一種基于主動斑投射器的三維形貌動態(tài)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于主動斑投射器的三維形貌動態(tài)測量方法，所述方法包括以下步驟：S100、制作主動斑投射器；S200、多測量頭全局標定；S300、利用多測量頭采集散斑投射器投射至運動物體表面的散斑圖像；S400、運動物體表面的三維重建；S500、點云全局對齊。本發(fā)明所述的方法測量速度快，能夠在2毫秒內完成圖像數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)一般運動物體的單次測量，還可以實現(xiàn)旋轉物體在測量頭位置的多次動態(tài)測量。本發(fā)明方法不需要對物體表面進行噴涂處理，且對環(huán)境光的抗干擾性強，測量不受外界光強的影響。
【專利說明】
一種基于主動斑投射器的三維形貌動態(tài)測量方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理和三維光學測量領域中運動物體的三維數(shù)據(jù)測量領域，特別 涉及一種大型運動物體的三維快速掃描方法。
【背景技術】
[0002] 當前基于相機的非接觸式光學測量方法很多，國內外目前己出現(xiàn)各種商業(yè)化的掃 描系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般基于光柵、紅外或激光掃描原理，由于一次掃描需要多次投影光柵或 激光條紋，使得整體掃描速度較慢，所以主要用于物體在靜止狀態(tài)下的掃描。而當需要物體 在運動的過程中獲取其形貌時，這些方法便不再適用。
[0003] 在高新技術和尖端產業(yè)中，對運動物體輪廓測量的需求非常迫切。如何快速地動 態(tài)檢測某些運動物體的形貌特征是一個亟待解決的問題。一方面，從生產效率的角度，流水 線上的零件只有在運動過程中被測量才能達到較高的生產效率。比如傳送帶上持續(xù)傳輸?shù)?發(fā)動機零件噴管的平面度檢測。傳送帶不允許停止，需要對過往的零件逐個進行測量，并將 數(shù)據(jù)發(fā)回加工中心，用于質檢。另一方面，從研究運動特性的角度，需要考察某物體在反復 運動過程中，運動狀態(tài)對其形貌特征的影響，也需要對物體的形貌進行動態(tài)獲取，考察運動 過程中的形貌變化。比如，直升機旋翼在轉動過程中，掌握葉片輪廓的在運動過程中的形貌 狀況，為研究葉片的動態(tài)特性，提高直升機的飛行性能打下基礎。

【發(fā)明內容】

[0004] 為克服傳統(tǒng)測量手段的缺陷，滿足運動物體三維數(shù)據(jù)快速、動態(tài)掃描的需求，本發(fā) 明公開了一種基于主動斑投射器的三維快速掃描方法；
[0005] 所述方法包括以下步驟：
[0006] S100、制作主動斑投射器；
[0007] S200、多測量頭全局標定:通過在測量視場中布置標定板來標定每個測量頭中相 機的內外方位元素，接著確定測量頭之間的坐標系轉換矩陣；
[0008] S300、利用多測量頭采集步驟S100中制作的主動斑投射器投射在運動物體表面的 散斑圖案，每個測量頭分別得到兩幅散斑圖像；
[0009] S400、利用數(shù)字圖像相關法對步驟S300中每個測量頭得到的兩幅散斑圖像進行圖 像匹配，同時利用步驟S200中每個測量頭中相機的內外方位元素對圖像匹配后的散斑圖像 進行三維重建，每個測量頭將得到一幅點云數(shù)據(jù)；
[0010] S500、點云全局對齊:利用步驟S200中獲得的測量頭之間的坐標系轉換矩陣將步 驟S400中每個測量頭獲得的點云數(shù)據(jù)變換到同一個坐標系下，并進行多幅點云融合，最終 得到完整的運動物體模型。
[0011] 本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點：
[0012] (1)測量速度快，能夠在2毫秒內完成圖像數(shù)據(jù)的采集，便可以實現(xiàn)一般運動物體 的單次測量，還可以實現(xiàn)旋轉物體在測量頭位置的多次動態(tài)測量。
