CN105890558A - 一种高精度三维测量方法 - Google Patents

一种高精度三维测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维图像测量技术领域，具体的讲是一种高精度三维测量方法，本发明在测量时将格雷码进行移动，得到更为精确的测量图样，然后经过一系列的运算，得到最终待测物体的图样，避免了环境光的干扰，在同一组测量物体中进行对比，发现在环境光量2000lux的条件下，可以保证高精度的测量，其精度甚至可以高于500lux条件下相位移法的测量精度。

Description

一种高精度三维测量方法
技术领域
本发明涉及三维图像测量技术领域，具体的讲是一种高精度三维测量方法。
背景技术
三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统 经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”， 三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等，其测量方式有如下三种：
（1）利用三坐标测量机进行测量：将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，可以替代多种表面测量工具，减少复杂的测量任务所需的时间，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息；
（2）利用三维激光扫描仪进行测量：通过发射激光来扫描被测物，以获取被测物体表面的三维坐标。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，具有高效率、高精度的测量优势。被广泛应用于结构测量、建筑测量、船舶制造、铁路以及工程的建设等领域；
（3）利用拍照式三维扫描仪进行测量：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。除此以外，拍照式三维扫描仪里还有利用复数摄像机进行测量的方法,通过针对同一个被测量物体从不同角度拍摄到的图像中找到记录了同一个物体的辉度值的像素，从而计算出像素间的位置差(视差)测量物体距离。
根据以上测量方式中现在最常用的就是利用三维激光扫描仪进行扫描，但是三维激光扫描仪价格昂贵、机器体积大，在一般的家庭装修或是室内工作中不宜使用，使用拍照式三维扫描仪进行测量则会发生扫描不清楚，环境影响大的问题。
现在常用的拍照式三维扫描仪，大多数都是使用相位移法的三维测量时,这种测量方法精度高，但是受环境光干扰强、测量时间慢，Spatial fringe，测量时不宜受环境光干扰，但是测量精度低，时间慢，Random dot虽然提高了测量速度，但是容易受环境光干扰并且测量精度低，为此需要设计一种可以降低环境光干扰，同时具有高测量精度的新型测量方法是十分重要的。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种可以降低环境光干扰，同时具有高测量精度的新型测量方法。
为了达到上述目的，本发明设计了一种高精度三维测量方法，包括标定处理流程和图像测量流程，其特征在于：按照如下步骤进行测量：
步骤1：将投影仪、摄像机、标定板、数据处理装置放置平稳；
步骤2：确定测量与标定的范围Wz；
步骤3：进行标定处理流程；
步骤4：进行图像测量流程；
步骤5：得到最终测量结果；
所述标定处理分为图像采集流程和格雷码-距离转换系数V推算流程。
所述图像采集流程，分为以下步骤：
步骤1）：打开摄像机与投影仪，确定摄像机与标定板之间的初始投影距离W0；
步骤2）：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤3）：移动标定板，移动的距离为ΔWz，使摄像机与标定板之间的投影距离为Wn，n为标定板移动次数，然后重复步骤2）；
步骤4）：当Wn=Wz时，停止移动标定板，完成标定处理中的图像采集流程。
所述格雷码-距离转换系数V推算流程，分为以下步骤：
步骤（1）：数据处理装置读取Wn位置上的第N次移动格雷码产生的图像，并进行二值化处理；
步骤（2）：将二值化处理后的图像再在数据处理装置进行二进制计算，从而计算出每个像素的格雷码数值；
步骤（3）：当Wn=Wz时，进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V；当Wn≠Wz时，则重复上述步骤（1）和步骤（2），直到Wn=Wz时结束并进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V。
所述图像测量流程按照以下步骤进行测量：
步骤a：移除标定板，将被测物体平稳放置在测量范围Wz中；
步骤b：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤c：数据处理装置读取步骤b中记录的图像，并进行二值化处理，得到N组二值化处理图像；
步骤d：将N组二值化处理图像再在数据处理装置中进行二进制计算，从而计算出每次移动得到的图像中每个像素的格雷码数值，共计N组；
步骤e：格雷码-距离转换系数V推算流程所得到的格雷码-距离转换系数V，确定N组格雷码数值中每个格雷码数值对应的距离Z（i，j）；
步骤f：对步骤e得到的N组距离Z（i，j）进行均值化处理，得到最终的测量结果。
所述投影距离Wn=Wn-1+ΔWz，其中ΔWz=。
所述摄像机、投影机视野的宽高均要大于标定板的宽高；所述投影机的光源可以为红外线光源。
所述格雷码-距离转换系数V的计算如下：根据公式：推算出每个像素的格雷码-距离转换系数V。
所述距离。
所述；
。
所述格雷码可以为黑白格雷码或者是RGB3色格雷码；所述移动格雷码的移动方式可以为平移或是旋转，在同一件待测物体的标定及测量中，格雷码采用的移动方式均相同，且移动量也相同。
本发明与现有技术相比，在测量时将格雷码进行移动，得到更为精确的测量图样，然后经过一系列的特殊运算，得到最终待测物体的图样，避免了环境光的干扰，在同一组测量物体中进行对比，发现在环境光量2000lux的条件下，可以保证高精度的测量，其精度甚至可以高于500lux条件下相位移法的测量精度。
具体实施方式
本发明在现有技术的基础上突破性的设计了一种高精度三维测量方法，包括标定处理流程和图像测量流程，按照如下步骤进行测量：
