CN110686598B

CN110686598B - 一种双线阵结构光三维测量系统及其测量方法

Info

Publication number: CN110686598B
Application number: CN201911042096.7A
Authority: CN
Inventors: 李晨; 张旭; 赵欢; 丁汉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN110686598A

Abstract

本发明属于机器人视觉三维测量技术领域，并公开了一种双线阵结构光三维测量系统及其测量方法。该方法包括下列步骤：(a)激光在待测对象表面形成一条亮度不一的直线；(b)两个线阵相机拍摄步待测对象的直线，以此获得两个直线图像，确定直线上点P在两个直线图像上对应的点P1和P2的图像坐标；(c)将点P1和P2分别与各自对应的线阵相机的光心相连形成两条相交直线，计算交点坐标获得P点的坐标；(d)重复步骤(c)直至获得直线上所有点的坐标，改变待测对象的位置，以此改变直线在待测对象表面的位置，返回步骤(a)直至获得待测对象表面所有点的三维坐标。通过本发明，准确测量被测对象的三维坐标，不受被测对象表面质量影响。

Description

一种双线阵结构光三维测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于机器人视觉三维测量技术领域，更具体地，涉及一种双线阵结构光三维测量系统及其测量方法。

背景技术

近年来随着工业技术的发展，对真实世界三维结构的测量需求也越来越广泛。其中在结构光方面主要发展出了点结构光技术，线结构光技术及面结构光技术。线结构光传感器主要通过面阵相机和线激光器构成，通过标定确定线激光平面在相机坐标系下的位姿关系，从而通过三角法实现三维测量。但是由于面阵相机拍摄速度受到限制，这导致线结构光传感器在高速运动的物体表面的三维测量受到限制。

线阵相机拍摄图像的速度较高，适用于高速运动物体表面的图像获取。但是如果只采用两个线阵相机获取被测对象的图像，通过立体匹配来获取三维信息，测量精度受到匹配精度的限制。且被测表面缺少纹理或特征时，一般不能有效匹配。为被测对象添加辅助结构光纹理，使线阵相机获取的图像具有结构特征从而不受被测对象表面的影响。由于线阵相机获取的是被测对象某行的图像，因此添加辅助特征时可采用编码线激光。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双线阵结构光三维测量系统及其测量方法，其通过在被测对象表面形成亮度不一的直线，通过计算直线上每点的三维坐标，获得直线，通过变化被测对象上直线的位置，获得被测对象不同位置处各点的坐标，实现从点到线到面的测量过程，最终实现被测对象的三维测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双线阵结构光三维测量系统，该系统包括两个线阵相机、激光器和滤光片，其中，

两个所述线阵相机并排设置，所述激光器设置在两个所述线阵相机之间，所述滤光片设置在所述激光器前方，待测对象设置在所述滤光片的前方，所述滤光片上设置有一行孔径大小不一的孔洞，所述激光器发出激光后透过所述滤光片上的孔洞在所述待测对象表面形成一条亮度不一的直线。

进一步优选地，所述系统还包括二维靶标，该二维靶标用于标定两个所述线阵相机的位置关系，标定时设置在所述线阵相机的前方。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的双线阵结构光三维测量系统的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将所述待测对象放置在两个滤光片的前方，激光器发射激光通过所述滤光片照射在所述待测对象表面，并在待测对象表面形成一条亮度不一的直线；

(b)两个所述线阵相机拍摄步骤(a)中所述待测对象表面亮度不一的直线，以此在两个所述线阵相机中分别获得所述直线图像，确定所述直线上点P在两个所述直线图像上对应的点P1和P2的图像坐标；

(c)将点P1和P2分别与各自对应的线阵相机的光心相连形成两条相交直线，计算该两条相交直线的交点，该交点的坐标为所述P点的坐标；

(d)重复步骤(c)直至获得所述直线上所有点的坐标，改变所述待测对象的位置，以此改变所述直线在所述待测对象表面的位置，返回步骤(a)直至获得待测对象表面所有点的三维坐标。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述确定直线上点P在两个所述直线图像上对应的点P1和P2的图像坐标，按照下列步骤进行：

