CN104154875A - 基于两轴旋转平台的三维数据获取系统及获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法。本发明采用的技术方案主要包括三个重要部分：1.双目三维传感器的标定；2.两轴旋转台的标定；3.根据双目三维传感器及两轴旋转台的标定结果进行不同视角的被测物体深度像的自动匹配。本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法，能实现同时对双目三维传感器及两轴旋转台进行标定，利用标定结果可进行被测物体的三维图像的自动匹配。

Description

基于两轴旋转平台的三维数据获取系统及获取方法

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法。

背景技术

基于双目三维传感器的测量技术是计算机三维检测技术的一个重要组成部分，利用左右两个摄像机构成三角测量关系，对空间中特征点进行重建其三维坐标。通常利用结构光投影系统向物体表面不同编码的结构光，条纹等编码图像以获得稠密三维数据。由于物体自身遮挡，为了获得物体360度完整的三维表面数据，需要在三维成像系统中集成两轴旋转台，通过控制两个基本垂直的旋转轴不同的旋转角度获得不同视角下被测物体表面三维数据，然后将不同视角下的深度像匹配到同一个坐标系下。因此需要对两个旋转轴进行标定，计算得到旋转台的旋转轴线。

现在对于三维测量系统中旋转轴的标定方法主要利用标准平面或是已知半径的标准球来实现。通过已标定的视觉测量设备首先在多个不同的旋转位置获取标准平面或者标准球的表面三维点云数据，在根据这些数据拟合平面或者球的解析表达，最后根据平面或标准球的几何特征求出载物台的旋转轴线位姿。这些方法需要事先制作标准平面或是高精度的标准球体，标定的成本较高；需要在标定旋转轴之前先标定双目三维传感器，标定效率较低。针对双基于两轴旋转台全自动三维成像系统，需要设计出一整套操作简单，过程高效的标定方法，并能利用这轴标定参数能方便自动进行不同视角三维数据的全局匹配，无需人工干预实现被测物体表面三维数据的全自动获取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法。本发明是这样实现的：

一种基于两轴旋转台的三维成像系统，包括：两轴旋转台、双目三维传感器、计算机系统；

所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿；

以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；

以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；

所述计算机系统包括控制模块、标定模块；

所述控制模块用于驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同时，控制所述双目三维传感器在与所述两轴旋转台的相对位置关系不变的条件下，采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；

第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；

所述标定模块用于获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及标靶在载物台处于不同位姿时摄像机的外部参数；

根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的结构参数；

根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；

根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；

根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

进一步地，所述计算机系统还包括三维匹配模块；

所述三维匹配模块用于根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。

一种基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；

所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿；

以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；

以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；

所述方法包括如下步骤：

将标靶固定于所述载物台上，保持双目三维传感器与两轴旋转台的相对位置关系不变，驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同时，利用所述双目三维传感器采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；

第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；

获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及在载物台处于不同位姿时的外部参数；

根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的结构参数；

根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；

根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；

根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

进一步地，所述基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法还包括如下步骤：

根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。

与现有技术相比，本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法，能实现同时对双目三维传感器及两轴旋转台进行标定，利用标定结果可进行被测物体的三维图像的自动匹配。

附图说明

图1：本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统结构示意图；

图2：上述三维数据获取系统中计算机系统的组成示意图。

图3：本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于两轴旋转台的三维成像系统，包括两轴旋转台2、双目三维传感器1及计算机系统3。两轴旋转台2包括摆动轴201、转动轴202及载物台203。载物台203用于固定标靶。载物台203可在摆动轴201的驱动下绕摆动轴201摆动，以及在转动轴202的驱动下绕转动轴202转动，从而处于不同位姿。在本实施例中，转动轴202及摆动轴201由步进电机驱动，步进电机可连接计算机系统3。计算机系统3通过编码器控制步进电机的动作。转动轴202与摆动轴201设置为接近相互垂直的位置关系。

如图2所示，计算机系统3包括控制模块301及标定模块302。其中，控制模块301用于驱动图1所示转动轴202及摆动轴201转动从而使载物台203处于不同位姿，并确保载物台203处于各位姿时，标靶上的所有基准点都在双目三维传感器1的左、右两部摄像机(101为右摄像机，102为左摄像机)的有效视场中。载物台203位姿发生变换时，固定于载物台203上的标靶就相应地变换了位姿。因此，可以通过调节载物台203的位姿来调节标靶的位姿。在本实施例中，标靶上一共设置有99个圆形基准点。控制模块301通过编码器驱动步进电机，从而摆动轴201及转动轴202的转动，使载物台203处于不同位姿。同时，控制模块301还用于控制双目三维传感器1在与两轴旋转台2的相对位置关系不变的条件下，采集载物台203处于不同位姿时的标靶图像。不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴201摆动角度固定，转动轴202分别处于若干不同转动角度；第二组位姿：转动轴202转动角度固定，摆动轴201分别处于若干不同摆动角度。

