CN103697811B - 一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 - Google Patents
一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103697811B CN103697811B CN201310698124.7A CN201310698124A CN103697811B CN 103697811 B CN103697811 B CN 103697811B CN 201310698124 A CN201310698124 A CN 201310698124A CN 103697811 B CN103697811 B CN 103697811B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- structure light
- camera
- target
- contour
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Abstract
本发明涉及一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,该方法包括以下步骤:1)以固定的相对位置安装相机和结构光,且结构光在相机的视场范围内;2)建立相机坐标系;3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式;4)将标定过的结构光投射在物体上,结构光形成物体的轮廓线,相机采集结构光在物体轮廓上的图像,提取轮廓线在成像面上的坐标;5)根据步骤4)得到的坐标计算物体轮廓的三维坐标。与现有技术相比,本发明具有操作简单、造价低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维摄影测量方法,尤其是涉及一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法。
背景技术
物体的三维信息记录方法主要有:直接测量、基于X射线的CT扫描法,基于计算机视觉的方法和激光三维扫描仪等方法。直接测量的方法耗费大量人力,工作量大;采用CT扫描的方法价格昂贵,专用仪器体积巨大,使用不够方便,并且扫描耗时长;激光三维扫描仪数据处理复杂,设备造价高;计算机视觉的方法需要对数据进行三维重建,自动化处理困难,存在测量不精确,容易遗漏被遮挡位置的问题。
目前广泛应用的三维坐标测量主要有光学坐标测量和结构光照明的主动光学三维坐标测量技术。
光学坐标测量技术主要是采用校正好的摄像机和一个辅助测量棒进行测量,辅助测量棒上有多个标记点和一个可以与被测物体接触的测头。测量前精密测定标记点和测头在辅助测量棒坐标系中的坐标。通过计算辅助测量棒上测头的坐标能够得出被测点的三维坐标。近年来,已有多家公司研制出较为成熟的产品,例如瑞士Leica公司推出的T2 pro通用坐标测量机和德国AICON 3D Systems公司的Procam便携式坐标测量机。
采用结构光照明的主动光学三维坐标测量技术具有非接触、速度快和测量精度高等优点,被大多数实用的三维面形测量仪使用。通过标定结构光和光学传感元件之间的位置关系,即可计算出结构光和物体交线上点的三维坐标。但是由于线结构光测量一次只能得到物体表面某一截面上的轮廓线,为了得到完成的物体表面必须附加一维扫描。该技术应用上的困难主要是标定结构光和旋转中心的过程繁琐和复杂,这些标定方法都需要使用经过精密加工的标准模型,而且模型的定位精度也要求很高。专业人员需要使用高精度的辅助设备对线结构光和旋转中心进行精密的调节,并且通过测量标准件来保证其误差在允许的范围内才能得到满意的标定结果。当结构光与相机的相对位置发生改变时,则需要重新进行上述复杂的标定,会耗费大量的精力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、造价低廉的相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,该方法包括以下步骤:
1)以固定的相对位置安装相机和结构光,且结构光在相机的视场范围内;
2)建立相机坐标系;
3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式;
4)将标定过的结构光投射在物体上,结构光形成物体的轮廓线,相机采集结构光在物体轮廓上的图像,提取轮廓线在成像面上的坐标ki(x,y,id),成像面到相机中心的垂直距离为id;
5)根据步骤4)得到的坐标ki(x,y,id)计算物体轮廓的三维坐标。
所述的相机和结构光通过安装支架刚性连接。
所述的步骤2)中,建立相机坐标系时,取相机中心为坐标系原点,相机的相机光轴为Z轴,成像面的水平方向为X轴,成像面的竖直方向为Y轴,其中Z轴垂直于成像面,并过成像面的中心。
所述的步骤3)具体为:
301)计算结构光和靶标平面A的交线
在相机与结构光的交线处放置靶标,调整靶标位置,使靶标和结构光同时在相机的视场范围内,记录该位置为A处,该位置处靶标的平面方程为SA;
相机拍摄靶标和结构光在A处的图像,通过图像阈值分割技术,分别提取靶标上的4个靶点和结构光在像平面上的坐标信息;
由4个靶点的坐标信息计算出SA的方程式,结构光在像平面上的所有点和相机坐标系原点构成一个平面PA,根据透射投影模型,PA与SA的交线即是结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的实际位置;
计算PA和SA相交,得到结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的方程LA;
302)计算结构光和靶标平面B的交线
调整靶标位置到B处,重复步骤301)的过程,计算出结构光和靶标在位置B处的交线方程LB;
303)计算结构光的平面方程式
LA和LB都在结构光平面上,由直线方程LA和LB计算出结构光在相机坐标系中的平面方程式S。
所述的靶标在位置A处和位置B处时的夹角在60°~90°之间。
所述的步骤5)具体为:
501)作射线Oki,O为相机中心;
