CN106840026A - 一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法。其系统包括：一台包括两台工业相机和一台红外投线仪的三维扫描仪、两条平行导轨、移动架、移动控制器和一台GPU服务器。所述的工业相机、红外投线仪、移动控制器分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器；其移动控制器控制移动架沿两条平行导轨匀速运动。本发明利用三维扫描仪测量物体的局部数据，根据移动控制器计算三维扫描仪的移动距离，从而计算扫描仪的姿态；拼接局部测量数据，得到完整的三维数据。本发明提供了一种不接触物体表面，能自动、及时、方便、精确地测量大型物体三维形状的技术。

Description

一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法

技术领域

本发明属于大型物体三维测量技术领域，具体涉及一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法。

技术背景

采用三维扫描仪实现大型物体的三维形状测量，是目前工业生产中常用的三维形状获取技术。但是，在测量大型物体时，由于无法采用三维扫描仪一次性测量整个物体，需要利用三维扫描仪多次测量该物体的局部区域，然后将局部测量结果拼接起来。现有技术中，目前的拼接技术往往采用在被测物体上贴标记的方式，该方式测量时间较长，使用不方便，而且拼接方法不稳定。另外，三维扫描仪常采用投影仪向物体投射特定纹理，然而在复杂的工业生产环境中，测量精度经常会受到复杂的外部环境的影响，尤其会受到自然光照、照相角度和曝光时间等外界因素的影响，系统鲁棒性差，导致测量结果不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法，测量简便易行，拼接方法稳定性高，能够在测量中减少外界影响，系统鲁棒性强，提高了测量准确度。

为解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种基于红外投线仪的三维测量系统，包括：

一台三维扫描仪、两条平行导轨、移动架、移动控制器和一台GPU服务器；

所述的两条平行导轨的两端分别采用一个连接杆进行连接；

所述的移动架包括：一个平行于所述的两条平行导轨所构成平面的移动架悬杆、可沿所述的两条平行导轨移动的两个移动架支脚；

在所述的两个移动架支脚底部，分别安装有一个所述的移动控制器；

所述的三维扫描仪包括间隔设置于所述的移动架悬杆上的两台工业相机和一台红外投线仪；

所述的工业相机、红外投线仪、移动控制器分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器；

所述的移动控制器用于控制所述的移动架沿所述的两条平行导轨匀速运动，并计算所述的移动架的移动距离。

进一步的，所述的两条平行导轨的长度相等，所述的两条连接杆长度相等；在所述的平行导轨和连接杆之间采用连接件相连。

进一步的，所述的红外投线仪可投射高达850mn红外光线，经由千兆网与所述的GPU服务器行通讯。

进一步的，所述的工业相机的分辨率至少不低于500万像素，其帧率至少不低于25fps；所述的工业相机的镜头上安装有850nm的红外滤光镜。

本发明的一种基于红外投线仪的三维测量方法，包括以下步骤：

a.安装平行导轨：两个长度相等的连接杆分别通过连接件将长度相等的两条平行导轨的首首、尾尾相连；所述的两个平行导轨连接杆与两条平行导轨垂直，并构成一个平面，以确保两条导轨平行；

b.安装移动架、三维扫描仪：将三维扫描仪的两个工业相机、一个红外投线仪安装在移动架移动架悬杆上；在移动架两侧的移动架支脚底部分别安装一个移动控制器；移动控制器控制移动架沿平行导轨匀速运动，并计算移动架移动的距离；

c.移动三维扫描仪，红外投线仪向被测物体投射一条红外线，同时三维扫描仪的两台工业相机对物体拍照，拍摄时缩小相机光圈，增强图像中所拍摄的线条的亮度；

d.将所拍图像传至服务器，服务器利用图像校正算法校正拍摄的立体图像；

e.服务器精确检测和匹配立体图像中的投影线，获取并计算所测量物体上所投红外线的三维数据；

f.根据三维扫描仪的移动距离，计算三维扫描仪的姿态，然后拼接三维投影线；假设运动距离向量为T，运动方向为R，T和R均可以利用张正友标定法计算；则可以利用公式(3)，将一条线的点集X拼接到全局坐标系：