[0013] (2)本發(fā)明方法不需要對物體表面進行噴涂處理，且對環(huán)境光的抗干擾性強，測量 不受外界光強的影響。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明一個實施例中動態(tài)形貌測量方法流程圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明一個實施例中單個測量頭測量示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明一個實施例中20m大型槳葉整體測量布置方案；
[0017] 圖4為本發(fā)明一個實施例中主動斑投射器內部結構示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明一個實施例中采用光刻法制作的散斑片；
[0019] 圖6(a)本發(fā)明一個實施例中調整電子散斑布局大小等參數(shù)的對話框;圖6(b)本發(fā) 明一個實施例中生成的電子散斑；
[0020] 圖7為本發(fā)明一個實施例中主動斑投射器；
[0021 ]圖8(a)顯示單個測量頭的外觀以及其構成；圖8(b)是該測量頭的內部結構；
[0022]圖9為本發(fā)明一個實施例中標定板；
[0023] 圖10(a)為本發(fā)明一個實施例中數(shù)字圖像相關法中的子區(qū)劃分方式；圖10(b)為本 發(fā)明一個實施例中數(shù)字圖像相關法中的子區(qū)劃分的另一種方式；
[0024] 圖11為本發(fā)明一個實施例中標定板的擺放方位示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖及具體的實施例對本發(fā)明進行進一步的說明：
[0026]在一個實施例中，本發(fā)明公開了一種基于主動斑投射器的三維快速掃描方法； [0027]所述方法包括以下步驟：
[0028] S100、制作主動斑投射器；
[0029] S200、多測量頭全局標定:通過在測量視場中布置標定板來標定每個測量頭中相 機的內外方位元素，接著確定測量頭之間的坐標系轉換矩陣；
[0030] S300、利用多測量頭采集步驟S100中制作的主動斑投射器投射在運動物體表面的 散斑圖案，每個測量頭分別得到兩幅散斑圖像；
[0031] S400、利用數(shù)字圖像相關法對步驟S300中每個測量頭得到的兩幅散斑圖像進行圖 像匹配，同時利用步驟S200中每個測量頭中相機的內外方位元素對圖像匹配后的散斑圖像 進行三維重建，每個測量頭將得到一幅點云數(shù)據(jù)；
[0032] S500、點云全局對齊:利用步驟S200中獲得的測量頭之間的坐標系轉換矩陣將步 驟S400中每個測量頭獲得的點云數(shù)據(jù)變換到同一個坐標系下，并進行多幅點云融合，最終 得到完整的運動物體模型。
[0033]在本實施例中，利用制作的主動斑投射器向運行物體的表面投射散斑圖案，采用 一組或者多組測量頭采集所述散斑圖案;所述測量頭的數(shù)量由運動物體的大小決定，對于 較小運動物體或測量區(qū)域較小時，如圖2所示，可使用由主動投斑器、相機1和相機2組成的 單個測量頭進行動態(tài)測量，對于較大的運動物體，需使用多個測量頭進行測量，測量頭的數(shù) 量以測量范圍能夠覆蓋運動物體的為準。在測量頭的測量場景中布置貼有編碼標志點的標 定板對測量頭中的相機的內外方位元素進行標定。根據(jù)采集的散斑圖像使用數(shù)字圖像相關 法對運動物體表面進行三維重建，獲取點云數(shù)據(jù)，對所述點云數(shù)據(jù)進行融合，最后得到運動 物體的完整三維模型。
[0034] 在一個實施例中，步驟S100中所述的主動斑投射器包括LED閃光燈，聚光鏡，前菲 涅爾透鏡、散斑片，后菲涅爾透鏡以及鏡頭；