在点P1所在的直线图像上，获取点P1所在区域的亮度，将点P1所在区域的亮度与点P2所在直线图像上各处的亮度进行比较计算方差，方差在可接受阈值内处对应的点即为P2。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述计算该两条相交直线的交点时，需将所述点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系中。

进一步优选地，将所述点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系中，优选按照下列步骤进行：

(c1)将所述二维靶标放置在两个线阵相机的前方，两个所述线阵相机分别拍摄所述二维靶标，以此获得所述二维靶标在两个不同线阵相机中的像素坐标，根据二维靶标在不同线阵相机中像素计算获得两个相机的位姿关系；

(c2)利用所述两个相机的位姿关系将点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系。

进一步优选地，在步骤(c)中，P点的Z方向上的坐标设定为0。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本申请通过在被测对象表面形成亮度不一的直线，由于各处的亮度不一，根据每点的亮度可识别在两个线阵相机中获得的直线图像上的各点，进而实现直线图像上不同点的识别与对应；

2、本发明通过构建双线阵结构光三维测量方法，通过在被测对象表面形成亮度不一的直线，计算直线上每个点的三维坐标，然后通过改变直线在被测对象的位置，以此获得被测对象表面不同位置处点的坐标，以此实现从点到线再到面的过程，进而实现被测对象三维点云信息的获取，其测量速度高，不受被测对象表面影响，测量精度高；

3、本发明通过两个线阵相机和编码线激光构建双线阵结构光三维测量方法能极大的提高线扫描的扫描速度，且结构上，激光与两个线阵相机放置在一条线上，相比传统线结构光系统具有体积小、结构紧凑的优点，总的来说，本发明所构建的双线阵结构光三维测量方法测量速度更高，结构更紧凑。

附图说明

图1是按照本发发明的优选实施例所构建的双线阵结构光三维测量系统的结构示意图；

图2是按照本发发明的优选实施例所构建的测量方法的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-线阵相机A，2-线阵相机B，3-激光器，4-滤光片，5-被测对象

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种双线阵结构光三维测量系统，通过线阵相机A、线阵相机B、线激光器3、滤光片4对待测量物体表面5进行测量，确定被测表面在线阵相机A坐标系下的三维点坐标信息；激光通过线激光器3和滤光片4来实现；滤光片4通过在滤光片上光刻出直径大小不一的孔洞来达到伪随机编码的效果，使不同区域的编码值在整个编码长度上是唯一的。

如图2所示，一种双线阵结构光三维测量系统的测量方法，通过线阵相机A、线阵相机B、线激光器3和滤光片4构建的编码线激光来构建双目线结构光系统，获得被测对象的三维点云信息包括如下步骤：

S1立体标定线阵相机A和线阵相机B之间的位姿关系，具体地包括如下步骤；

(1)两个线阵相机拍摄二维靶标图案，并建立相机像素坐标系{c₁}、{c₂}和二维靶标世界坐标系{w}点对关系；

(1)两个线阵相机拍摄二维靶标图案，相机成像的点的坐标(u，v)与二维靶标三维坐标(x,y,z)的对应关系，以此建立相机像素坐标系{c₁}、{c₂}和二维靶标世界坐标系{w}点对关系；二维靶标世界坐标系是以二维靶标为原点建立的空间三维坐标系；

(2)改变二维靶标的位姿，并重复步骤(1)

(3)根据步骤(1)中获得的像素坐标和二维靶标世界坐标系点对关系计算单应矩阵，并通过svd分解确定两个线阵相机内参数K₁、K₂，内参数包括焦距和主点，以此确定了两个线阵相机和二维靶标的位姿关系R₁T₁、R₂T₂；

H_i＝K_i[R_i T_i]

[¹h_i ²h_i]＝[¹H_i ²H_i]

其中，i＝1,2，K₁为线阵相机1内参数，K₂为线阵相机2内参数，R_iT_i为线阵相机相对于二维靶标的位姿关系，H_i为单应矩阵，其中¹H_i和²H_i为单应矩阵H_i前两维分量。

(4)步骤(3)通过刚体变换确定两个线阵相机的位姿关系RT。

[R T]＝[R₁ T₁]^-1[R₂ T₂]