步骤1：将投影仪、摄像机、标定板、数据处理装置放置平稳；
步骤2：确定测量与标定的范围Wz；
步骤3：进行标定处理流程；
步骤4：进行图像测量流程；
步骤5：得到最终测量结果；
本发明中标定处理分为图像采集流程和格雷码-距离转换系数V推算流程。
本发明中图像采集流程，分为以下步骤：
步骤1）：打开摄像机与投影仪，确定摄像机与标定板之间的初始投影距离W0；
步骤2）：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤3）：移动标定板，移动的距离为ΔWz，使摄像机与标定板之间的投影距离为Wn，n为标定板移动次数，然后重复步骤2）；
步骤4）：当Wn=Wz时，停止移动标定板，完成标定处理中的图像采集流程。
本发明中格雷码-距离转换系数V推算流程，分为以下步骤：
步骤（1）：数据处理装置读取Wn位置上的第N次移动格雷码产生的图像，并进行二值化处理；
步骤（2）：将二值化处理后的图像再在数据处理装置进行二进制计算，从而计算出每个像素的格雷码数值；
步骤（3）：当Wn=Wz时，进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V；当Wn≠Wz时，则重复上述步骤（1）和步骤（2），直到Wn=Wz时结束并进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V。
本发明中图像测量流程按照以下步骤进行测量：
步骤a：移除标定板，将被测物体平稳放置在测量范围Wz中；
步骤b：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤c：数据处理装置读取步骤b中记录的图像，并进行二值化处理，得到N组二值化处理图像；
步骤d：将N组二值化处理图像再在数据处理装置中进行二进制计算，从而计算出每次移动得到的图像中每个像素的格雷码数值，共计N组；
步骤e：格雷码-距离转换系数V推算流程所得到的格雷码-距离转换系数V，确定N组格雷码数值中每个格雷码数值对应的像素距离Z（i，j）；
步骤f：对步骤e得到的N组距离Z（i，j）进行均值化处理，得到最终的测量结果。
本发明中投影距离Wn=Wn-1+ΔWz，其中ΔWz=，其中Wz为测量与标定的范围，n为标定板的移动次数，ΔWz为每次标定板移动的距离。
本发明中摄像机、投影机视野的宽高均要大于标定板的宽高；本发明中投影机的光源可以为红外线光源。
本发明中格雷码-距离转换系数的计算如下：根据公式：推算出每个像素的格雷码-距离转换系数V，其中Va(i,j,k)是第k次移动时的图像横方向i，纵方向j的格雷码-距离推算用行列式a，Vb(i,j,k)是第k次移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码-距离推算用行列式b，V(i,j,k)是第k次移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码-距离转换系数行列。
本发明中距离，其中X（i，j，k）第k次移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码数值；Z（i，j）为横方向i，纵方向j的像素的距离值；V（i，j，k，l）第k次移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码-距离转换系数行列中第l个系数；N为格雷码总移动次数；M格雷码-距离转换系数行列中的系数总个数。
本发明中的Va（i，j，k）其计算公式如下：
，
其中x（i，j,l,k）为格雷码第k次移动,第l次标定板移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码数值，m为最小二乘法的近似维数，n为标定板移动次数。
本发明中的Vb(i,j,k)其计算公式如下：
，
其中x（i,j,l,k）为第k次移动格雷码,第l次标定板移动时的像素横方向i，纵方向j的格雷码数值，z（i,j,l,k）为第k次移动,第l次标定板移动时的像素横方向i，纵方向j的距离，m为最小二乘法的近似维数，n为标定板移动次数。
本发明中移动格雷码的移动方式可以为平移或是旋转。
本发明中投影仪的光源可以为红外线光源，离开了可视波长从而达到保护测量员视觉健康的效果，增加了对环境光的抵抗能力。
本发明中格雷码可以为黑白格雷码或者是RGB3色格雷码，把相邻的3组格雷码的颜色分别设为R,G,B3色，从而可以一次投影并拍摄3组格雷码图像，使得投影次数减少2/3。
本发明中平移的规则为：第n+1组的格雷码必须比第n组的格雷码多平移k毫米，其中平移量k由测量精度决定。
本发明中的格雷码-距离测量系数V的推算结果、测量范围、摄像机位置、投影仪位置均可以记录下来形成一个格雷码-距离测量系数V查表，在日后的测量中如果遇到测量范围、摄像机位置、投影仪位置均记录在表的时候，则无需再进行格雷码-距离转换系数V的推算，直接可以查表得出。
本发明中当测量的摄像机、投影仪位置均不改变，仅改变被测物体的时候，无需再进行上述标定处理流程，可以直接测量，因此可以节省很多测量时间，而且方便了测量的流程。
在具体实施中：
实施例1：
在测量系统前方设置宽和高等于摄像机视野范围的平面标定板，标定板表面颜色为白色；确定测量与标定的范围1到5米，并且将标定板的初始位置设为1米，移动间隔为0.1米，格雷码的移动方式为旋转，旋转次数为6次，每次旋转角度为2度；计算出格雷码-距离转换系数。
然后去除标定板，将测量系统设置在楼梯的前方，且楼梯和测量系统之间的距离在标定距离范围内；按照测量环境的光强，调节摄像机光圈和曝光时间，使拍摄图像中的最亮点辉度值小于CCD/CMOS的最大辉度值；然后进行测量，得到测量结果。
如果采用格雷码的移动方式旋转平移，则平移方向为格雷码的黑白排列方向，平移间隔在图像上可以为1个像素，而平移次数至少要在3次以上。
如果采用RGB3色格雷码的测量，则必须使用彩色摄像机并且将RGB3色格雷码分配在投影仪的RGB的3个通道上，从而拍摄到的RGB分别为N组，N+1组，N+2组旋转格雷码的投影结果。
本发明与现有技术相比，在测量时将格雷码进行移动，得到更为精确的测量图样，然后经过一系列的特殊运算，得到最终待测物体的图样，避免了环境光的干扰，在同一组测量物体中进行对比，发现在环境光量2000lux的条件下，可以保证高精度的测量，其精度甚至可以高于500lux条件下相位移法的测量精度。