[0035] 所述LED閃光燈發(fā)出的光通過聚光鏡的漫反射作用投射在前菲涅爾透鏡上，通過 前菲涅爾透鏡形成平行于軸線的光束，所述平行于軸線的光束穿過散斑片再通過后菲涅爾 透鏡會聚于鏡頭的光心位置，最后光束投射到運動物體表面。
[0036]在本實施例中，應保證LED閃光燈的光心距離前菲涅爾的距離為前菲涅爾透鏡的 焦距，后菲涅爾透鏡與黑白相機的鏡頭光心的距離為后菲涅爾透鏡的焦距，當所處環(huán)境為 大視場和需要高亮度投射時，LED燈可替換為大功率陣列式垂直腔面發(fā)射激光器。
[0037] 在一個實施例中，步驟S200中所述的測量頭包括:主動斑投射器與雙目黑白相機。
[0038] 在本實施例中，常見的布置形式為將主動斑投射器與雙目黑白相機放置在一起， 構成一個測量頭，主動斑投射器如圖7所示，主動斑投射器與兩個黑白相機組成的測量頭如 圖8(a)所示，其內部結構如圖8(b)所示。調整主動斑投射器鏡頭的光圈以及測量頭上黑白 相機的焦距與光圈，保證黑白相機采集到的散斑圖像清晰。
[0039] 在一個實施例中，步驟S200中通過在測量視場中布置標定板來標定每個測量頭中 相機的內外方位元素具體包括：
[0040]將標定板放置在測量頭的測量距離內，改變標定板或測量頭的姿態(tài)，保證標定板 在測量頭的視場內，利用雙目黑白相機同時采集多張圖像，求解測量頭中雙目黑白相機的 內外參數(shù)。
[0041] 標定是借助于系統(tǒng)配置的標準標定板，利用一定的算法計算出測量頭的所有內外 部結構參數(shù)，依靠這些參數(shù)正確的重建出測量點的三維坐標。標定板上按照一定規(guī)則分布 有編碼點和非編碼點，帶有兩個標尺信息，標尺即標定板上兩斜對角標志點間的距離。標定 板的背面標有詳細的刻度和參數(shù)信息。
[0042] 在本實施例中，通過在測量視場中布置標定板進行雙相機內、外參數(shù)的標定;具體 為:在所述標定板上均勻粘貼環(huán)形的編碼標志點和圓點型的非編碼標志點;標定時，將標定 板在雙目黑白相機公共視場內將擺放出不同位姿，并控制相機同步拍攝標定板不同位姿的 圖像;然后對采集的標定圖像進行處理，利用工業(yè)攝影測量原理進行整體一次性解算，得到 兩個相機的內部參數(shù)和外部參數(shù)。
[0043]本實施例采用的標定算法為八步法，所述八步法就是在系統(tǒng)的標準測量距離下， 依次采集八個不同方位的模板圖像，標定板的擺放方位示意圖的一個方案如圖11所示。 [0044]在一個實施例中，步驟S200中確定測量頭之間的坐標系轉換矩陣具體為：
[0045] S201、將所有測量頭都安裝在測量臺上，保證運動物體在測量頭的視場范圍內；
[0046] S202、按照測量頭在測量臺上的安裝順序，依次對相鄰兩個測量頭進行坐標系轉 換矩陣的計算；
[0047] S203、根據(jù)相鄰兩個測量頭的坐標系轉換矩陣計算任意兩個測量頭之間的坐標系 轉換矩陣。
[0048] 所述步驟S202具體包括以下步驟：
[0049] S2021、在標定板上布置編碼點，將標定板放置在運動物體位置處，使其位于兩個 相鄰測量頭的公共視場內，保證所述兩個測量頭能測量到標定板上相同編碼點的數(shù)目至少 為4個且不共線；
[0050] S2022、使用步驟S2021中所述的兩個測量頭同時采集圖像，對所述圖像進行三維 重建，計算步驟S2021中所述相同的編碼點在兩個測量頭的坐標系下的坐標；
[0051 ] S2023、基于步驟S2022，計算兩個測量頭之間的坐標系轉換矩陣；
[0052] S2024、移動標定板，按照步驟S2021-2023中所述的方法，依次計算其余相鄰兩個 測量頭之間的坐標系轉換矩陣。
[0053]在本實施中，以三個測量頭為例來說明計算測量頭之間的坐標系轉換矩陣:如圖3 所示的測量頭1、測量頭2和測量頭3,以建立測量頭1、測量頭2兩個測量頭的坐標系轉換關 系為例，將三個測量頭安裝在測量臺上，然后將標定板放置在槳葉運動的高度，且在測量頭 1、 測量頭2兩個測量頭的公共視場內，保證兩個測量頭所能看到的相同編碼點的數(shù)目至少 為4個且不共線。兩個測量頭同時采集照片，通過三維重建，可以計算這些公共點在兩個不 同坐標系下的坐標。通過SVD分解或者四元數(shù)法可求解出兩個坐標系的變換矩陣。對測量頭 2、 測量頭3兩個測量頭進行相同的操作。