502)根据透射投影关系,求解Oki和S的交点,即得到物体轮廓的三维坐标fi(xf,yf,zf)。
与现有技术相比,本发明提供了简单的结构光和相机标定技术方案,可方便结构光对物体轮廓进行三维测量,与计算机视觉技术结合能够适应于大规模、快速的工业三维测量过程。
附图说明
图1为相机坐标系示意图;
图2为靶标示意图;
图3为标定结构光平面过程示意图;
图4为方靶模型示意图;
图5为透射投影示意图;
图6为测量物体三维坐标过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,该方法通过标定后的结构光和相机位置关系计算出结构光在物体轮廓上的三维坐标,具体包括以下步骤:
(1)固定结构光和相机的相对位置
为了保证结构光和相机在标定和测量过程中的相对位置不变,通过安装支架将结构光元件和相机刚性绑定在一起。相机和结构光的位置关系要保证相机在视场范围的合适角度内能够观测到结构光。
(2)建立相机坐标系
如图1所示,取相机中心为坐标系原点,相机的相机光轴为Z轴,成像面的水平方向为X轴,成像面的竖直方向为Y轴,其中Z轴垂直于成像面,并过成像面的中心,成像面到相机中心的垂直距离为id。
(3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式
如图2所示,靶标平面上有4个靶点,4个靶点中心严格的构成一个边长已知的正方形。如图3所示,使结构光和靶标平面相交,通过方靶模型计算出靶标在相机坐标系中的平面方程,由透射投影模型计算出结构光和靶标平面的交线在相机坐标系中的直线方程。调整一次靶标的位置,重复上述计算过程,可以得到另外一条结构光平面上的直线方程。上述两条直线均在结构光平面上,由上述两个方程可以计算出相机坐标系中结构光的平面方程。该过程具体包括如下子步骤:
301)计算结构光和靶标平面A的交线
在相机与结构光的交线处放置靶标,调整靶标位置,使靶标和结构光同时在相机的视场范围内,记录该位置为A处,该位置处靶标的平面方程为SA。相机拍摄靶标和结构光在A处的图像,通过图像阈值分割技术,分别提取靶标上的4个靶点和结构光在像平面上的坐标信息,根据4个靶点的信息,通过方靶模型计算出SA的方程式:SA:IA·x+JA·y+KA·z+LA=0。
如图4所示,这里的方靶模型是指实物平面上的4个正方形靶点(A1,A2,A3,A4)在成像过程中,由于成像面和物平面不平行,造成图像上的四个靶点(a1,a2,a3,a4)并不是正方形。固定在两条对角线的中心点o,在OA1,OA2,OA3,OA4射线上将a1,a2,a3,a4点调整到a1′,a2′,a3′,a4′,使得a1′,a2′,a3′,a4′构成一个正方形,进而计算出a1′,a2′,a3′,a4′的坐标信息。通过三角形Oa1′a2′和OA1A2的相似关系,得到,由于A1A2=d为已知条件,从而可以计算出线段OA1的长度。由于和的方向与和的方向平行,计算出向量和。以为平面的法方向,可以计算出靶标平面的方程式S:I·x+J·y+K·z+L=0。
同时可以在靶标平面上建立一个坐标系,坐标原点为A1,以为X轴,为Y轴,为Z轴,该坐标系的基向量与相机坐标系之间有如下转换关系:
是平移向量,等于A1点在相机坐标系统中的向量
转角矩阵R有如下性质:
(1)RT=R-1;
结构光在像平面上的所有点和相机坐标系原点构成一个平面PA,根据透射投影模型,PA与SA的交线即是结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的实际位置。对于提取的结构光的点坐标,由透射投影关系得到结构光PAi在成像面上的投影点坐标为Pi(xA′,yA′,id),那么结构光的实物点在相机坐标系中的坐标为Wi(x,y,z),解下述方程组
即可得到Wi(x,y,z)。Wi(x,y,z)均在结构光和靶标平面的交线上,用最小二乘法拟合即可得到结构光平面上的一条直线方程LA。
如图5所示,这里的投射投影模型是指相机坐标系的空间中一点(x,y,z),在成像面上的投影点坐标为(x′,y′,id),物体点、成像点和相机中心在一条直线上。从而有:
由于x′,y′,id均是已知数值,从而计算出
302)计算结构光和靶标平面B的交线
调整靶标位置到B处,保证靶标在位置A处和位置B处时的夹角在60°~90°之间,重复步骤301)的过程,计算出结构光和靶标在位置B处的交线方程LB;
303)计算结构光的平面方程式
LA和LB都在结构光平面上,由直线方程LA和LB计算出结构光在相机坐标系中的平面方程式S:A·x+B·y+C·z+D=0,这里A、B、C、D为求得的平面的系数。
(4)采集结构光在物体轮廓上的图像
结构光和相机位置关系固定,那么结构光平面在相机坐标系中的平面方程式也是固定的。将标定过的结构光投射在物体上,结构光形成物体的轮廓线,相机采集结构光在物体轮廓上的图像,提取轮廓线在成像面上的坐标ki(x,y,id)。
(5)物体轮廓的三维坐标。
如图6所示,从相机中心O通过成像面上结构光的像ki(xk,yk,id)做射线Oki,根据透射投影关系,求解Oki和S的交点,即得到物体轮廓的三维坐标fi(xf,yf,zf)。可由以下公式:
计算得出fi点处的xf,yf,zf。
虽然已经结合具体的示范性实施例并结合附图充分的描述了本发明,对于本领域技术人员来说,对本发明的各种修改和改变是显而易见的。因此,除非这些改变和变形脱离本发明的范围,否则它们应该被解释为包括在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)以固定的相对位置安装相机和结构光,且结构光在相机的视场范围内;
2)建立相机坐标系;
3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式,具体为:
301)计算结构光和靶标平面A的交线
在相机与结构光的交线处放置靶标,调整靶标位置,使靶标和结构光同时在相机的视场范围内,记录该位置为A处,该位置处靶标的平面方程为SA;
相机拍摄靶标和结构光在A处的图像,通过图像阈值分割技术,分别提取靶标上的4个靶点和结构光在像平面上的坐标信息;
