CN102183216A

CN102183216A - 基于线结构光的三维测量方法及其装置

Info

Publication number: CN102183216A
Application number: CN2011100598401A
Authority: CN
Inventors: 杜宝瑞; 傅莉; 刘振中; 程涛
Original assignee: Shenyang Aerospace University; Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Aerospace University; Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明涉及一种基于线结构光的三维测量方法，至少包括以下步骤：1.设置一个带有标志点和标志线的平面为标靶，并垂直放置在转台上；2.调整激光器和摄像机，并设定转台中心为世界系原点；3.连续拍摄标志点；4.确定每个标志点的世界坐标和图像坐标；5.确定摄像机模型；6.扫描待测工件；7.获得扫描光条中心点的二维图像坐标；8.根据已经确定的摄像机模型，利用光条中心二维图像坐标计算对应的三维世界系坐标，获得工件的点云数据；9.将点云数据进行预处理后导入逆向工程软件，通过曲面拟合等完成工件几何模型重建。该方法对摄像机的精度要求不高，方法简单，并能很好地完成摄像机标定的要求，具有较高的精度。

Description

基于线结构光的三维测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于线结构光的三维测量方法，以获取三维数据，以及该测量装置。属于非接触式光学检测领域。

背景技术

近年来，世界范围内的竞争日趋激烈，尤其是工业领域的竞争更加白热化，市场对产品设计的要求也发生了根本的变化，多品种，小批量替代了少品种大批量的传统生产模式，这就要求缩短产品设计生产周期、提高产品质量。另外，产品外形的设计中适用常用平面、球面和柱面等基本几何形状外，三维自由曲面的应用也越来越多。这样就造成了采用正向工艺流程不能很方便地直接建立CAD模型，解决设计问题，“逆向工程”随之应运而生。它首先有设计人员通过粘土模等材料手工塑造出样件模型，或是由委托单位提供一件样品或模型，然后借助于现金的计算机辅助测量技术（三维扫描技术）对样件进行三维自由曲面测量，来获取样件的3D标明数据，并经过计算机处理之后，进行CAD建模，然后在此基础上进行创新设计。这样不仅能够灵活的进行创新设计，还缩短了设计和生产周期。

目前，利用三维扫描技术从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，而我国三维测量设备90％以上依靠进口，但国外进口的这类产品价格十分昂贵，使许多国内企业无法承受。因此，如何根据工业设计的需求来开发合适的非接触测量系统，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线结构光的三维测量方法及其使用该方法的装置，该标定方法对装置中的摄像机的精度要求不高，方法简单，并能很好地完成摄像机标定的要求，具有较高的精度。

为解决以上问题，本实用新型的具体技术方案如下: 一种基于线结构光的三维测量方法，至少包括以下步骤：

1）设置一个平面为标靶，该标靶的中心设有黑色实心圆点列的标志点，并在圆点列两端设置两条通过圆点列圆心轴的标志线，该标靶上标志点呈直线分布，各标志点大小相同，间距固定且已知，将标靶放置在转台上，与水平面垂直；

2）对位于垂直面上的激光器和摄像机进行位置调整，调整好后设定转台中心为世界系原点O,与水平面垂直，取向上的为X轴正方向，水平方向为Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面XOZ，三轴组成左手坐标系；

3）标靶沿水平Z轴方向移动，在摄像机可视范围内，连续拍摄标志点；

4）通过自适应阈值法和质心法提取标志点图像坐标，确定每个标志点的世界坐标；

5）以标志点图像坐标为输入，标志点的世界坐标为输出，确定摄像机模型；

6）将待测工件置于转台上，屏蔽环境光，打开激光器，将激光投射到被测工件表面，摄像机和激光器沿垂直轴上升，等间距连续拍摄多幅光条图像，直到扫描完工件的一个表面；

7）对所有的光条图像采用基于骨架的方向模板法提取光条中心，获得光条中心点的二维图像坐标；

8）根据已经确定的摄像机模型，利用光条中心二维图像坐标计算对应的三维世界系坐标，获得工件的点云数据；

9）将点云数据进行预处理后导入逆向工程软件，通过曲面拟合等完成工件几何模型重建。

所述的激光器位置调整为调整激光器绕X、Y、Z轴的旋转，使激光器发射出的激光光平面垂直于标靶，并且光条完全与标志点的圆心轴和标志线重合。

所述的摄像机调整步骤为：1、让摄像机绕Y轴旋转，使其与激光器保持45度夹角，移动转台沿Z轴正方向平移，使得摄像机图像的可视范围达到100mm；2、调整摄像机绕Z轴旋转，使其图像上的一排圆标点与摄像机图像Y轴重合；3、当标靶往Z轴正方向远处走，若标靶图像中的标志点在图像中上/下移动时，说明摄像机前仰/后仰,调整摄像机绕X轴旋转，完成摄像机的调整。

