃描系統(tǒng)，具體包括以下步驟：

第一步，標定系統(tǒng)參數(shù)。

在掃描被測物前，標定攝像機內(nèi)參和攝像機與激光平面的位姿關(guān)系。該步驟以一組單目系統(tǒng)和一組雙目系統(tǒng)為例分別介紹具體標定過程。

(1)標定雙目系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)

第一攝像機和第二攝像機中心對稱設(shè)置，第一攝像機和第二攝像機組成了a組攝像機，先以a組攝像機為例，標定第一攝像機a1第一攝像機a1與第二攝像機a2內(nèi)外參數(shù)(攝像機有效焦距、光心、像元間距、兩攝像機坐標系間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)方法如下：

該標定為雙攝像機系統(tǒng)標定，要知道每個攝像機的內(nèi)參，同時還要知道兩個攝像機坐標系之間的位置關(guān)系，這種位置關(guān)系可以用a2攝像機在a1攝像機之間的位姿表示也可以認為是a2攝像機坐標系中的某點的坐標到a1攝像機坐標系中相對應(yīng)點的坐標轉(zhuǎn)換：

pc1＝rrpc2+tr

同時，定義兩個投影中心之間的平移為平移向量tr,被稱作基線；世界坐標系中的一點pw投影為第一個圖像中的p1點與第二個圖像中的p2點；暫時假設(shè)鏡頭沒有畸變，pw、o1、o2、p1、p2在同一平面上；雙攝像機系統(tǒng)標定中，以空間點投影到a1、a2兩個攝像機的圖像上的投影像素坐標與攝像機拍攝到的真實圖像坐標距離最小為優(yōu)化目標；mi表示標定板上一個標志點，將一個攝像機拍攝到的標定圖像看作是第一組，其中標志點mi在圖像上表示為mi,j,1；將二個攝像機拍攝到的標定圖像看作是第二組，其中標志點mi在圖像上表示為mi,j,2；另外攝像機參數(shù)也用向量c表示，它包含兩個攝像機的內(nèi)參，l個標定板在第二個攝像機中的位置參數(shù)，以及兩個攝像機之間的相對位姿；當攝像機參數(shù)向量c確定時，雙目系統(tǒng)的成像模型，以及重建的三角關(guān)系就確定了，也就確定了mi到第一幅和第二幅圖像的映射π1(mi,c)和π2(mi,c)；因此雙目立體視覺系統(tǒng)標定的目標函數(shù)是：

從而求出最優(yōu)解的c,也就是我們需要的標定結(jié)果，包括兩個攝像機的內(nèi)參c＝(f1,κ1,sx1,sy1,cx1,cy1,f2,κ2,sx2,sy2,cx2,cy2)和a2坐標系在a1坐標系中的位姿[rr,tr]。

用同樣的方法，對b組攝像機也用上述方法進行標定，可以獲得b組(b1，b2)兩個攝像機的內(nèi)參和b2在b1攝像機坐標系中的位姿[rr,tr]。

(2)標定單目系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)

先以標定a1攝像機與投影裝置為例，標定第一攝像機a1第一攝像機a1與投影裝置的內(nèi)外參數(shù)(攝像機有效焦距、光心、像元間距、攝像機坐標系與投影裝置間平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣)方法如下：

①擺放好標定板，使之位于攝像機和投影儀的共同視場內(nèi)。用攝像機拍攝標定板的圖像，保存每一張圖像，并提取圖像中標定每個標志點的圖像坐標和圓心的亞像素坐標；

②用投影儀向標定板分別投射一組水平方向和垂直方向的三頻四步相移條紋圖，并用攝像機拍攝圖像作為投影儀逆攝像機模型所拍攝的圖像；

③對條紋相位圖進行處理，利用四步相移法的相位展開(相位解包裹)分別計算出水平方向和垂直方向的條紋投影的絕對相位值，在使用四步相移法計算四步相移相位圖的相位主值時，需要對相位優(yōu)化處理；

④根據(jù)攝像機坐標系下的標志點圓心所對應(yīng)的像素，利用立方插值得到每個圓心坐標在x方向和y方向所對應(yīng)的絕對相位值，然后利用絕對相位值在標準相位展開圖上再次利用立方插值計算出對應(yīng)的投影圖像的橫坐標和縱坐標，從而得到每個標志點圓心對應(yīng)的投影儀圖像坐標；

⑤在計算出標志點在投影裝置的逆攝像機模型的坐標后，對投影裝置進行標定，得到攝像機、投影裝置的內(nèi)部參數(shù)和攝像機與投影裝置的相對位置矩陣。

第三攝像機和第四攝像機中心對稱設(shè)置，第三攝像機和第四攝像機組成了b組攝像機，用同樣的方法，對b1攝像機也用上述方法進行標定，可以獲得b1攝像機的內(nèi)參和b1攝像機坐標系與投影儀的位姿[rr,tr]。

(3)分別標定a1、b1攝像機坐標系與標定板坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

在標定系統(tǒng)中，除了需要標定攝像機的內(nèi)外參數(shù)，還需要標定攝像機坐標系與標定板坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。將標定板放置在基準平面(激光平面)，用a、b兩組攝像機分別拍攝一張圖片，則標定板上一點p在a1、b1兩個攝像機坐標系下的坐標分別是pa1,pb1,且p、pa1和pb1滿足關(guān)系式

p＝ta+rapa1

p＝tb+rbpb1

第二步，計算有效區(qū)域光刀中心矩陣

(1)該步驟以兩組雙目系統(tǒng)為例描述，通過傅里葉變化求取a組攝像機(a1、a2)采集到圖片的頻譜信息，選擇合適的濾波器濾除x方向的光刀頻譜信息和x方向的邊緣頻譜信息；然后，進行逆傅里葉變化，求取y方向的光刀中心矩陣center。

(2)將a組攝像機(a1、a2)先分別采集一張背景圖片，保證該圖片可以分辨出被測物體的邊緣信息。通過邊緣檢測算子(如sobel算子)可以得到被測物y方向邊緣的二值化矩陣mask。根據(jù)公式center*(1-mask)可得到y(tǒng)方向有效區(qū)域的光刀中心矩陣。對于圖片質(zhì)量較差的光刀位置，調(diào)整攝像機參數(shù)，采用多級曝光技術(shù)，進行再次數(shù)據(jù)采集，并求取該位置的光刀中心。采用同樣的方法，對b組攝像機(b1、b2)采集到的數(shù)據(jù)進行同樣的處理，獲得b組攝像機x方向的有效光刀中心矩陣。圖二為光刀采集原圖，圖三為提取x方向光刀圖片，圖四為提取y方向多光刀圖片。

第三步，進行物體三維重建

我們已經(jīng)獲得光刀中心矩陣和攝像機的內(nèi)外參數(shù)，根據(jù)(類)雙目立體視覺技術(shù)，可以重建出兩個不同方向的點云模型，將兩個不同方向的點云模型進行基于基準面坐標系粗拼接和icp算法精確拼接，可以獲得物體的三維模型，具體過程如下：

(1)基于基準面坐標系粗拼接

上述得到的物體的點云模型分別在a1，b1攝像機坐標下，根據(jù)第一步得到的a1攝像機坐標系與基準面坐標系的位姿關(guān)系ra，ta，利用公式p＝ta+rapa1，將a1攝像機坐標系下的點云模型，全部轉(zhuǎn)到基準面坐標系下。同樣，根據(jù)b1攝像機坐標系與基準面坐標系的位姿關(guān)系rb，tb，利用公式p＝tb+rbpb1，將b1攝像機坐標系下的點云模型，全部轉(zhuǎn)到基準面坐標系下,可以得到被測物的粗拼接模型。

(2)icp算法精確拼接

在上述基于基準面坐標粗拼接的基礎(chǔ)上，采用icp(internativeclosestpoints)算法對齊進行優(yōu)化拼接，得到更加準確的拼接結(jié)果。

icp算法是找出兩個有重合區(qū)域的點集的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)空間對應(yīng)點求解其坐標變換。icp算法是一種迭代收斂算法，所以對初始值的估計非常敏感，基于基準面坐標粗拼接可以為icp算法提供比較準確的初始位姿。

假定用{pi|i＝1,2,3,…，r}和{qi|i＝1,2,3,…,s}表示經(jīng)過基于基準面坐標粗拼接之后的空間兩個對應(yīng)點集，p和q不用一一對應(yīng)，r，s也不必相等，設(shè)r＞s，兩片點云有n個正確對應(yīng)點。icp算法的就是找到這兩個空間對應(yīng)點集之間的旋轉(zhuǎn)r和平移t變換，使下式的目標函數(shù)最小。

因此采用icp算法進行拼接優(yōu)化，提高被測物體復(fù)雜邊緣臺階的精度，最終可以得到完整精確的模型。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。