由4个靶点的坐标信息计算出SA的方程式,结构光在像平面上的所有点和相机坐标系原点构成一个平面PA,根据透射投影模型,PA与SA的交线即是结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的实际位置;
计算PA和SA相交,得到结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的方程LA;
302)计算结构光和靶标平面B的交线
调整靶标位置到B处,重复步骤301)的过程,计算出结构光和靶标在位置B处的交线方程LB;
303)计算结构光的平面方程式
LA和LB都在结构光平面上,由直线方程LA和LB计算出结构光在相机坐标系中的平面方程式S;
4)将标定过的结构光投射在物体上,结构光形成物体的轮廓线,相机采集结构光在物体轮廓上的图像,提取轮廓线在成像面上的坐标ki(x,y,id),成像面到相机中心的垂直距离为id;
5)根据步骤4)得到的坐标ki(x,y,id)计算物体轮廓的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,其特征在于,所述的相机和结构光通过安装支架刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,其特征在于,所述的步骤2)中,建立相机坐标系时,取相机中心为坐标系原点,相机的相机光轴为Z轴,成像面的水平方向为X轴,成像面的竖直方向为Y轴,其中Z轴垂直于成像面,并过成像面的中心。
4.根据权利要求1所述的一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,其特征在于,所述的靶标在位置A处和位置B处时的夹角在60°~90°之间。
5.根据权利要求1所述的一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法,其特征在于,所述的步骤5)具体为:
501)作射线Oki,O为相机中心;
502)根据透射投影关系,求解Oki和S的交点,即得到物体轮廓的三维坐标fi(xf,yf,zf)。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310698124.7A CN103697811B (zh) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310698124.7A CN103697811B (zh) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103697811A CN103697811A (zh) | 2014-04-02 |
CN103697811B true CN103697811B (zh) | 2016-08-17 |
Family
ID=50359423
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310698124.7A Active CN103697811B (zh) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | 一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103697811B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105987670A (zh) * | 2015-02-28 | 2016-10-05 | 青岛软控机电工程有限公司 | 轮胎压痕深度数据的处理方法、系统和装置 |
CN108062790B (zh) * | 2018-01-02 | 2021-07-16 | 广东嘉铭智能科技有限公司 | 应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法 |
CN108844489A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-20 | 苏州乐佰图信息技术有限公司 | 应用线激光扫描物体轮廓的方法以及相机标定方法 |
CN109493389B (zh) * | 2018-10-15 | 2021-11-09 | 同济大学 | 一种基于深度学习的相机标定方法及系统 |
CN109341525B (zh) * | 2018-10-17 | 2020-09-01 | 天津大学 | 一种基于二维激光扫描仪的“v”型靶标及坐标测量方法 |
CN111416942B (zh) * | 2020-04-27 | 2021-06-29 | 深圳市瑞立视多媒体科技有限公司 | 限制相机搜索范围的方法、装置、设备及存储介质 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5319387A (en) * | 1991-04-19 | 1994-06-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Apparatus for specifying coordinates of a body in three-dimensional space |
CN1508511A (zh) * | 2002-12-17 | 2004-06-30 | 北京航空航天大学 | 一种结构光视觉传感器的标定方法 |
CN101476882A (zh) * | 2009-01-08 | 2009-07-08 | 上海交通大学 | 基于单应性矩阵的结构光三维检测方法 |
CN103065303A (zh) * | 2012-12-25 | 2013-04-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4651550B2 (ja) * | 2006-01-31 | 2011-03-16 | 日本電信電話株式会社 | 三次元座標計測装置および方法 |
-
2013