其中，R₁T₁为线阵相机1和二维靶标的位姿关系，R₂T₂为线阵相机2和二维靶标的位姿关系，RT为线阵相机1和线阵相机2的位姿关系。

S2线阵相机A和线阵相机B获取被测对象物体5反射的由线激光器3和滤光片4投射的编码线激光图像，即在被测对象表面形成的亮度不一的直线；

S3匹配计算线阵相机A和线阵相机B图像上对应同一物点的对应像素点；

由于两个线阵相机共面放置，因此可通过一维搜索确定对应像素点：首先给定线阵相机A图像上的一点，并选取该点邻域内的一个子窗口；该子窗口的大小预先设定，然后在线阵相机B图像上选取备选匹配点，并在该备选匹配点邻域内选取与线阵相机A一致的子窗口，计算相机1和相机2子窗口的亮度的方差，方差最小值确定最佳匹配点。

S4根据三角法计算被测对象物体5点的三维坐标信息，直至获得直线上所有点的坐标；

根据S1确定的两个线阵相机内参数及位姿关系和S3确定的对应像素点p₁和p₂确定被测对象点(x,y)的三维信息。

其中，K₁为线阵相机1内参数，K₂为线阵相机2内参数，R和T为线阵相机1和线阵相机2的位姿关系中旋转矩阵和平移矩阵，k₁和k₂为两个线性方程组系数，P1，P2分别为线阵相机1像素点和线阵相机2像素点，¹T，²T分别为线阵相机1和线阵相机2的旋转矩阵中x方向和y方向分量。

通过求解上述线性方程组即可确定被测对象点的三维坐标信息，其中z方向的坐标值为0。

S5沿线激光平面法线方向移动双目线结构光测量系统或被测对象重复上述步骤直到获取被测对象的完整三维信息。

本领域的技术人员容易理解，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

1.一种双线阵结构光三维测量系统的测量方法，其特征在于，

所述双线阵结构光三维测量系统包括两个线阵相机、激光器和滤光片，其中，

两个所述线阵相机并排设置，所述激光器设置在两个所述线阵相机之间，所述滤光片设置在所述激光器前方，待测对象设置在所述滤光片的前方，所述滤光片上设置有一行孔径大小不一的孔洞，所述激光器发出激光后透过所述滤光片上的孔洞在所述待测对象表面形成一条亮度不一的直线；

所述系统还包括二维靶标，该二维靶标用于标定两个所述线阵相机的位置关系，标定时设置在所述线阵相机的前方；

所述测量方法包括下列步骤：

（a）将所述待测对象放置在两个滤光片的前方，激光器发射激光通过所述滤光片照射在所述待测对象表面，并在待测对象表面形成一条亮度不一的直线；

（b）两个所述线阵相机拍摄步骤（a）中所述待测对象表面亮度不一的直线，以此在两个所述线阵相机中分别获得所述直线图像，确定所述直线上点P在两个所述直线图像上对应的点P1和P2的图像坐标；

（c）将点P1和P2分别与各自对应的线阵相机的光心相连形成两条相交直线，计算该两条相交直线的交点，该交点的坐标为所述P点的坐标；

（d）重复步骤（c）直至获得所述直线上所有点的坐标，改变所述待测对象的位置，以此改变所述直线在所述待测对象表面的位置，返回步骤（a）直至获得待测对象表面所有点的三维坐标，以此实现待测对象的三维测量。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述确定直线上点P在两个所述直线图像上对应的点P1和P2的图像坐标，按照下列步骤进行：

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在步骤（c）中，所述计算该两条相交直线的交点时，需将所述点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系中。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，将所述点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系中，按照下列步骤进行：

（c1）将所述二维靶标放置在两个线阵相机的前方，两个所述线阵相机分别拍摄所述二维靶标，以此获得所述二维靶标在两个不同线阵相机中的像素坐标，根据二维靶标在不同线阵相机中像素计算获得两个线阵相机的位姿关系；

（c2）利用所述两个线阵相机的位姿关系将点P1和P2的图像坐标转化到同一个坐标系。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在步骤（c）中，P点的Z方向上的坐标设定为0。