CN102840827A - 一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，通过采用新的背景模型的建立、空间坐标系的确定及结构光中心提取和存贮方式，降低成本、简化操作，实现实时性，即时显示测量结果。本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，操作技术要求低：对于非接触方式的三维扫描方式一般要求较高的使用技能，本发明提供友好的使用方法简单易操作，不需要具备较高的专业知识。本发明扫描速度快：非接触测量一般要进行数据分析，所以测量时间一般比较慢；本发明可以实现实时扫描，能够即时显示测量结果，并且操作极其便利。

Description

一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法

技术领域

本发明属于三维扫描技术领域，涉及一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法。

背景技术

目前三维扫描方式主要分为两种，接触式三维扫描和非接触三维扫描。接触式扫描是通过高精密度可控探针在与物体表面直接接触后记录物体表面上接触点的三维位置信息来实现的。非接触扫描方式主要用在学术研究专业和工业生产中，主要用到的方式包括两种，一种是基于物理声波的扫描方式，例如通过超声波进行三维扫描；另一种方式为基于光学和机器视觉的非接触三维扫描方式。非接触扫描方式可以更好的保护被测量对象，避免因测量过程中产生接触而破坏物体表面。

基于机器视觉的非接触三维扫描方式相比于基于物理声波等非接触三维扫描方式，其优点主要有设备造价低廉、操作方便、测量速度快、能耗低等特点。同时可以对测量对象的三维点云数据存储，对测量对象的数字分析提供比较准确的数据信息。基于机器视觉的非接触三维扫描方式包括基于双目机器视觉的三维物体表面的扫描系统和基于单目机器视觉的三维物体表面的扫描系统。

基于平行的双目机器视觉的三维扫描技术，首先用双目视觉获得两幅视差图像，然后对两幅图像中的对应特征点进行匹配，最后利用匹配结果计算各点在空间中相对于摄像头中心的三维坐标。其技术缺点在于：

1）特征点不易提取，匹配过程极容易产生误差，且误差比较大。

2）视差图像中对应点的匹配算法十分复杂，因耗时难以提高扫描速度。

3）双目视觉系统标定和校正难以操作，微小的移动或变形都会导致畸变。

基于单目机器视觉的三维物体表面的扫描系统，利用两块相互垂直的标定板以及固定的标定点进行背景建模，建立空间坐标系。用一字线激光笔照射被扫描对象时，从每帧图像中可提取物体表面上被照亮的一条线上的三维点数据。人手持激光笔上下移动，光线适宜的情况下能还原出物体的表面。其技术缺点在于：

1）标定板大小以及标定点的位置固定，标定板的两个面必须互相垂直。如果扩大测量物体，用当前标定板就不能进行扫描操作。对于普通用户，很难保证标定板的两个面完全互相垂直，更希望标定板的两个面能够以任意角度放置。

2）扫描过程对环境要求苛刻，要求环境中的所有光都必取消掉，否则会严重影响扫描效果。

3）软件操作复杂，需要较长时间来对软件进行熟悉。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，通过采用新的背景模型的建立、空间坐标系的确定及结构光中心提取和存贮方式，降低成本、简化操作，实现实时性，即时显示测量结果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，包括以下步骤：

1）制作背景板，背景板包括相互连接的左标定板和右标定板，在左标定板和右标定板上相互对称的设置若干个均匀分布的坐标点；

2）在背景板前放置摄像头，通过激光笔依次点亮左标定板和右标定板上的坐标点，以摄像头中心点为坐标原点，提取各个坐标点的位置，以左标定板、右标定板上的坐标点分别构建其背景平面方程；

3）将待扫描的物体放置在左标定板和右标定板之间，激光笔持续晃动照射，此时摄像头能实时捕获到激光照射到待扫描物体表面上的图像；

在激光笔照射时，提取激光中心线，然后分别取激光线打在左标定板上的两个点和打在右标定板上的两个点构造激光线平面；

4）以摄像头中心点为坐标原点，通过激光笔照射到物体表面上的图像，提取得到激光光条中心线点，称为激光线点；通过激光线点与摄像头中心点构成直线方程，该直线方程与激光线平面相交于一点，将图像中的激光光条中心线上的所有点转换为相对与摄像头中心点的三维空间点；

5）利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的三维空间点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的三维空间点，得到了被扫描物体表面的三维空间信息，三维空间信息是以摄像头中心点为坐标原点的；