- 2013-12-18 CN CN201310698124.7A patent/CN103697811B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5319387A (en) * | 1991-04-19 | 1994-06-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Apparatus for specifying coordinates of a body in three-dimensional space |
CN1508511A (zh) * | 2002-12-17 | 2004-06-30 | 北京航空航天大学 | 一种结构光视觉传感器的标定方法 |
CN101476882A (zh) * | 2009-01-08 | 2009-07-08 | 上海交通大学 | 基于单应性矩阵的结构光三维检测方法 |
CN103065303A (zh) * | 2012-12-25 | 2013-04-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种快速实现线阵相机标定的装置及其方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法;徐光祐等;《计算机学报》;19950630;第18卷(第6期);第450-456页 * |
数码相机标定方法研究;姜大志等;《南京航空航天大学学报》;20010228;第33卷(第1期);第55-59页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103697811A (zh) | 2014-04-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103697811B (zh) | 一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法 | |
Luhmann | Close range photogrammetry for industrial applications | |
CN106959078B (zh) | 一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法 | |
CN105783775B (zh) | 一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法 | |
Luhmann et al. | Sensor modelling and camera calibration for close-range photogrammetry | |
CN103759669B (zh) | 一种大型零件的单目视觉测量方法 | |
CN108802043B (zh) | 隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法 | |
Zhao et al. | Calibration for stereo vision system based on phase matching and bundle adjustment algorithm | |
CN105424058B (zh) | 基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法 | |
CN108444449B (zh) | 一种对具有平行线特征的目标空间姿态测量方法 | |
US20090059011A1 (en) | Calibration method for structure parameters of structured-light vision sensor | |
CN106767540B (zh) | 一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法 | |
CN105115560B (zh) | 一种船舱舱容的非接触测量方法 | |
CN102155923A (zh) | 基于立体靶标的拼接测量方法及系统 | |
CN108827187B (zh) | 一种三维轮廓测量系统 | |
CN104422425B (zh) | 一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法 | |
CN106248014A (zh) | 一种基于单相片的三维坐标测量方法及装置 | |
CN105571523A (zh) | 直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量方法 | |
He et al. | Eccentricity error identification and compensation for high-accuracy 3D optical measurement | |
CN103712572A (zh) | 结构光源与相机结合的物体轮廓三维坐标测量装置 | |
CN106813594A (zh) | 大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法 | |
Jiang et al. | Combined shape measurement based on locating and tracking of an optical scanner | |
Zhang et al. | Global measurement method for large-scale components based on a multiple field of view combination | |
CN104036518A (zh) | 一种基于向量法和三点共线的相机标定方法 | |
Liu et al. | On-site calibration method for outdoor binocular stereo vision sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |