CN100561120C - 一种三维测量系统的成像方法 - Google Patents

Abstract

一种三维测量系统的成像方法，解决根据两维数码图像获得三维曲面图形的成像问题，技术方案是，外光源通过玻璃光栅在被测物体表面形成黑白间隔的条纹，两台左右呈一定夹角的摄像机，同时采集表面上有黑白间隔条纹被测物体的左右两维数码图像，采集不同玻璃光栅在不同位置被测物体表面形成条纹的左右两维数码图像，根据极线约束理论，在左幅两维数码图像中找到黑条纹上的像素点，即可确定右幅两维数码图像中的极线与在右幅两维数码图像中的匹配点，计算中心可通过左像素点的位置坐标和右匹配点位置坐标求得空间点的世界三维坐标，组合所有空间点，得被测物体的三维曲面图形，本发明的优点是：使用设备简单、成本低廉、成像速度快，测量精度高。

Description

一种三维测量系统的成像方法

所属技术领域

本发明涉及一种根据两维数码图像获得三维曲面图形的成像方法，特别是一种三维测量系统中使用的成像方法。

背景技术

传统的产品工业设计过程(也称顺向工程)是根据产品的功能和用途首先进行技术方案设计，然后通过CAD输出产品的设计图纸，经审查无误后，编制NC代码并输入CNC加工设备进行产品加工或者通过快速成型机制作样品。其工艺方案是，技术方案设计-CAD图纸设计-产品加工。

在信息化的现代社会中，制造行业的竞争日趋激烈。产品更新速度不断加快，生产方式日趋小批量、多品种。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键。在实际应用中，由于用CAD软件绘制零件模型相当费时费力，而且工程界提供的往往是实物，需要由实物制造模具或在它的基础上改进设计。因此，提供了由实物直接获得三维CAD模型途径的反求工程(ReverseEngineering)，以下简称RE技术便在此背景下应运而生并得到了迅猛的发展。

RE是针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行三维CAD曲面重构，编辑修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工程序代码送至CNC加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机将样品制作出来。其工艺方案是，样品-数字化测量-CAD重构-产品加工。

为满足快速地测得被测物体的轮廓坐标，并进行三维CAD曲面重构，现有技术中出现了三维测量系统。而在三维测量系统中，如何准确、快速确定被测物体的轮廓坐标值，是三维测量系统的技术关键。

目前采用的RE测量方法主要有三种，分别为接触式测量法、非接触式测量法和逐层扫描法。

1、接触式测量法

RE传统上使用三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)法，又称探针扫描，它主要应用于由基本的几何形体(如平面、圆柱面、圆锥面、球面等)构成的实体的数字化过程，适用于测量实体外部的几何形状。采用该方法可以达到很高的测量精度(±0.3μm)，但测量速度很慢，并易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且价格较高，对使用环境也有一定要求。采用这种方法会使测量周期大大延长，从而不能充分发挥快速成形技术“快速”的优越性。一般来说，CMM有两种不同的测量方式。

①点对点测量(Point to Point Method)

CMM探针从起始点A出发，移向测量点B，测得数据后再移动到下一个测量点C，如此反复直到所有的数据点被测量完毕。该方式适用于测量孔、基准线等。

②截面扫描(Section Scanning Method)

CMM探针在被测实体上沿着截面轮廓线作连续移动，同时得到该截面轮廓的测量数据送往计算机。

2、非接触式测量法

常用的非接触式测量法有投影光栅法和激光三角形法等：

①投影光栅法

投影光栅法的基本原理是把光栅投影到被测实体的表面上，光栅影线受到被测实体表面高度的调制而发生变形，然后通过解调变形的光栅影线，得到被测实体表面的高度信息。投影光栅法的主要优点是测量范围大，速度快，成本低，易于实现。缺点是精度较低(±0.02mm)，而且只能测量表面起伏不大的较平坦的实体，对于表面变化剧烈的实体，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低。

②激光三角形法

激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光源投影到被测实体表面上，形成的漫反射光点(光带)在安置于某一空间位置的图像传感器上成像，按照三角形原理，即可测出被测点的空间坐标。