6）建立一个对应于图像大小的二维数组，将得到的被扫描物体表面的三维空间点信息存储到二维数组中，再按照OBJ格式要求，将数据写入OBJ文件中；

7）按照OBJ文件的绘制方式利用OpenGL图形绘制接口绘制显示，得到扫描物体的三维点云显示结果。

所述的左标定板和右标定板的连接角度可调。

所述的坐标点为12个，左标定板和右标定板上均设有六个坐标点，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成两条相互平行的直线。

所述的坐标点为10个，左标定板和右标定板上均设有五个坐标点，这五个坐标点均匀分布在呈十字形相互垂直的两条直线上。

所述是利用光强式结构光中心提取方法或者亮度图的差分式结构光中心提取方法得到激光中心线。

所述的光强式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

首先在图像的空间域中首先给定一个阈值，当图像中某个位置的亮度值大于设定的阈值时提取该点，否则跳过该点，进行下一个；

然后再将提取到的点中运用重心法进行计算就得到光条中心结构光中心点；

最后按照图像的高斯分布法则，在上述提取的中心点上，对每个点进行Hessian矩阵运算，得到中心点的法线，最终得到光条中心的亚像素精确点。

所述的亮度图的差分式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

第一步，将RGB三通道图转换为亮度图，然后在图像中没有激光亮条纹时提取20帧图像作为背景帧，对这20帧图像进行均值计算，最后的均值图像作为最后的背景帧；

第二步，在图像中出现激光条纹后，将此时的图像减去背景帧，最后剩下中心亮条纹；

第三步，再按照上面的光条纹光强提取办法，再利用重心法即求得激光光条的中心。

所述的激光笔照射晃动的频率为0.05赫兹，即20秒遍历待扫描物体一次。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，背景模型标定准确：通过在背景板上设置坐标点，进而通过坐标点来确定标定板左右平面，确定空间坐标系，标定准确而且左右标定板的角度可调，克服了现有技术中左右标定板要求垂直的限定，而背景模型的建立的好坏直接影响三维扫描的精度以及扫描效果；而且背景板制作简单，可以为各种尺寸的物体进行有效扫描。

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，复杂环境下结构光中心提取效果好：结构光中心的有效提取也直接影响三维扫描的准确度，目前所用到的光心提取算法为重心法，大多数对环境光要求比较苛刻，本发明可以选择光强式提取方式或基于亮度图的差分式进行结构光中心的提取，对环境光的要求比较低，提取效果良好。

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，能够对被测量对象的三维数据进行有效存储：目前的存储方案中三维数据的抖动性较大，实验采样的重复性不好；而本发明可以得到测量对象的精确三维点数据，并按照obj格式存储，数据量较小，便于结果的显示和分析；对被扫描对象进行数字化，可以通过相应的图形软件对被测对象进行更加细致的分析与研究。

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，构建设备成本非常低廉：本发明用最简单的仪器设备来构建，成本低廉，不超过2千元，在进行图像摄取时仅需要一个高质量网络摄像头（800元左右），一个一字线激光笔（1000元左右），相对于市场上现有的各种三维扫描系统动辄10余万、几十万来说成本非常低廉。

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，操作技术要求低：对于非接触方式的三维扫描方式一般要求较高的使用技能，本发明提供友好的使用方法简单易操作，不需要具备较高的专业知识。

本发明提供的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，扫描速度快：非接触测量一般要进行数据分析，所以测量时间一般比较慢；本发明可以实现实时扫描，能够即时显示测量结果，并且操作极其便利。

附图说明

图1为背景板及坐标点排列示意图；

图2为通过坐标点构建其背景平面方程示意图；

图3为扫描场景示意图；

图4-1为扫描场景实例示意图；图4-2为摄像头提取图像示意图；

图5为扫描一个兵马俑泥塑的点云结果图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

1、本发明所需要的硬件设备：

包括个摄像头，一个一字线激光笔，根据待扫描物体自制背景板。

背景板要求：表面尽量平整，左右板的大小一样，所列标定点位置如下所述。

具体的将背景板分为左标定板和右标定板，在在左标定板和右标定板上相互对称的设置若干个均匀分布的坐标点；

坐标点的设置为：坐标点为12个，左标定板和右标定板上均设有六个坐标点，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成两条相互平行的直线；

或者坐标点为10个，左标定板和右标定板上均设有五个坐标点，这五个坐标点均匀分布在呈十字形相互垂直的两条直线上；

其中12个标定点法，被证明在数学模型上是次简的；进一步的其排列方式可以被更换为两个十字架形状，从而将点数减少为10个，达到最简。

另外，也可以将坐标点设置为排列成正方形的，使用数字图像处理中的角点检测技术实现标定点的识别。

具体的以12个标定点来进行以下的说明。

2、扫描原理：

a.首先通过背景板上的12个标定点构建背景板的两个平面。

b.其次用光强式结构光中心提取方法或者是亮度图的差分式结构光中心提取方法得到激光中心线。然后分别取激光线打在左标定板上的两个点和打在右标定板上的点构造激光线平面。

c.通过图像中的激光线点与摄像头中心点（坐标原点）构成直线方程，该直线方程与激光平面相交于一点，将激光线上的所有点转换为相对与摄像头中心点的三维空间点。

d.再用建立的左右标定平面的平面方程作为筛选器，把不是平面上的点筛选出来就得到了落在物体表面上的点。

e.建立一个对应于图像大小的二维数组，将得到的三维值存储到二维数组中，在按照OBJ格式要求，将数据写入OBJ文件中。

具体的，基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，包括以下步骤：

1）制作背景板，背景板包括相互连接的，在左标定板和右标定板上相互对称的设置若干个均匀分布的坐标点；

2）在背景板前放置摄像头，通过激光笔依次点亮左标定板和右标定板上的坐标点，以摄像头中心点为坐标原点，提取各个坐标点的位置，以左标定板、右标定板上的坐标点分别构建其背景平面方程；

具体的如图3所示，取A、B、D三点构造左边背景板的背景平面方程。

A、B、D点坐标可分别通过所在直线的三个点计算出三维点坐标，这里假定计算得到的三点为：

A（x1,y1,z1）B(x2,y2,z2)D(x3,y3,z3)

在欧几里得三维空间中通过不是一条直线上的三点可以构造一个平面，得平面方程：

通过点法式可以得到平面方程，具体表达式如下；

设通过AB向量和AD向量计算得到的法线为：

Nx,Ny,Nz

则左边背景板的背景平面方程表达式为：

Nx*(x-x1)+Ny*(y-y1)+Nz*(z-z1)=0;

相应的可以构建出右边背景板的背景平面方程；

3）将待扫描的物体放置在左标定板和右标定板之间，激光笔持续晃动照射，此时摄像头能实时捕获到激光照射到被测物体表面上的图像；

在激光笔照射时，提取激光中心线，然后分别取激光线打在左标定板上的两个点和打在右标定板上的点构造激光线平面；

利用光强式结构光中心提取方法或者亮度图的差分式结构光中心提取方法得到激光中心线；

所述的光强式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

首先在图像的空间域中首先给定一个阈值，当图像中某个位置的亮度值大于设定的阈值时提取该点，否则跳过该点，进行下一个；

然后再将提取到的点中运用重心法进行计算就得到光条中心结构光中心点；

最后按照图像的高斯分布法则，在上述提取的中心点上，对每个点进行Hessian矩阵运算，得到中心点的法线，最终得到光条中心的亚像素精确点。

所述的亮度图的差分式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

第一步，将RGB三通道图转换为亮度图，然后在图像中没有激光亮条纹时提取20帧图像作为背景帧，对这20帧图像进行均值计算，最后的均值图像作为最后的背景帧；

第二步，在图像中出现激光条纹后，将此时的图像减去背景帧，最后剩下中心亮条纹；

第三步，再按照上面的光条纹光强提取办法，再利用重心法即求得激光光条的中心。

4）参见图4-1、图4-2，以摄像头中心点为坐标原点，通过激光笔照射到物体表面上的图像，可以提取得到的激光光条中心线点，称为激光线点。通过这些激光线点与摄像头中心点构成直线方程，该直线方程与激光平面相交于一点，将图像中的激光光条中心线上的所有点转换为相对与摄像头中心点的三维空间点；

假定取得一个激光线上的点为A（x,y），通过摄像头参数可以知道成像平面距离摄像头中心点为z所以取得的A点可以表示为A(x,y,z)。可以得到该点经过原点的直线方程。

另外激光线平面方程可以经由激光光条中心线上非同一直线上的三点表示。假定表示的方程结果为：Nx*(x-a)+Ny*(y-b)+Nz*(z-c)=0;

通过一条直线与平面相交于一点，可以通过上面的两个方程直接计算得到A点的三维信息点，表示为A1（x1,y1,z1）。

5）利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的点，得到待扫描物体表明的点相对于摄像头中心点的三维空间点信息；

将上一个步骤可以将激光光条中的点由二维点转换为三维信息点。取一个点为例，设该点为A（x,y,z）

筛选过程为：将A点分别带入背景板平面方程，如果该点满足左右背景板平面方程则去掉这个点，否则视该点为扫描得到的物体的表面的三维信息点。

利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的点，得到了被扫描物体表面的三维空间信息，三维空间信息是相对于摄像头中心点的；

6）在计算机软件中建立一个对应于图像大小的二维数组，将得到的三维空间点信息存储到二维数组中，再按照OBJ格式要求，将数据写入OBJ文件中；

7）按照OBJ文件的绘制方式利用OpenGL图形绘制接口绘制显示，得到待扫描物体的三维点云显示结果。

例如以兵马俑泥塑作为待扫描的物体，具体操作如下：

首先进行背景建模，建模完成后，将兵马俑泥塑放到背景板中央，准备开始扫描。

然后打开光条式激光发射器，采用光强式（或差分式）光条中心提取方法得到激光光条的中心线，再通过摄像头捕捉到带有激光光条中心线点的图像，

激光光条移动速度不宜过快，最好能够保证激光光条能够在某点滞留100ms左右。具体的激光笔照射晃动的频率为0.05赫兹，即20秒遍历待扫描物体一次，将光条在兵马俑上从上到下移动一次就能够获得较完整的扫描结果图。

利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的点，将得到待扫描物体的三维点云显示结果，结果如图5所示。

Claims (8)

1.一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制作背景板，背景板包括相互连接的左标定板和右标定板，在左标定板和右标定板上相互对称的设置若干个均匀分布的坐标点；

2）在背景板前放置摄像头，通过激光笔依次点亮左标定板和右标定板上的坐标点，以摄像头中心点为坐标原点，提取各个坐标点的位置，以左标定板、右标定板上的坐标点分别构建其背景平面方程；

3）将待扫描的物体放置在左标定板和右标定板之间，激光笔持续晃动照射，此时摄像头能实时捕获到激光照射到待扫描物体表面上的图像；

在激光笔照射时，提取激光中心线，然后分别取激光线打在左标定板上的两个点和打在右标定板上的两个点构造激光线平面；

4）以摄像头中心点为坐标原点，通过激光笔照射到物体表面上的图像，提取得到激光光条中心线点，称为激光线点；通过激光线点与摄像头中心点构成直线方程，该直线方程与激光线平面相交于一点，将图像中的激光光条中心线上的所有点转换为相对与摄像头中心点的三维空间点；

5）利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的三维空间点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的三维空间点，得到了被扫描物体表面的三维空间信息，三维空间信息是以摄像头中心点为坐标原点的；

6）建立一个对应于图像大小的二维数组，将得到的被扫描物体表面的三维空间点信息存储到二维数组中，再按照OBJ格式要求，将数据写入OBJ文件中；

7）按照OBJ文件的绘制方式利用OpenGL图形绘制接口绘制显示，得到扫描物体的三维点云显示结果。

2.如权利要求1所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的左标定板和右标定板的连接角度可调。

3.如权利要求1所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的坐标点为12个，左标定板和右标定板上均设有六个坐标点，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成两条相互平行的直线。

4.如权利要求1所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的坐标点为10个，左标定板和右标定板上均设有五个坐标点，这五个坐标点均匀分布在呈十字形相互垂直的两条直线上。

5.如权利要求1所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，利用光强式结构光中心提取方法或者亮度图的差分式结构光中心提取方法得到激光中心线。

6.如权利要求5所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的光强式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

首先在图像的空间域中首先给定一个阈值，当图像中某个位置的亮度值大于设定的阈值时提取该点，否则跳过该点，进行下一个；

然后再将提取到的点中运用重心法进行计算就得到光条中心结构光中心点；

最后按照图像的高斯分布法则，在上述提取的中心点上，对每个点进行Hessian矩阵运算，得到中心点的法线，最终得到光条中心的亚像素精确点。

7.如权利要求5所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的亮度图的差分式结构光中心提取方法，包括以下步骤：

第一步，将RGB三通道图转换为亮度图，然后在图像中没有激光亮条纹时提取20帧图像作为背景帧，对这20帧图像进行均值计算，最后的均值图像作为最后的背景帧；

第二步，在图像中出现激光条纹后，将此时的图像减去背景帧，最后剩下中心亮条纹；

第三步，再按照上面的光条纹光强提取办法，再利用重心法即求得激光光条的中心。

8.如权利要求1所述的基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，其特征在于，所述的激光笔照射晃动的频率为0.05赫兹，即20秒遍历待扫描物体一次。

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