[0054]這樣僅需通過兩次放置標定板，可求出測量頭1、測量頭3兩個測量頭的坐標系變 換至中間的測量頭的坐標系下的旋轉和平移矩陣。
[0055]在一個實施例中，所述步驟S2023具體為:基于步驟S2022,使用SVD分解算法或者 四元數(shù)法求解兩個測量頭之間的坐標系轉換矩陣。
[0056]在一個實施例中，步驟S203中所述任意兩個測量頭之間坐標系轉換矩陣為：
[0057] Cj = CiR(i,j)+T(i，j)
[0058]其中，Ci、Cj為不同測量頭的坐標系，和分別為Ci向Cj轉換的旋轉矩陣和 平移矩陣。
[0059]在一個實施例中，步驟S500中所述的點云融合具體包括以下步驟：
[0060] S5001、設定距離閾值K;
[00611 S5002、對于N幅點云，以第一幅點云為基準，在剩余N-1幅點云中進行K近鄰搜索， 搜索到的點則視為相同空間點，在剩余N-1幅點云中刪除所述相同空間點；
[0062] S5003、消隱第一幅點云，以第二幅保留點云為基準，在剩余N-2幅保留點云中進行 K近鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，在剩余N-2幅點云中刪除所述相同空間點； [0063] S5004、依次消隱第i幅點云，以第i+1幅保留點云為基準，在剩余N_(i+1)幅保留點 云中進行K近鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，在剩余N-(i + l)幅保留點云中刪除所 述相同空間點；
[0064] S5005、直到消隱第N-2幅點云，以第N-1幅保留點云為基準，在第N幅保留點云中進 行K近鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，刪除最后一幅點云中所述相同空間點，得到 第N幅保留點云，所述第N-1幅保留點云、第N幅保留點云與之前消隱的所有保留點云形成最 終的融合結果。
[0065]在一個實施例中，步驟S500中所述的點云融合具體包括以下步驟：
[0066] S501、建立整幅點云的長方體包圍盒，并對其進行柵格分割，得到多個長方體單 元；
[0067] S502、遍歷每個長方體單元，若某個長方體單元中至少存在兩個點，則保留其中任 意一個，刪除其余的點，所有長方體單元中保留的點為最終的融合結果。
[0068]本實施例中，所述長方體包圍盒，就是坐標轉換后的整體點云，求其在xyz三個方 向上的最大值，構建的一個長方體。所述柵格分割，是將長方體包圍盒在長寬高三個長度上 進行一定數(shù)量的等分，假設分別等分為K，M，N個，這樣整個長方體就被分割為K*M*N個小的 長方體單元。
[0069]在一個實施例中，本發(fā)明提出一種基于主動斑投射器的三維形貌動態(tài)測量方法， 基本流程如圖1所示。由于本發(fā)明用于測量動態(tài)運動物體的三維輪廓，因此援引大型旋轉物 體的動態(tài)測量更能體現(xiàn)出測量方法上的優(yōu)勢，本實施方式以直升機旋翼的測量方案為對象 重點敘述。以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0070]對于較小運動物體或測量區(qū)域較小時，如圖2所示，可使用由主動斑投射器和雙目 黑白相機構成的單個測量頭進行動態(tài)測量。
[0071 ]對于20m旋翼槳葉，一組雙目黑白相機的視場不能完全覆蓋機翼表面。擬將其分為 槳葉根部、槳葉中部、槳葉尖部三個關鍵部分進行測量，采用景深不同的三組雙目黑白相 機，調整其視場，使其能覆蓋機翼整個表面。圖3所示為測量環(huán)境以及附件的布置情況。將3 組測量頭牢固布置于四角可調節(jié)支架的主梁上，通過傳感器確定主軸的轉動位置，并將周 期性信號發(fā)送給頻閃儀、主動斑投射器和測量頭，完成槳葉根部、中部、槳尖的圖像采集。頻 閃儀主要用于補光。
[0072] 在主動斑投射區(qū)域有限的情況下，可使用多個投射器覆蓋整個測量面，投射重疊 的區(qū)域不會影響影響點云的計算。
[0073] 下面以測量旋轉槳葉為例，詳細描述本發(fā)明提供的基于主動斑投射器的三維形貌 動態(tài)測量方法，所述方法包括以下步驟：
[0074]第一步，制作主動斑投射器；
[0075] 主動斑投射器的內部結構見圖4所示。主要包括LED閃光燈，聚光鏡，前菲涅爾透 鏡，散斑片，后菲涅爾透鏡以及鏡頭。LED閃光燈發(fā)出的光通過聚光鏡的漫反射作用投射在 前菲涅爾透鏡上，通過前菲涅爾透鏡形成平行于軸線的光束，穿過散斑片再通過后菲涅爾 透鏡將平行光會聚在鏡頭的光心位置，然后光線將會投射到物體表面。其中應保證LED閃光 燈的光心距離前菲涅爾的距離為前菲涅爾透鏡的焦距，后菲涅爾透鏡與鏡頭光心的距離為 后菲涅爾透鏡的焦距?？紤]到大視場和高亮度投射，LED燈可替換為大功率陣列式垂直腔面 發(fā)射激光器。
[0076] 散斑片是將電子制作的隨機散斑圖案通過激光刻蝕在玻璃上形成的（見圖5)。根 據(jù)測量幅面的大小，考慮到相機的光軸與運動物體的表面并不垂直，隨機散斑需要針對斜 光軸的情況制作相應橢圓形狀的散斑。為此，編寫程序生成了可調節(jié)長短大小的橢圓形電 子散斑模板，見圖6(b)所示，圖6(a)為調整電子散斑圖案布局大小等參數(shù)的對話框。
[0077] 常見的布置形式為將主動斑投射器與雙目黑白相機放置在一起，構成一個測量 頭，主動斑投射器如圖7所示，主動斑投射器與兩個黑白相機組成的測量頭如圖8(a)所示， 其內部結構如圖8(b)所示。調整主動斑投射器鏡頭的光圈以及測量頭上黑白相機的焦距與 光圈，保證相機采集到的散斑圖像清晰。
[0078] 第二步、多測量頭全局標定:通過在測量視場中布置標定板來標定每個測量頭中 相機的內外方位元素，接著確定測量頭之間的坐標系轉換矩陣；
[0079] 首先，在地面上對每個測量頭進行獨立標定。將標定板（圖9)放置在測量距離內， 改變標定板或者測量頭的姿態(tài)均可，同時用相機采集多張狀態(tài)照片，優(yōu)選8張，可求解出每 個測量頭中黑白相機的內外參數(shù)。下面需要確定測量頭之間的坐標系變換關系。
[0080] 如圖3所示測量頭1、測量頭2和測量頭3,以建立測量頭1、測量頭2兩個測量頭的坐 標系轉換關系為例，將三個測量頭安裝在測量臺上，然后將標定板放置在槳葉運動的高度， 且在測量頭1、測量頭2兩個測量頭的公共視場內，保證兩個測量頭所能看到的相同編碼點 的數(shù)目至少為4個且不共線。兩個測量頭同時采集照片，通過三維重建，可以計算這些公共 點在兩個不同坐標系下的坐標。通過SVD分解或者四元數(shù)法可求解出兩個坐標系的變換矩 陣。對測量頭2、測量頭3兩個測量頭進行相同的操作。
[0081] 這樣僅需通過兩次放置標定板，可求出測量頭1、測量頭3兩個測量頭的坐標系變 換至中間的測量頭的坐標系下的旋轉和平移矩陣。
[0082] 這個標定板也可以用別的板代替，只要上面布置的編碼點滿足上述公共視場編碼 點數(shù)目大于4且不共線即可。當然，也可以考慮制作較大的標定板，先用攝影測量求出標定 板上編碼點的坐標，定出全局坐標系。在測量臺上固定好三個測量頭后，將標定板放置在槳 葉高度，擺動8個狀態(tài)并同時拍照即可完成所有標定工作，只是這樣很大的標定板在空中擺 放比較困難，地面上的大型運動物體可以這樣標定。
[0083]第三步、利用多測量頭采集第一步制作的主動斑投射器投射在運動物體表面的散 斑圖案，每個測量頭分別得到兩幅散斑圖像；
[0084] 以旋轉槳葉為例：首先槳葉轉速與頻譜儀的頻率相同，保證槳葉在雙目黑白相機 的視場內時，頻譜儀正好將光打到槳葉上，同時通過軟件控制，使主動斑投射器瞬間把清晰 的散斑投射到槳葉表面，這時相機快速采集表面附著有散斑的槳葉圖像，如此則完成一次 采集，每個測量頭分別得到兩幅散斑圖像，獲得了該時刻下用于計算槳葉形貌的圖像數(shù)據(jù)。 用下述步驟可快速求解出槳葉形貌。如要繼續(xù)測量，可當槳葉轉動一周后，頻閃儀再次打 光，主動斑投射器同時投射，然后測量頭采集照片，如此循環(huán)。