一种基于线结构光的三维测量方法的装置，其结构为：水平台和垂直台垂直设置，在水平台上设有转台，在垂直台上设有摄像机和激光器，摄像机和激光器为固定连接，摄像机与垂直台成45°角，在水平台和垂直台上分别设有伺服电机，两个伺服电机的中心轴线垂直；一个伺服电机与水平丝杠的一端相连，水平丝杠的滑块上置有转台，步进电机与转台相连，且步进电机的轴线与水平台上的伺服电机的轴线垂直；另一个伺服电机与垂直丝杠相连，垂直丝杠的滑块上置有摄像机，在水平台和垂直台的两端侧面分别设有限位开关。

通过上述装置及测量方法，不需要已知的摄像机模型，也不需要对测量系统做过多的假设，其良好的非线性映射能力和泛化能力在包容摄像机存在各种畸变同时，能够解决摄像机模型的非线性求解问题，同时取得较高的标定精度。当光条的曲率变化时，基于骨架的方向模板法更能准确、有效的检测到光条中心，同时该方法还具有良好的抗噪性。

附图说明

图1为基于线结构光的三维测量装置。

图2为基于线结构光的三维测量方法流程图。

图3为标定靶图像上标定特征点图像坐标提取流程图。

图4为基于BP神经网络的摄像机模型标定方法流程图。

图5为基于骨架的方向模板法提取光条中心图像坐标流程图。

具体实施方式

本发明的具体装置如图1所示，水平台1和垂直台2垂直设置，在水平台1上设有转台5，在垂直台2上设有摄像机8和激光器9，摄像机8与垂直台2成45°角，在水平台1和垂直台2上分别设有伺服电机6，两个伺服伺服电机6的中心轴线垂直；伺服电机6与水平丝杠7的一端相连，水平丝杠7的滑块上置有转台5，步进电机4与转台5相连，且步进电机4的轴线与水平台1上的伺服电机6的轴线垂直；垂直丝杠11的滑块上置有摄像机8，在水平台1和垂直台2的两端侧面设有限位开关10。

如图2所示，采用本发明装置进行基于线结构光的三维测量，步骤如下：

1）设置一个平面为标靶12，该标靶12的中心设有黑色实心圆点列的标志点13，并在圆点列两端设置两条通过圆点列圆心轴的标志线，该标靶上标志点呈直线分布，各标志点大小相同，间距固定且已知，将标靶放置在转台5上，与水平面垂直；

2）对位于垂直面上的激光器和摄像机进行位置调整，调整好后设定转台中心为世界系原点O,与水平面垂直，取向上的为X轴正方向，水平方向为Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面XOZ，三轴组成左手坐标系。所述的激光器位置调整为调整激光器X、Y和Z轴的位移，使激光器发射出的激光光平面垂直于标靶，并且光条完全与标志点的圆心轴和标志线重合。所述的摄像机调整步骤为：1、让摄像机绕Y轴旋转，使其与激光器保持45度夹角，移动转台沿Z轴正方向平移，使得摄像机图像的可视范围达到100mm；2、调整摄像机绕Z轴旋转，使其图像上的一排圆标点与摄像机图像Y轴重合；3、当标靶往Z轴正方向远处走，若标靶图像中的标志点在图像中上/下移动时，说明摄像机前仰/后仰,调整摄像机绕X轴旋转，完成摄像机的调整；

3）标靶沿水平轴方向移动，在摄像机可视范围内，连续拍摄标志点；

4）通过自适应阈值法和质心法提取标志点坐标，确定每个标志点的世界坐标；

5）以标志点坐标为输入，标志点的世界坐标为输出，计算摄像机模型；

6）将待测工件置于转台5上，屏蔽环境光，打开激光器9，将激光投射到被测工件表面，摄像机8和激光器9沿垂直轴上升，等间距连续拍摄多幅光条图像，直到扫描完工件的一个表面；

7）对所有的光条图像提取光条中心，获得光条中心点的二维图像坐标；

如图3所示，步骤4所述的通过自适应阈值法和质心法提取标志点坐标，确定每个标志点的世界坐标的步骤流程为：循环读入靶标图像，将单幅彩色靶标图像灰度化，然后获取灰度图像的全局阈值，用获得的阈值将图像二值化，并记录全部像素值为0的像素点位置；分割像素值为0的区域，按照质心法求取各个区域的质心坐标；判断0像素值区域是否为标志点，如果是保存标志点圆心图像坐标；保存单幅全部标志点图像坐标和世界坐标，单幅图像处理完毕，再次进行从头开始，直到全部靶标图像处理完毕。

如图4所示，步骤5所述的以标志点坐标为输入，标志点的世界坐标为输出，计算摄像机模型的步骤流程为：读取标志点的图像坐标作为摄像机模型的输入，读取标志点的三维世界坐标作为模型的输出；然后对标志点的图像坐标进行归一化；创建含有单隐层的三层BP神经网络：输入层有两个节点（标志点的图像坐标（u，v）），输出层有两个节点（标志点的世界坐标中的（yw，zw），xw由垂直轴的运动参数获取，每200脉冲xw坐标移动 0.3mm），隐含层有6个节点（节点过多则运算复杂，训练速度慢；过少则不能精确的反映摄像机的真实模型）；设定摄像机模型网络的训练参数和训练方法：传函采用tansig（）和purelin（），训练方法采用trainlm；进行训练BP网络；将网络输出反归一化，求得标志点的三维世界坐标；判断摄像机网络模型是否最佳，如果否，继续训练BP网络，如果是，保存摄像机模型。其中归一化和反归一化使得摄像机模型对输入、输出的映射关系更为准确。

如图5所示，步骤7所述的对所有的光条图像采用基于骨架的方向模板法提取光条中心，获得光条中心点的二维图像坐标的步骤为：读入CCD摄像机拍摄得到的线结构光光条图像f，采用大津阈值方法找到图像的最佳阈值，对图像二值化；截取结构光条纹所在的矩形区域，得到该矩形区域的线结构光光条的灰度图像fh1和二值图像fe1；然后进行图像预处理：对图像fh1进行中值铝箔得到灰度图像fh2。采用半径为5的圆盘型结构模板对二值图像fe1进行膨胀以消除二值图像中暗点的影响，得到二值图像fe2；然后在用同样的模板对二值图像fe2进行2～3次腐蚀以消除反射点的影响，得到二值图像fe3；采用函数bwmorph对二值图像fe3进行细化剪枝，得到光条的骨架图像fe4；在线结构光测量中，可以认为线结构光条只有4种方向，水平、垂直、左倾45°和右倾45°，根据线结构光的光强度在其横截面上服从高斯分布的特性，本实验中用高斯函数建立4个方向模板，针对骨架上的每个点，用4个方向模板与图像fe4做相关运算，求出4个H值，判断哪个模板与细化图像相关程度大，找出H_k＝max（H）,求出每点的法线方向；在骨架每点的法线方向上，以骨架点为中心，两侧各取n（L=2n＋1，L为光条的宽度）个光条图像fh2中的灰度值组成一个像素点集合，对2n＋1个像素利用灰度重心法求出该处的重心（即该处的线结构光图像fh2的中心）；最后求原图像f上光条中心坐标。

Claims

1.一种基于线结构光的三维测量方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

2）对位于垂直面上的激光器和摄像机进行位置调整，调整好后设定转台中心为世界系原点O,与水平面垂直，取向上为X轴正方向，水平方向为Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面XOZ，三轴组成左手坐标系；

3）标靶沿水平Z轴正方向移动，在摄像机可视范围内，连续拍摄标志点；

2.如权利要求1所述的基于线结构光的三维测量方法，其特征在于：所述的激光器位置调整为调整激光器X、Y和Z轴的位移，使激光器发射出的激光光平面垂直于标靶，并且光条完全与标志点的圆心轴和标志线重合。

3.如权利要求1所述的基于线结构光的三维测量方法，其特征在于：所述的摄像机调整步骤为：1、让摄像机绕Y轴旋转，使其与激光器保持45度夹角，移动转台沿Z轴正方向平移，使得摄像机图像的可视范围达到100mm；2、调整摄像机绕Z轴旋转，使其图像上的一排圆标点与摄像机图像Y轴重合；3、当标靶往Z轴正方向远处走，若标靶图像中的标志点在图像中上/下移动时，说明摄像机前仰/后仰,调整摄像机绕X轴旋转，完成摄像机的调整。

4.一种实现权利要求1所述的基于线结构光的三维测量方法的装置，其特征在于：水平台（1）和垂直台（2）垂直设置，在水平台（1）上设有转台（5），在垂直台（2）上设有摄像机（8）和激光器（9），摄像机（8）和激光器（9）为固定连接，摄像机（8）与垂直台（2）成45°角，在水平台（1）和垂直台（2）上分别设有伺服电机（6），两个伺服电机（6）的中心轴线垂直；一个伺服电机（6）与水平丝杠（7）的一端相连，水平丝杠（7）的滑块与转台（5）活动连接，步进电机（4）与转台（5）相连，且步进电机（4）的轴线与水平台（1）上的伺服电机（6）的轴线垂直；另一个伺服电机（6）与垂直丝杠（11）相连，垂直丝杠（11）的滑块上置与摄像机（8）活动连接，在水平台（1）和垂直台（2）的两端侧面分别设有限位开关（10）。