3、逐层扫描法

逐层扫描法是RP生长成型的逆过程，主要有工业CT(ComputedTomography)扫描、核磁共振和自动断层扫描。

①工业CT扫描和核磁共振

工业CT扫描和核磁共振根据CT图像来重构三维模型，适合于测量被测实体复杂的内部几何形状。工业CT扫描与核磁共振测量精度很低，目前最小层厚度达1mm，在这种精度下是无法做出实用的零件的。此外，这种方法测量速度慢，设备昂贵，对运行环境的要求也高，加上对被测实体的尺寸和材料也有限制，因而不能广泛应用于快速成形技术。但它是目前唯一的一种既测量了实体复杂的内部几何形状，又不破坏实体的技术。

②自动断层扫描

自动断层扫描是一种采用材料逐层去除和逐层光扫描相结合的方法。这种方法是对实体进行破坏性测量，其基本原理是：用数控铣床或磨床，以一定的厚度去掉被测实体的一层，然后利用摄像系统摄取片层二维图像，最后经过图像处理获取片层三维轮廓的边界数据。采用这种方法片层厚度最小可达0.01mm，测量精度为±0.025mm。与工业CT与核磁共振相比，价格便宜70％～80％，而测量精度却高很多。但它的测量速度慢，且对贵重被测实体不宜采用。

上述这些测量方法应用于快速成形时各有优缺点，它们之间的对比见下表：

发明内容

为克服现有技术的不足，降低测量成本，提高测量速度和满足测量精度的要求，本发明提供一种利用光栅和极线约束法，利用两个CCD摄像机同时对被测实体进行图像拍摄，通过基于极线约束的匹配算法对二维图像进行处理，反求得到被测实体轮廓的三维坐标的三维测量系统成像方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：该方法采用两台左右呈一定夹角设置的数码摄像镜头，同时采集同一被测物体左右两维数码图像，对左右两维数码图像进行成像处理，获得两维数码图像中像素点的三维世界坐标，将三维世界坐标的像素点组成被测物体的三维曲面图形，该成像方法由下列步骤实现：

①外光源通过由光学玻璃金属涂层上，刻划宽度不等，周期性明暗间隔设置的条纹构成的第一幅相移光栅片，在被测物体的表面上，形成黑白间隔的条纹；

②两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片形成黑白间隔条纹被测物体的左右各一幅两维数码图像；

③将第一幅相移光栅片，每移动1/4明暗间隔设置条纹周期距离，两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片移动1/4距离后形成黑白间隔条纹被测物体的左右各四幅两维数码图像；

④外光源通过明暗条纹宽度，周期互不相同的第二和第三幅相移光栅片，按①、②、③同样的步骤，分别采集第二幅相移光栅片、第三幅相移光栅片四个不同位置，在被测物体形成黑白间隔条纹的左右各四幅两维数码图像；

⑤对采集得到的表面上带黑白间隔条纹的被测物体左右共计24幅两维数码图像，进行细化处理，使被测物体表面上的黑白间隔条纹中黑条纹中心线上的像素点提取出来；

⑥将步骤⑤细化处理的左12幅两维数码图像和右12幅两维数码图像，按第一幅相移光栅，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片扫描位置分组，得第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片第一扫描位置、第二扫描位置、第三扫描位置和第四扫描位置的左四组和右四组共计八组两维数码图像；

⑦将步骤⑥完成的左四组和右四组共计八组中的每一组中的三张两维数码图像进行叠加，使被测物体表面形成由第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片叠加的黑白间隔光栅条纹；

⑧取步骤⑦中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像，按从左到右、从上到下的顺序，寻找光栅条纹上的黑色像素点，黑色像素点确定后，在左一组的叠加图像中，按由远到近的顺序依此求取该黑色像素点左边和右边各光栅条纹，并对左边和右边各光栅条纹所属相移光栅进行标记，作为该黑色像素点的位置标记，同理，对右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像进行相同处理；

⑨取步骤⑧中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点P1点，确定像素点P1在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中的极线，该极线在右一组叠加图像中与满足步骤⑧黑色像素点的位置标记的第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹的交点，为像素点P1确定的对应点P2，在左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中，按从左到右、从上到下顺序，找出黑条纹上每个像素点，按上述方法确定每个像素点在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中匹配点；

⑩依据步骤⑨确定的像素点P1和匹配点P2以及其他每个像素点与对应的匹配点，确定对应的空间P点和其他每个像素点对应的空间点的三维世界坐标，将确定的所有空间点组合为被测物体的三维成像图。

本发明的有益效果是：使用设备简单、成本低廉、成像速度快，测量精度高，可满足对各种表面形状物体的测量使用。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