X_g＝X·(RT) (3)

g.移动三维扫描仪，测量下一条投影线三维数据，重复所述步骤c-g，直到整个物体测量结束。

进一步的，所述步骤e的具体方法如下：

①.对于每条扫描线，在投影线和水平扫描线之间存在一个交点；使用一维DOG(Difference of Gaussian)算法平滑校正立体图像中的每条水平扫描线，从而获得一条光滑的扫描线，使交点从梯形变成了抛物线型；DOG算法公式为：

其中，σ₁设置为投影线的宽度，σ₂设置为投影线宽度的一半，高斯均值μ设置为1.6，exp表示指数函数；

②.针对每一对平滑校正过的水平扫描线，检测具有最大灰度值的峰值点，作为投影线的中心的初始值；

③.使用初始值周围的相邻像素拟合抛物线，将拟合的抛物线的极值作为投射线的中心的精确值；假设利用n个邻居点拟合抛物线，x_i表示第i个邻居点的水平坐标，y_i表示其对应的像素灰度值，则可以通过优化公式(2)，利用最小二乘法，拟合抛物线，其中b₀、b₁、b₂是抛物线参数；

④.针对所有扫描线，重复所述步骤①-③，测量出投影线上的每个点，假设一条投影线的三维点集为X。

与现有技术相比，本发明含有以下优点和有益效果：

1.现有技术往往采用标志点的方式拼接测量数据，例如在被测场景中放置特殊标记，或者利用投影仪向被测物体投射标记纹理，通过检测定位这些标记实现数据拼接。然而这类方法中，对标记的检测和定位往往不够稳定，会导致严重的拼接误差，造成系统无法稳定工作。本发明采用一种利用导轨的拼接技术，相比于其他方法，该拼接方法更加稳定。

2.本发明采用红外投线仪构建三维投影仪，增加了系统的鲁棒性和精确度，为船舶外板制造、飞机外板制造、大型海洋工程装备制造中的三维测量提供一种有效的手段。可用于在上述工业制造过程中，精确地获取大型工件的三维数据，为工件加工自动化提供技术支撑。本发明采用红外投线仪，而现有技术往往采用普通投影仪，相比之下，具有以下几个优点：

(1)相对于可见光，使用红外光，可以减少环境光影响，并且对人眼无害。

(2)红外投线仪每次仅仅在物体上投射一条红外线，因此每次仅测量一条线。此时，在图像中匹配线条更加容易，因此有利于提高系统鲁棒性。

(3)对于高亮度反光物体，使用投影仪时通常会反射光线进相机，会导致扫描仪不能准确理解捕获的图像；然而投线仪不会导致大面积的反射，因此有利于提高准确性。

附图说明

图1是本发明基于红外投线仪的三维测量系统的一种实施例的系统结构示意图。其中，10三维扫描仪，11工业相机，12红外投线仪，30平行导轨，31连接杆，32连接件，70移动架，5移动控制器，6是GPU服务器，71移动架悬杆，72移动架支脚。

图2是本发明基于红外投线仪的三维测量方法的一种实施例的方法流程图。

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)是本发明的一种实施例的检测和匹配立体图像中投影线的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明基于红外投线仪的三维测量系统的一种实施例的系统结构示意图。如图1所示，本实施例系统包括：

一台三维扫描仪10、两条平行导轨30、移动架70、移动控制器5和一台GPU服务器6。其中，两条平行导轨30的两端分别采用一个连接杆31进行连接。

所述的移动架70包括：一个平行于所述的两条平行导轨30所构成平面的移动架悬杆71、可沿所述的两条平行导轨30移动的两个移动架支脚72。

在所述的两个移动架支脚72底部，分别安装有一个上述的移动控制器5。

所述的三维扫描仪10包括间隔设置于所述的移动架悬杆71上的两台工业相机11和一台红外投线仪12。

所述的工业相机11、红外投线仪12、移动控制器5分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器6。

所述的移动控制器5用于控制所述的移动架70沿所述的两条平行导轨30匀速运动，并计算所述的移动架70的移动距离。

上述的两条平行导轨30的长度相等，所述的两条连接杆31长度相等；在所述的平行导轨30和连接杆31之间采用连接件32相连。

所述的红外投线仪可投射高达850mn红外光线，经由千兆网与所述的GPU服务器6进行通讯。

所述的工业相机11的分辨率至少不低于500万像素，其帧率至少不低于25fps；所述的工业相机11的镜头上安装有850nm的红外滤光镜。

图2是本发明基于红外投线仪的三维测量方法的一种实施例的方法流程图。如图2所示的本发明实施例的一种基于红外投线仪的三维测量方法，包括以下步骤：

a.安装平行导轨30：两个长度相等的连接杆31分别通过连接件32将长度相等的两条平行导轨30的首首、尾尾相连；所述的两个平行导轨连接杆31与两条平行导轨30垂直，并构成一个平面，以确保两条导轨30平行；

b.安装移动架70、三维扫描仪10：将三维扫描仪10的两个工业相机11、一个红外投线仪12安装在移动架70移动架悬杆71上。如图1所示，在移动架70两侧的移动架支脚72底部分别安装一个移动控制器5；移动控制器5控制移动架70沿平行导轨30匀速运动，并计算移动架70移动的距离；

c.移动三维扫描仪10，红外投线仪12向被测物体投射一条红外线。图3是本发明的一种实施例的检测和匹配立体图像中投影线的过程示意图。如图3(a)所示，同时三维扫描仪的两台工业相机对物体拍照，拍摄时缩小相机光圈，增强图像中所拍摄的线条的亮度；

d.将所拍图像传至服务器，服务器利用图像校正算法校正拍摄的立体图像，校正之后的立体图像如图3(b)所示；

e.服务器精确检测和匹配立体图像中的投影线，获取并计算所测量物体上所投红外线的三维数据，其具体过程如下：

①.对于每条扫描线，在投影线和水平扫描线之间存在一个交点，如图3(b)所示。3(c)显示了一条水平扫描线，其中的梯形表示投影线和水平扫描线的交点。使用一维DOG(Different of Gaussian)算法平滑校正立体图像中的每条水平扫描线，从而获得一条光滑的扫描线，使交点从梯形变成了抛物线型，如图3(d)所示，DOG算法公式为：

其中，σ₁设置为投影线的宽度，σ₂设置为投影线宽度的一半，高斯均值μ设置为1.6，exp表示指数函数；

②.针对每一对平滑校正过的水平扫描线，检测具有最大灰度值的峰值点，作为投影线的中心的初始值；

③.使用初始值周围的相邻像素拟合抛物线，将拟合的抛物线的极值作为投射线的中心的精确值；如图3(e)所示。假设利用n个邻居点拟合抛物线，x_i表示第i个邻居点的水平坐标，y_i表示其对应的像素灰度值，则可以通过优化公式(2)，利用最小二乘法，拟合抛物线，其中b₀、b₁、b₂是抛物线参数；

④.针对所有扫描线，重复所述步骤①-③，测量出投影线上的每个点，其中，假设一条投影线的三维点集为X。

f.根据三维扫描仪的移动距离，计算三维扫描仪的姿态，然后拼接三维投影线。假设运动距离向量为T，运动方向为R，T和R均可以利用张正友标定法计算。则可以利用公式(3)，将一条线的点集X拼接到全局坐标系:

X_g＝X·(RT) (3)

g.移动三维扫描仪，测量下一条投影线三维数据，重复所述步骤c-g，直到整个物体测量结束。

综上所述，本发明提供了一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法。其系统包括：一台包括两台工业相机和一台红外投线仪的三维扫描仪、两条平行导轨、移动架、移动控制器和一台GPU服务器。其中，工业相机、红外投线仪、移动控制器分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器；其移动控制器控制移动架沿两条平行导轨匀速运动，并计算移动架的移动距离。本发明利用三维扫描仪测量物体的局部数据；根据移动控制器计算三维扫描仪的移动距离，从而计算扫描仪的姿态；拼接局部测量数据，得到完整的三维数据。从而，不接触物体表面，即可自动、及时、方便、精确地测量大型物体的三维形状。该技术适用于工业生产中需要测量大型工件的场合，例如测量大型船舶外板、船舶曲面分段、飞机外壳等，具备广阔的市场前景。

Claims (6)

1.一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，包括：

一台三维扫描仪(10)、两条平行导轨(30)、移动架(70)、移动控制器(5)和一台GPU服务器(6)；

所述的两条平行导轨(30)的两端分别采用一个连接杆(31)进行连接；

所述的移动架(70)包括：一个平行于所述的两条平行导轨(30)所构成平面的移动架悬杆(71)、可沿所述的两条平行导轨(30)移动的两个移动架支脚(72)；

在所述的两个移动架支脚(72)底部，分别安装有一个所述的移动控制器(5)；

所述的三维扫描仪(10)包括间隔设置于所述的移动架悬杆(71)上的两台工业相机(11)和一台红外投线仪(12)；

所述的工业相机(11)、红外投线仪(12)、移动控制器(5)分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器(6)；

所述的移动控制器(5)用于控制所述的移动架(70)沿所述的两条平行导轨(30)匀速运动，并计算所述的移动架(70)的移动距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的两条平行导轨(30)的长度相等，所述的两条连接杆(31)长度相等；在所述的平行导轨(30)和连接杆(31)之间采用连接件(32)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的红外投线仪可投射高达850mn红外光线，经由千兆网与所述的GPU服务器(6)进行通讯。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的工业相机(11)的分辨率至少不低于500万像素，其帧率至少不低于25fps；所述的工业相机(11)的镜头上安装有850nm的红外滤光镜。

5.一种采用如权利要求1至4任一项所述系统所实现的基于红外投线仪的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.安装平行导轨(30)：两个长度相等的连接杆(31)分别通过连接件(32)将长度相等的两条平行导轨(30)的首首、尾尾相连；所述的两个平行导轨连接杆(31)与两条平行导轨(30)垂直，并构成一个平面，以确保两条导轨(30)平行；

b.安装移动架(70)、三维扫描仪(10)：将三维扫描仪(10)的两个工业相机(11)、一个红外投线仪(12)安装在移动架(70)移动架悬杆(71)上；在移动架(70)两侧的移动架支脚(72)底部分别安装一个移动控制器(5)；移动控制器(5)控制移动架(70)沿平行导轨(30)匀速运动，并计算移动架(70)移动的距离；

c.移动三维扫描仪(10)，红外投线仪(12)向被测物体投射一条红外线，同时三维扫描仪的两台工业相机对物体拍照，拍摄时缩小相机光圈，增强图像中所拍摄的线条的亮度；

d.将所拍图像传至服务器，服务器利用图像校正算法校正拍摄的立体图像；

e.服务器精确检测和匹配立体图像中的投影线，获取并计算所测量物体上所投红外线的三维数据；

f.根据三维扫描仪的移动距离，计算三维扫描仪的姿态，然后拼接三维投影线；假设运动距离向量为T，运动方向为R，T和R均可以利用张正友标定法计算；则可以利用公式(3)，将一条线的点集X拼接到全局坐标系：

X_g＝X·(RT) (3)

此处X_g表示点集X的全局坐标；

g.移动三维扫描仪，测量下一条投影线三维数据，重复所述步骤c-g，直到整个物体测量结束。

6.根据权利要求5所述的一种基于红外投线仪的三维测量方法，其特征在于，所述步骤e的具体方法如下：

①.对于每条扫描线，在投影线和水平扫描线之间存在一个交点；使用一维DOG(Difference of Gaussian)算法平滑校正立体图像中的每条水平扫描线，从而获得一条光滑的扫描线，使交点从梯形变成了抛物线型；DOG算法公式为：

$f(x;\mathrm{\μ};{\mathrm{\σ}}_1;{\mathrm{\σ}}_2)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\left(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1}\exp \right(-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_1^2})-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_2}\exp (-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_2^2}\left)\right)---\left(1\right)$

其中，σ₁设置为投影线的宽度，σ₂设置为投影线宽度的一半,高斯均值μ设置为1.6，exp表示指数函数；

②.针对每一对平滑校正过的水平扫描线，检测具有最大灰度值的峰值点，作为投影线的中心的初始值；

③.使用初始值周围的相邻像素拟合抛物线，将拟合的抛物线的极值作为投射线的中心的精确值；假设利用n个邻居点拟合抛物线，x_i表示第i个邻居点的水平坐标，y_i表示其对应的像素灰度值，则可以通过优化公式(2)，利用最小二乘法，拟合抛物线，其中b₀、b₁、b₂是抛物线参数；

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}|y_i-(b_0+b_1{x}_i+b_2{x}_i^2){|}^2---\left(2\right)$

④.针对所有扫描线，重复所述步骤①-③，测量出投影线上的每个点，假设一条投影线的三维点集为X。