Claims (10)

1.一种高精度三维测量方法，包括标定处理流程和图像测量流程，其特征在于：按照如下步骤进行测量：
步骤1：将投影仪、摄像机、标定板、数据处理装置放置平稳；
步骤2：确定所需的测量范围Wz；
步骤3：进行标定处理流程；
步骤4：进行图像测量流程；
步骤5：得到最终测量结果；
所述标定处理流程分为图像采集流程和格雷码-距离转换系数V推算流程。
2.根据权利要求1所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于所述图像采集流程，分为以下步骤：
步骤1）：打开摄像机与投影仪，确定摄像机与标定板之间的初始投影距离W0；
步骤2）：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤3）：移动标定板，移动的距离为ΔWz，使摄像机与标定板之间的投影距离为Wn，n为标定板移动次数，然后重复步骤2）；
步骤4）：当Wn=Wz时，停止移动标定板，完成标定处理中的图像采集流程。
3.根据权利要求1所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于所述格雷码-距离转换系数V推算流程，分为以下步骤：
步骤（1）：数据处理装置读取Wn位置上的第N次移动格雷码产生的图像，并进行二值化处理；
步骤（2）：将二值化处理后的图像再在数据处理装置进行二进制计算，从而计算出每个像素的格雷码数值；
步骤（3）：当Wn=Wz时，进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V；当Wn≠Wz时，则重复上述步骤（1）和步骤（2），直到Wn=Wz时结束并进入格雷码-距离转换系数V的计算，得到格雷码距离转换系数V。
4.根据权利要求1所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于所述图像测量流程按照以下步骤进行测量：
步骤a：移除标定板，将被测物体平稳放置在测量范围Wz中；
步骤b：进行投影摄像，在投影过程中对格雷码进行N次移动，并且记录每次移动产生的图像；
步骤c：数据处理装置读取步骤b中记录的图像，并进行二值化处理，得到N组二值化处理图像；
步骤d：将N组二值化处理图像再在数据处理装置中进行二进制计算，从而计算出每次移动得到的图像中每个像素的格雷码数值，共计N组；
步骤e：格雷码-距离转换系数V推算流程所得到的格雷码-距离转换系数V，确定N组格雷码数值中每个格雷码数值对应的距离Z（i，j）；
步骤f：对步骤e得到的N组距离Z（i，j）进行均值化处理，得到最终的测量结果。
5.根据权利要求2所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述投影距离Wn=Wn-1+ΔWz，其中ΔWz=。
6.根据权利要求1所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述摄像机、投影机视野的宽高均要大于标定板的宽高；所述投影机的光源可以为红外线光源。
7.根据权利要求3所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述格雷码-距离转换系数V的计算如下：根据公式：推算出每个像素的格雷码-距离转换系数V。
8.根据权利要求4所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述距离。
9.根据权利要求7所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述；。
10.根据权利要求2所述的一种高精度三维测量方法，其特征在于：所述格雷码可以为黑白格雷码或者是RGB3色格雷码；所述移动格雷码的移动方式可以为平移或是旋转，在同一件待测物体的标定及测量中，格雷码采用的移动方式均相同，且移动量也相同。
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