以(α_i,β_i)定义标靶的位姿，其中α_i为摆动轴201的摆动角度位置，β_i为转动轴202的转动角度位置。在本实施例中，第一组位姿具体包括四个位姿：摆动轴201处于摆动角度为零度的位置，并保持不动，转动轴202从转动角度为零度的位置开始，每次旋转90度。具体而言，该四个位姿分别为(0°，90°)、(0°，180°)、(0°，270°)、(0°，0°)。第二组位姿具体包括四个位姿：转动轴202处于转动角度为零度的位置，并保持不动，摆动轴201从摆动角度为零度的位置开始，每次转动20度。具体而言，该四个位姿分别为(0°，0°)、(20°，0°)、(40°，0°)、(60°，0°)。

采集到上述8幅标靶图像后，标定模块302获取所采集的载物台203处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并将其作为各基准点在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标。在本实施例中，在第一组和第二组共八个不同位姿，双目三维传感器1的左右摄像机各自采集到8幅不同的标靶图像，经相应的图像处理技术得到各幅标靶图像中的各基准点的中心像素的图像坐标。具体可通过高斯滤波去噪，canny算子边沿提取，椭圆边沿亚像素定位最后拟合得到各个基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标，记为同时获取各基准点在世界坐标系中的坐标，记为X。在确定各基准点在各坐标系中的坐标时，都以各基准点的中心像素为计算依据。确定了各基准点在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标X后，可根据各基准点在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标X计算左、右两部摄像机的成像参数。成像参数包括内部参数及在载物台203处于不同位姿时的外部参数。根据张正友提出的摄像机标定方法，可以建立左、右摄像机的极大似然判据优化的目标函数：其中，表示基准点中心像素的实际观测坐标，表示基准点在考虑了误差的非线性摄像机模型中的重投影得到的图像坐标，X表示基准点的世界坐标系坐标。K表示摄像机的内参矩阵，包含了镜头的焦距及摄像机主点，θ表示镜头的畸变系数，R、t为摄像机的外参。通过分别优化左、右摄像机的目标函数，可分别得到左、右摄像机的成像参数(K_l,θ_l,R_l,t_l)、(K_r,θ_r,R_r,t_r)。其中K_l、θ_l分别为左摄像机的内参矩阵及镜头畸变系数，(R_l、t_l)为左摄像机的外部参数，K_r、θ_r为右摄像机的内参矩阵及镜头畸变系数，(R_r、t_r)为右摄像机的外部参数。

标定模块302还用于根据载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器1的结构参数，以及根据双目三维传感器1的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器1的外部参数。根据下述坐标变换关系，可以求得双目三维传感器1的结构参数{R_s,t_s}： $\left\{\begin{array}{c}{R}_s=R_r{R}_l^{-1}\\ t_s=t_r-R_s{t}_l\end{array}\right..$ 将双目三维传感器1的坐标原点定位于左摄像机102的坐标原点，将左摄像机102的坐标系作为双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g，同时也作为世界坐标系。据此可以求得载物台处于不同位姿时双目三维传感器1的外部参数。至此完成了双目三维传感器1的标定。

标定模块302对双目三维传感器1完成标定后，还将对两轴旋转台2进行标定。标定模块302对两轴旋转台2的标定过程如下：

根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系。

根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

以本实施例为例对上述两轴载物台的标定过程进行详细说明如下：

转动轴202与摆动轴201相互独立，可以分别标定。为便于实现标定，本发明定义了转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系。由图1所示，以转动轴202上任意一点O_b为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴202Z_b为转动平台局部坐标系的Z轴，垂直于转动轴202Z_b且过转动平台局部坐标系的原点O_b的平面为转动平台局部坐标系的X轴X_b及Y轴Y_b所在平面，确定转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b。以摆动轴201上任意一点O_a为摆动平台局部坐标系的原点O_a，以摆动轴201Z_a为摆动平台局部坐标系的Z轴，垂直于摆动轴201Z_a且过摆动平台局部坐标系的原点O_a的平面为摆动平台局部坐标系的X轴X_a及Y轴Y_a所在平面，确定摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a。