[0085] 第四步、針對每個測量頭得到的兩幅散斑圖像，采用數(shù)字圖像相關法進行圖像匹 配，同時利用第二步中每個測量頭中相機的內外方位元素對圖像匹配后的散斑圖像進行三 維重建，每個測量頭將得到一幅點云數(shù)據(jù)；
[0086] 在數(shù)字圖像相關法中，對每個測量頭中獲得的兩幅圖像，劃分子區(qū)以后，使用的子 區(qū)相似度評價函數(shù)為
[0088]式中：p = [u，v]為相關參數(shù)向量，f (xli，yli)為左圖像點（xli，yli)的灰度值，g (111，71〇為右圖像點(111，71〇的灰度值。
[0089]參考子區(qū)和目標子區(qū)間可看作是單純地剛性平移。因此，采用下式描述目標子區(qū) 的偏移情況： xr = xi+u.
[0090] < yr = yi + v
[0091] 式中：[u，v]為左右對應圖像點[x，y]圖像坐標方向上的偏移量。
[0092] 常規(guī)的圖像相關計算劃定的子區(qū)形狀為長方形，如圖10(a)所示;這種長方形網(wǎng)格 中，每個點向相鄰四個點進行擴散。本發(fā)明中所述子區(qū)域采用如圖10(b)所示的等邊三角形 子區(qū)，所述等邊三角形子區(qū)域中每個點向相鄰六個點進行擴散。這使得種子點擴散的效率 和對散斑圖像子區(qū)的利用率提高。
[0093] 本發(fā)明采用散斑投射法與傳統(tǒng)的在表面噴涂制造散斑在進行圖像匹配是均采用 了數(shù)字圖像相關法，本發(fā)明采用的數(shù)字圖像相關法具有如下特點：
[0094] 1)圖像存在弱相關性，測量頭受實驗臺安放位置限制，相機測量光軸與被測槳葉 表面的傾角較大，使單個測量頭采集得兩幅圖像的相關性微弱，為此，計算整體灰度梯度的 平方和相關性，在兩幅圖像中優(yōu)選一個相關度最高的子區(qū)作為種子；以種子格為中心進行 鄰域網(wǎng)格擴散計算，對己生成的每個網(wǎng)格進行置信度評價;將最優(yōu)網(wǎng)格作為新種子格進行 重新擴散，最終實現(xiàn)高速旋轉槳葉的弱相關圖像精確匹配和網(wǎng)格擴散。
[0095 ] 2)邊緣輪廓區(qū)域識別，形貌測量需要準確地找到運動物體的外邊緣，這樣重建的 結果不會包括物體外部的無關區(qū)域。本發(fā)明采用基于圖像灰度梯度的方法剔除圖像中無效 計算區(qū)域。
[0096]使用Sobel梯度算子求出圖像梯度。
[0097] = 2g.(.x +1，j) - 2g(x - 1，.V)十呈.(.X +1, y - 1) - g(x -- 1) + g.〇 +1, )，+1) - g(x - 1, y +1.) ' 8V= ^S(x? y + ^)~~ y """ U + ^(-^ ++1) ~ g(x +1, .y ~1) + -1, y +1) - g(x ~l,y - 1) 8(x,y)^^8；+g2}
[0098] 灰度梯度反映的是該像素處的灰度值與周圍像素灰度值的差異程度。當圖像子區(qū) 位于運動物體內部時，由于表面附著散斑，子區(qū)中的特征較多，每個像素的灰度值與周圍的 差異比較劇烈，則平均梯度值較大。
[0099] 當子區(qū)處于運動物體外部區(qū)域時，由于子區(qū)內相鄰像素之間的變化比較平靜，平 均梯度值較小。因此，引入梯度均值閾值，如果小于這個閾值，就認為是非物體表面，放棄這 個子區(qū)的匹配?；叶忍荻鹊挠嬎闳缦率剑?br>[0101]當子區(qū)處于運動物體邊緣時，計算得到平均梯度可能仍然滿足要求，這時通過梯 度在子區(qū)中分布的均勻性來判斷是否是邊緣。理論上，當子區(qū)全部為運動物體表面時，梯度 重心應該接近子區(qū)的幾何中心。如果子區(qū)為物體邊緣，則該子區(qū)中出現(xiàn)的情況是一邊有散 斑特征，另一邊無散斑特征。計算得到的梯度重心將會向著無散斑特征的區(qū)域偏移。無散斑 區(qū)域越大，梯度重心偏離子區(qū)幾何中心越大。為此設定一個閾值，當梯度重心不在以幾何中 心為圓心，閾值為半徑d的圓內時，放棄計算該子區(qū)。梯度重心可用下式計算：
[0104] 第五步、點云全局對齊:利用第二步中獲得的測量頭之間的坐標系轉換矩陣將多 個測量頭獲得的多幅點云數(shù)據(jù)變換到同一個坐標系下，并進行多幅點云融合，最終得到完 整的運動物體模型。
[0105] 如圖3所示的測量頭1、測量頭2和測量頭3,己知測量頭1、測量頭2和測量頭3三個 測量頭的坐標系分別為&，(：2和(：3，1^^和1\^為(^向(：」轉換的旋轉和平移矩陣。
[0106] Cj = CiR(i,j)+T(i,j)
[0107]若測量頭1、測量頭2和測量頭3三個測量頭獲得的點云分別為，則可得 Pl，P3轉換至坐標系C2下的點云為 P\= FiR(ia)+T{U2)
[0108] < p3 = p3r[X2)+t[X2)
[0109] 轉換完成后點云雖然在同一個坐標系下，但是點云之間有重合部分，導致點云某 些部分臃腫，這會影響后期網(wǎng)格化的效率。應該將重疊部分濾除。點云融合可采用以下兩種 實施例：
[0110] 一種是，給定距離閾值K，逐測量頭進行K近鄰搜索。以Pi為基準，在PjPP3中進行K 近鄰搜索，搜索到的點則視為相同的空間點，刪除這些點。完成之后，消隱Pi，以P2中的保留 點云在P 3中進行K近鄰搜索，同樣刪除P3中保留點云中相同的空間點。進行這兩步比較，剩下 的保留點云就是最終的測量結果。
[0111] 同理，當測量使用N個測量頭時，也是這樣依次用測量頭與全局中剩下點云進行K 近鄰搜索，一共比較N-1次可得到測量結果。
[0112] 另一種是，基于空間立方體分割的篩選法。建立整幅點云的立方體包圍盒，并對其 進行柵格分割，柵格的大小根據(jù)經驗調整。遍歷每個小矩形單元，若該單元中存在一個以上 的點，則保留其中任意一個(也可定義距離幾何中心最近的一個），其余的點刪除。剩下的點 就是最終的測量結果。
[0113] 以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所 提交的權利要求書確定的專利保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于主動斑投射器的三維形貌動態(tài)測量方法，其特征在于：所述方法包括以下 步驟： SlOO、制作主動斑投射器； 5200、 多測量頭全局標定:通過在測量視場中布置標定板來標定每個測量頭中相機的 內外方位元素，接著確定測量頭之間的坐標系轉換矩陣； S300、利用多測量頭采集步驟SlOO中制作的主動斑投射器投射在運動物體表面的散斑 圖案，每個測量頭分別得到兩幅散斑圖像； S400、利用數(shù)字圖像相關法對步驟S300中每個測量頭得到的兩幅散斑圖像進行圖像匹 配，同時利用步驟S200中每個測量頭中相機的內外方位元素對圖像匹配后的散斑圖像進行 三維重建，每個測量頭將得到一幅點云數(shù)據(jù)； S500、點云全局對齊：利用步驟S200中獲得的測量頭之間的坐標系轉換矩陣將步驟 S400中每個測量頭獲得的點云數(shù)據(jù)變換到同一個坐標系下，并進行多幅點云融合，最終得 到完整的運動物體模型。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于： 優(yōu)選的，步驟SlOO中所述的主動斑投射器包括LED閃光燈，聚光鏡，前菲涅爾透鏡、散斑 片，后菲涅爾透鏡以及鏡頭； 其中，所述LED閃光燈發(fā)出的光通過聚光鏡的漫反射作用投射在前菲涅爾透鏡上，通過 前菲涅爾透鏡形成平行于軸線的光束，所述平行于軸線的光束穿過散斑片再通過后菲涅爾 透鏡會聚于鏡頭的光心位置，最后光束投射到運動物體表面。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟S200中所述的測量頭包括:主動斑投 射器與雙目黑白相機。4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于:步驟S200中所述的通過在測量視場中布置 標定板來標定每個測量頭中相機的內外方位元素具體包括： 將標定板放置在測量頭的測量距離內，改變標定板或測量頭的姿態(tài)，保證標定板在測 量頭的視場內，利用雙目黑白相機同時采集多張圖像，求解測量頭中雙目黑白相機的內外 參數(shù)。