附图1为基于计算机视觉的双目CCD传感器模型图。

附图2为本发明涉及的三维测量系统结构示意图。

附图3为同组中三张两维数码图像叠加后，光栅条纹示意图。

附图中，1计算中心，2摄像头，3可移动光栅，4被测物体，5外光源。

具体实施方式

三维测量系统的成像方法，该方法采用两台左右呈一定夹角设置的数码摄像镜头，同时采集同一被测物体左右两维数码图像，对左右两维数码图像进行成像处理，获得两维数码图像中像素点的三维世界坐标，将三维世界坐标的像素点组成被测物体的三维曲面图形，该成像方法由下列步骤实现：

①外光源通过由光学玻璃金属涂层上，刻划宽度不等，周期性明暗间隔设置的条纹构成的第一幅相移光栅片，在被测物体的表面上，形成黑白间隔的条纹。

②两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片形成黑白间隔条纹被测物体的左右各一幅两维数码图像。

③将第一幅相移光栅片，每移动1/4明暗间隔设置条纹周期距离，两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片移动1/4距离后形成黑白间隔条纹被测物体的左右各三幅两维数码图像。

④外光源通过明暗条纹宽度，周期互不相同的第二和第三幅相移光栅片，按①、②、③同样的步骤，分别采集第二幅相移光栅片、第三幅相移光栅片四个不同位置，在被测物体形成黑白间隔条纹的左右各四幅两维数码图像。

采用步骤①、②、③和④的目的是，产生提取像素点时需要密度的暗条纹，及确定暗条纹位置的参考暗条纹。

⑤对采集得到的表面上带黑白间隔条纹的被测物体左右共计24幅两维数码图像，进行细化处理，使被测物体表面上的黑白间隔条纹中黑条纹中心线上的像素点提取出来。

图像的细化是一个通过迭代去除目标图像上不影响连通性的轮廓像素点，以得到最终宽度为1个像素的图像骨架的过程。它要求完整地保存图像的拓扑结构，并能够与原始图像中的主要特征一一对应，以便代替原始图像进行识别和处理。对细化结果的要求是：细化后的图像应是原目标图像的中心线；保证细化后图像连通性不变；图形的骨架形状不变；保留目标图像的端点；处理时间要短，因为它会影响到整个图像处理的速度。

⑥将步骤⑤细化处理的左12幅两维数码图像和右12幅两维数码图像，按第一幅相移光栅，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片扫描位置分组，得第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片第一扫描位置、第二扫描位置、第三扫描位置和第四扫描位置的左四组和右四组共计八组两维数码图像。

⑦将步骤⑥完成的左四组和右四组中三幅两维数码图像进行叠加，使被测物体表面形成由第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片叠加的黑白间隔光栅条纹。

参看附图3，为三幅两维数码图像进行叠加后，形成的光栅黑条纹关系示意图，形成每条光栅黑条纹与其两侧相邻其它光栅黑条纹所对应相移光栅片顺序编号是唯一的。

⑧取步骤⑦中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像，按从左到右、从上到下的顺序，寻找光栅条纹上的黑色像素点，黑色像素点确定后，在左一组的叠加图像中，按由远到近的顺序依此求取该黑色像素点左边和右边各光栅条纹，并对左边和右边各光栅条纹所属相移光栅进行标记，作为该黑色像素点的位置标记，同理，对右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像进行相同处理。

⑨取步骤⑧中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点P1点，确定像素点P1在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中的极线，该极线在右一组叠加图像中与满足步骤⑧黑色像素点的位置标记的第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹的交点，为像素点P1确定的对应点P2，在左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中，按从左到右、从上到下顺序，找出黑条纹上每个像素点，按上述方法确定每个像素点在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中匹配点。

像素点P1与对应点P2的确定过程参看附图1，基于计算机视觉的双目CCD传感器模型，I₁和I₂分别是两台摄像机摄取的图像。对于空间物体表面任意一点p，在两个图像上的投影点分别为p₁和p₂，我们称p₂为p₁的匹配点。反过来，也可以称p₁为p₂的匹配点。在图像I₁上任取一点p₁，如果我们知道它在I₂上的匹配点p₂的位置，则可以用立体视觉的方法计算出p₁和p₂点所对应的空间点p的三维坐标。因此，立体视觉的关键问题是对I₁中的每一点p₁找出I₂中的匹配点p₂的位置。根据极线约束理论，p₁点的对应点无需在I₂整幅图像中进行搜索，因为它必然位于I₂中由p与两摄像机相对几何位置决定的某一条极线上。极线的定义为：空间点p与两摄像机的光心o₁、o₂形成空间三个点，由这三个点组成的平面分别与两个摄像机的成像平面相交，这两条交线就称为该空间点在这两个成像平面中对应的极线，如图1中的直线L₁与L₂。依据此定义，我们也将直线L₁称为图像I₁上对应于p₂点的极线；同理将直线L₂称为图像I₂上对应于p₁点的极线。

由附图1也可以看出，由于位于直线o₁p上的任意点，例如p′点，在I₁上的投影都是p₁，所以p′点在I₂上的投影也应该在极线L₂上。这是因为对于在直线o₁p上的任意点都在p点与两摄像机的光心o₁、o₂所组成的平面上，而极线L₁和L₂又是此平面与两成像平面的交线，因此o₁p上任意点在I₂上的投影一定都在极线L₂上。从以上讨论可以看到，对于I₁上的任意点p₁，在I₂上的匹配点p₂不能完全由极线约束唯一确定，我们只能知道匹配点位于p₁决定的极线L₂上，具体位置则与空间点p在直线o₁p上的位置有关。由于极线给出了一个寻找匹配点的重要约束条件，因此我们有必要求出极线的方程。下面给出一种在已知投影矩阵M₁、M₂(由摄像机参数标定时求出)的条件下求取极线的方法。

两个摄像机的投影方程可写成如下形式：

Z_c1u₁＝M₁x_p＝(M₁₁ m₁)x_p，Z_c2u₂＝M₂x_p＝(M₂₁ m₂)x_p.........

式中，x_p为空间某点p在世界坐标系下的齐次坐标；u₁，u₂分别是p₁与p₂点的理想图像齐次坐标；我们将M₁与M₂矩阵左边的3×3部分记作M_i1(i＝1，2)，右边的3×1部分记作m_i(i＝1，2)。

如果将x_p＝(x_w，y_w，z_w，1)^T记作x_p＝(x^T 1)^T，其中x＝(x_w，y_w，z_w)^T，则公式可展开为：

Z_c1u₁＝M₁₁x+m₁，Z_c2u₂＝M₂₁x+m₂...............

整理上式，并消去x得：

$Z_{c2}{u}_2-Z_{c1}{M}_{21}{M}_{11}^{-1}{u}_1=m_2-M_{21}{M}_{11}^{-1}{m}_1\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

由于上式两边是三维向量，包含了三个等式，因此可以利用这三个等式消去Z_c1和Z_c2，得到一个与Z_c1和Z_c2无关的u₁和u₂的关系，这就是所谓的极线约束。由上述可以看到，在给定u₁的情况下，式(1)消去Z_c1和Z_c2后是一个关于u₂的线性方程，即I₂图像上的极线方程；反过来，在给定u₂时，式(1)消去Z_c1和Z_c2后是一个关于u₁的线性方程，即I₁图像上的极线方程。同时此式还表明，在给定u₁(或u₂)时，极线方程只与M₁和M₂矩阵有关。

根据上述极线约束理论，在左幅两维数码图像中找到黑条纹上的像素点P1，既可确定右幅两维数码图像中P1的极线，P1点在右幅两维数码图像中的匹配点P2既为P1的极线与对应的黑条纹的交点，计算中心可通过左幅两维数码图像中像素点P1的位置坐标和右幅两维数码图像中的匹配点P2位置坐标求得空间P点的世界三维坐标。P1点实际是空间P点在左幅两维数码图像中的投影点，P2点实际是空间P点在右幅两维数码图像中的投影点。

按上述极线约束理论，将在左一组中第一幅相移光栅片幅两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点，按从左到右、从上到下顺序，找出黑条纹上每个像素点，按上述方法确定每个像素点在右幅两维数码图像中匹配点。求得空间对应点的世界三维坐标。

⑩依据步骤⑨确定的像素点P1和匹配点P2以及其他每个像素点与对应的匹配点，确定对应的空间P点和其他每个像素点对应的空间点的三维世界坐标，将确定的所有空间点组合为被测物体的三维成像图。

为在保证测量精度的同时，提高测量时的运算速度，该成像方法步骤⑧中，按由近到远的顺序依此求取该黑色像素点左边3-7和右边3-7个光栅条纹，并对左边和右边3-7个光栅条纹所属相移光栅进行标记，作为该黑色像素点的位置标记为宜。虽然取更多的光栅条纹作为该黑色像素点的位置标记，可以提高匹配精度，但大大增加运算速度，因此综合考虑本发明实施例选择3-7个光栅条纹作为该黑色像素点的位置标记。

本发明如果只对一组两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点及右一组图像中匹配点进行匹配，得到的被测物体的三维点云数据较稀疏，因为三维点云数据的密度是由光栅黑条纹密度决定的，为增加被测物体的三维点云数据，该成像方法按步骤⑨，可对左一组中，第二和第三幅相移光栅片的两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点及右一组图像中匹配点进行确定。

附图2为本发明涉及的三维测量系统结构示意图。在测量使用时，两台左右呈一定夹角设置的数码摄像镜头2，同时采集同一被测物体4左右两维数码图像，在被测物体4上形成的黑白间隔条纹，是由光栅3在外光源5的照射下形成的，光栅3上设置多幅不同间距的光栅，移动移动光栅3，每幅光栅即可在被测物体4上形成黑白间隔不同的条纹。

Claims (3)

1、一种三维测量系统的成像方法，该方法采用两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集同一被测物体左右两维数码图像，对左右两维数码图像进行成像处理，获得两维数码图像中像素点的三维世界坐标，将三维世界坐标的像素点组成被测物体的三维曲面图形，其特征在于：该成像方法由下列步骤实现：

①外光源通过由光学玻璃金属涂层上，刻划宽度不等，周期性明暗间隔设置的条纹构成的第一幅相移光栅片，在被测物体的表面上，形成黑白间隔的条纹；

②两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片形成黑白间隔条纹被测物体的左右各一幅两维数码图像；

③将第一幅相移光栅片，每移动1/4明暗间隔设置条纹周期距离，两台左右呈一定夹角设置的数码摄像机，同时采集表面上由第一幅相移光栅片移动1/4距离后形成黑白间隔条纹被测物体的左右各四幅两维数码图像；

④外光源通过明暗条纹宽度，周期互不相同的第二和第三幅相移光栅片，按①、②、③同样的步骤，分别采集第二幅相移光栅片、第三幅相移光栅片四个不同位置，在被测物体形成黑白间隔条纹的左右各四幅两维数码图像；

⑤对采集得到的表面上带黑白间隔条纹的被测物体左右共计24幅两维数码图像，进行细化处理，使被测物体表面上的黑白间隔条纹中黑条纹中心线上的像素点提取出来；

⑥将步骤⑤细化处理的左12幅两维数码图像和右12幅两维数码图像，按第一幅相移光栅，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片扫描位置分组，得第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片第一扫描位置、第二扫描位置、第三扫描位置和第四扫描位置的左四组和右四组共计八组两维数码图像；

⑦将步骤⑥完成的左四组和右四组共计八组中的每一组中的三张两维数码图像进行叠加，使被测物体表面形成由第一幅相移光栅片，第二幅相移光栅片和第三幅相移光栅片叠加的黑白间隔光栅条纹；

⑧取步骤⑦中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像，按从左到右、从上到下的顺序，寻找光栅条纹上的黑色像素点，黑色像素点确定后，在左一组的叠加图像中，按由远到近的顺序依此求取该黑色像素点左边和右边各光栅条纹，并对左边和右边各光栅条纹所属相移光栅进行标记，作为该黑色像素点的位置标记，同理，对右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像进行相同处理；

⑨取步骤⑧中左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点P1点，确定像素点P1在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中的极线，该极线在右一组叠加图像中与满足步骤⑧黑色像素点的位置标记的第一幅相移光栅片两维数码图像中黑条纹的交点，为像素点P1确定的对应点P2，在左一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中，按从左到右、从上到下顺序，找出黑条纹上每个像素点，按上述方法确定每个像素点在右一组中，第一幅相移光栅片两维数码图像中匹配点；

⑩依据步骤⑨确定的像素点P1和匹配点P2以及其他每个像素点与对应的匹配点，确定对应的空间P点和其他每个像素点对应的空间点的三维世界坐标，将确定的所有空间点组合为被测物体的三维成像图。

2、根据权利要求1所述的一种三维测量系统的成像方法，其特征在于：该成像方法步骤⑧中，按由远到近的顺序依此求取该黑色像素点左边3-7和右边3-7个光栅条纹，并对左边和右边3-7个光栅条纹所属相移光栅进行标记，作为该黑色像素点的位置标记。

3、根据权利要求1所述的一种三维测量系统的成像方法，其特征在于：该成像方法按步骤⑨，对左一组中，第二和第三幅相移光栅片的两维数码图像中黑条纹中心线上的像素点及右一组图像中匹配点进行确定。

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