两轴旋转台2标定的实质为标定双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g与摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a及转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b的R、T变换关系。以下以转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b为例描述该标定过程。双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g与摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a的变换关系可参照该标定过程。标定双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g与转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b的R、T变换关系主要包括两个步骤：计算旋转矩阵和平移向量。

由对第一组位姿的描述可知，载物台处于第一组位姿时所拍摄的标靶图像是摆动轴201处于摆动角度为零度的位置，并保持不动，转动轴202从转动角度为零度的位置开始，每次旋转90度所拍摄的。该四个位姿分别为(0°，90°)、(0°，180°)、(0°，270°)、(0°，0°)。通过标定可以求得在载物台处于这四个位姿时，标靶中任一基准点在双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g中的坐标X_i，再根据该基准点的图像坐标，可得到在载物台处于这四个不同位姿时图像坐标系与双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g的变换关系{R_i,t_i}(i＝1,2,3,4)。由此可以得到载物台处于这四个不同位姿中任意两个位姿之间的基准点的坐标变换关系如下:

R_ij＝R_i·R_j ^-1

X_j＝R_ij·X_i,(i＝1,2,3,4；j＝2,3,4)。

在这四个不同位姿之间变换时，标靶中的各基准点都是绕相同的轴旋转的，因此，可用Rodrigues向量rij表示旋转矩阵在任意两个不同位姿i、j之间的坐标变换关系R_ij，所以rij具有相同的方向，且与转动轴202本身的方向一致。对各基准点的向量rij所对应的单位向量求均值可得到转动轴202的方向

$\stackrel{\→}{r}=\frac{1}{0.5*4*(4-1)}\underset{j=i...3}{\underset{i=\mathrm{1,2,3};}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}.$

将转动轴202方向定义为转动局部坐标系Z轴的正向，通过求解某一Rodrigues向量将双目三维传感器坐标系Z轴正向{Z_g＝(0,0,1)^T}旋转至转动轴202(即转动平台局部坐标系Z轴)的方向。该Rodrigues向量的矩阵即为双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的旋转矩阵R_b。由Rodrigues旋转向量的性质可知，向量的方向为Z_g与的叉乘方向，其模值λ为Z_g与点乘大小，如下式所示：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}=Z_g\×\stackrel{\→}{r}$

$\mathrm{\λ}=\arccos (Z_w,\stackrel{\→}{r})=Z_g\·\stackrel{\→}{r}/\left|Z_g\right|/\left|\stackrel{\→}{r}\right|.$

然后通过Rodrigues变换将向量变换为旋转矩阵R_b，从而完成旋转矩阵的计算。

计算平移向量T_b。根据计算的旋转矩阵R_b，每个不同位姿上所得的标靶基准点在双目三维传感器坐标系中的坐标的变换关系可由下式表示：

$X_i^{s\′}=R\·X_i^s.$

其中R为转换矩阵，为旋转前基准点s在双目三维传感器坐标系中的坐标，为旋转后基准点s在双目三维传感器坐标系中的坐标。由于各基准点都是绕同一转动轴202(即转动平台局部坐标系的Z轴)转动，转动轴202即圆心。由下式可以确定基准点s的转动圆周所对应的圆心P^s(x₀,y₀,z₀)：

(x-x₀)²+(y-x₀)²＝r²

z₀＝z。

标靶上共有99个基准点s，因此，可以确定99个不同的圆心P^s(x₀,y₀,z₀)，其中s＝1,2,3…99。这99个不同的圆心P^s(x₀,y₀,z₀)都处于同一旋转平面上，因此，以这99个圆心P^s(x₀,y₀,z₀)的均值作为转动平台局部坐标系的原点在双目三维传感器坐标系中的坐标再根据该坐标求得平移向量为 $T_b={(-\stackrel{\‾}{x_0},\stackrel{\‾}{{-y}_0},\stackrel{\‾}{{-z}_0})}^T.$

以上为根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g与转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b的变换关系的具体方法，参照该方法，再根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系O_g-X_gY_gZ_g与摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a的变换关系。至此完成了该三维成像系统的标定。

计算机系统3还进一步包括三维匹配模块303，可根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。这时，将两轴旋转台2的位姿标记为(α_i,β_i)。然后根据已标定的双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系及转动平台局部坐标系的变换关系，以及转动轴202及摆动轴201的转动角度，就可将载物台处于位姿(α_i,β_i)时基准点在双目三维传感器坐标系中的坐标变换至载物台处于位姿(0,0)时(摆动轴201和转动轴202的转动角度都为零时)基准点在双目三维传感器坐标系中的坐标。其变化过程主要有两步骤：