5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S200中所述的確定測量頭之間的坐標 系轉換矩陣具體包括以下步驟： 5201、 將所有測量頭都安裝在測量臺上，保證運動物體在測量頭的視場范圍內； 5202、 按照測量頭在測量臺上的安裝順序，依次對相鄰兩個測量頭進行坐標系轉換矩 陣的計算； 5203、 根據(jù)相鄰兩個測量頭的坐標系轉換矩陣計算任意兩個測量頭之間的坐標系轉換 矩陣。6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S202具體包括以下步驟： 52021、 在標定板上布置編碼點，將標定板放置在運動物體位置處，且在屬于測量臺安 裝位置相鄰兩個測量頭的公共視場內，保證所述兩個測量頭能測量到標定板上相同編碼點 的數(shù)目至少為4個且不共線； 52022、 使用步驟S2021中所述的兩個測量頭同時采集圖像，對所述圖像進行三維重建， 計算步驟S2021中所述相同的編碼點在兩個測量頭所在坐標系下的坐標； 52023、 基于步驟S2022，計算兩個測量頭之間的坐標系轉換矩陣； 52024、 移動標定板，按照步驟S2021-2023中所述的方法，依次計算其余相鄰兩個測量 頭之間的坐標系轉換矩陣。7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟S2023具體包括:基于步驟S2022， 使用SVD分解或者四元數(shù)法求解兩個測量頭之間的坐標系轉換矩陣。8. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S203中所述任意兩個測量頭之間坐標 系轉換矩陣為： Cj = CiR(i,j)+T(i,j) 其中，Ci、Cj為不同測量頭的坐標系，和分別為Ci向Cj轉換的旋轉矩陣和平移 矩陣。9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，步驟S500中所述的點云融合具體包括以下 步驟： 55001、 設定距離閾值K; 55002、 對于N幅點云，以第一幅點云為基準，在剩余N-I幅點云中進行K近鄰搜索，搜索 到的點則視為相同空間點，刪除所述相同空間點； 55003、 消隱第一幅點云，以第二幅保留點云為基準，在剩余N-2幅保留點云中進行K近 鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，刪除所述相同空間點； 55004、 依次消隱第i幅點云，以第i+Ι幅保留點云為基準，在剩余N-(i+l)幅保留點云中 進行K近鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，刪除所述相同空間點； 55005、 直到消隱第N-2幅點云，以第N-I幅保留點云為基準，在第N幅保留點云中進行K 近鄰搜索，搜索到的點則視為相同空間點，刪除所述相同空間點，得到第N幅保留點云，所述 第N-I幅保留點云、第N幅保留點云與之前消隱的所有保留點云形成最終的融合結果。10. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于：步驟S500中所述的點云融合具體包括以 下步驟： 5501、 建立整幅點云的長方體包圍盒，并對其進行柵格分割，得到多個長方體單元； 5502、 遍歷每個長方體單元，若某個長方體單元中至少存在兩個點，則保留其中任意一 個，刪除其余的點，所有長方體單元中保留的點為最終的融合結果。
【文檔編號】G01B11/25GK105928472SQ201610541401
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】梁晉, 千勃興, 馮超, 張銘凱, 孟繁昌, 趙鵬亮
【申請人】西安交通大學