(1)、根据摆动轴201的摆动角度α_i进行第一步坐标变换。根据已标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系{R_a,t_a},先将在载物台处于位姿(α_i,β_i)时所得的Xi通过变换关系{R_a,t_a}变换至摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a，如下式所示：

X_a＝R_a·X_i+T_a。

然后在摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a中将X_a绕Z轴旋转-α_i角度，如下式所示：

X'_g＝X_a·R_z(-α_i)。

其中R_z(-α_i)为绕Z轴旋转-α_i的变换矩阵，即：

$R_z(-{\mathrm{\α}}_i)=\left[\begin{array}{ccc}\cos (-{\mathrm{\α}}_i)& -\sin (-{\mathrm{\α}}_i)& 0\\ \sin (-{\mathrm{\α}}_i)& \cos (-{\mathrm{\α}}_i)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

此时可得到载物台处于位姿(0,β_i)时的三维数据X_g'。

(2)、根据转动轴202的转动角度β_i进行第二次坐标变换。根据已标定的双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系{R_b,t_b}，由下式可求得摆动平台局部坐标系O_a-X_aY_aZ_a到转动平台局部坐标系O_b-X_bY_bZ_b的变换关系[R_ab,T_ab]：

$R_{\mathrm{ab}}=R_b\·R_a^{-1}$

T_ab＝T_b-R_ab。

与第一步坐标变换类似，通过下式可得到载物台处于位姿(0,β_i)时的三维数据X'_g变换至载物台处于位姿(0,0)的变换表达式X_g：

X_g＝[R_ab·X'_g+T_ab]·R_z(-β_i)。

对于两轴旋转台2的每个不同的位姿i，其角度(α_i,β_i)根据以上步骤变换至摆动轴201及转动轴202都处于转动角度为零时的位姿(0,0)，从而完成被测物体的三维图像的自动匹配。

基于上述基于两轴旋转台2的三维成像系统，本发明还提供了一种基于两轴旋转台2的三维成像系统的标定方法。如图3所示，本方法包括如下步骤：

步骤S1：将标靶固定于所述载物台上，保持双目三维传感器1与两轴旋转台2的相对位置关系不变，驱动转动轴202及摆动轴201转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器1的左、右两部摄像机的有效视场中；同时，利用所述双目三维传感器1采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴201摆动角度固定，转动轴202分别处于若干不同转动角度；

第二组位姿：转动轴202转动角度固定，摆动轴201分别处于若干不同摆动角度；

步骤S2：获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参数包括内部参数及在载物台处于不同位姿时的外部参数；

步骤S3：根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器1的结构参数；

步骤S4：根据双目三维传感器1的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器1的外部参数；

步骤S5：根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；

步骤S6：根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器1的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

进一步地，本方法还包括如下步骤：

根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。

本方法可用于口腔牙齿印模的三维测量。为了获取口内牙齿印模的三维数据，预先规划了摆动轴201和转动轴202不同的转动角度，分别为：(0,0)、(0,90)、(0,180)、(0,270)、(20,0)、(20,90)、(20,180)、(20,270)、(40,0)、(40,90)、(40,180)、(40,270)一共采集得到12个不同视角的牙齿印模，利用本方法可将该12个不同视角的牙齿印模匹配到同一视角。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于两轴旋转台的三维成像系统，其特征在于，包括：两轴旋转台、双目三维传感器、计算机系统；

所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿；

以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；

以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；

所述计算机系统包括控制模块、标定模块；

所述控制模块用于驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同时，控制所述双目三维传感器在与所述两轴旋转台的相对位置关系不变的条件下，采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；

第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；

所述标定模块用于获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及标靶在载物台处于不同位姿时摄像机的外部参数；

根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的结构参数；

根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；

根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；

根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

2.如权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，所述计算机系统还包括三维匹配模块；

所述三维匹配模块用于根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。

3.一种基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，其特征在于，所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；

所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿；

以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；

以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；

所述方法包括如下步骤：

将标靶固定于所述载物台上，保持双目三维传感器与两轴旋转台的相对位置关系不变，驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同时，利用所述双目三维传感器采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：

第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；

第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；

获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及在载物台处于不同位姿时的外部参数；

根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的结构参数；

根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；

根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；

根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。

4.如权利要求3所述的基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，其特征在于，还包括如下步骤：

根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。