CN110793464B - 大视场条纹投影视觉三维测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学三维检测技术，为设计一种大视场分布式条纹投影视觉三维测量系统，扩展条纹投影视觉测量系统的测量范围，实现多相机同步分布式采集，快速获取物体全局三维点云数据。本发明，大视场条纹投影视觉三维测量系统和方法，包括激光投影仪、4个互补金属氧化物半导体CMOS工业相机、计算机和靶标，激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，亮度大于3000lm，投影比小于1，所投射条纹能够覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步。本发明主要应用于三维检测场合。
Description
技术领域
本发明涉及光学三维检测技术，提出了一种新型的大视场分布式条纹投影三维测量系统，一种新型平面靶标，并应用这种靶标提出了一种新型系统全局标定方法。
背景技术
条纹投影三维测量技术利用投影仪向被测物体投射条纹，物体表面形貌会使条纹进行调制，再由相机采集被调制的条纹，最后反算出物体表面三维点云。条纹投影测量系统的测量精度主要取决于其标定精度，目前主流的系统标定方法有基于矩阵变换的摄影测量法和多项式拟合法。摄影测量法应用通过建立相机和投影仪的像素对应和坐标变换关系完成系统标定。多项式拟合法通过建立待测物点的三维坐标与改点在图像坐标系中的二维坐标及其对应编码值的多项式映射关系完成系统标定，这两种方法因其使用方便，成本低，效率高，在视觉测量领域有着广泛的应用。
传统的条纹投影三维测量系统由单投影仪和单相机组成，受相机视场和分辨率限制，在保证测量精度的前提下，测量范围有限，一般不大于500mm*500mm，大视场测量通常需要1m*1m以上的测量范围，因此单投影仪单相机系统不足以完成大视场的高精度测量，因此常常增加相机数量扩大视场，多相机测量时，应用传统的棋盘格或圆形靶标，在每个相机视场内分别进行局部标定，以完成各自坐标系下的相对测量，但标定过程复杂，耗时较长，同时缺少全局坐标系，测量数据不具有统一性，不能对整个被测对象实现一致性描述。
为了实现系统全局标定，常常借助辅助设备，例如通过双经纬仪建立全局世界坐标系，测量特征物点的三维坐标，与视觉测量的图像像点点一一对应，即可完成系统全局标定。除此之外还常常运用精密平移台等设备，此方法可以获得很高的全局标定精度，但成本较高。基于矩阵变换的摄影测量法可以将投影仪看作逆向相机或伪相机，通过建立相机和投影仪的映射关系，完成系统的全局标定，但这种方法依赖于相机的标定参数，会给系统全局标定引入误差。多项式拟合法不依赖于相机的小孔成像模型，可以有效避免相机参数标定误差扩散，如果能够改进多项式拟合法使之可以完成系统全局标定，测量系统将具有良好的精度。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在设计一种大视场分布式条纹投影视觉三维测量系统，扩展条纹投影视觉测量系统的测量范围，应用新型平面靶标，各视场同步完成全局标定，并根据靶标的特征设计一种系统全局标定方法，实现多相机同步分布式采集，快速获取物体全局三维点云数据。解决传统条纹投影系统无法获取全局三维点云数据，大视场测量中标定复杂，效率较低，精度较差，不满足大视场快速精密视觉三维测量的需求等问题。为此，本发明采取的技术方案是，大视场条纹投影视觉三维测量系统，包括激光投影仪、4个互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工业相机、计算机和靶标，激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，亮度大于3000lm，投影比小于1，所投射条纹能够覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步；
靶标为平面圆形靶标，大小不小于相机有效测量范围；靶标具有4个方向性大圆标识，方向相同，均匀分布于整个靶标，其分布保证标定过程中每个相机视野内有且仅有一个方向性大圆标识，每个标识用于建立各相机局部世界坐标系。
靶标圆形的尺寸和圆心距加工误差不大于0.2mm，靶标平面度不大于1mm。
大视场条纹投影视觉三维测量方法，借助于激光投影仪、4个CMOS工业相机、计算机和靶标实现，具体步骤如下：
将新型平面靶标放在视场有效区域，保证所有大圆标识处于投影仪投射范围内，各个相机视场中有且仅有一个大圆标识；
投影仪投射白色背景图，各相机分别采集靶标图像，提取靶标上的特征点，识别各自方向性大圆标识，建立局部世界坐标系；然后投影仪投射纵横两个方向多频相移条纹，通过相位展开获取特征点纵横两个方向的全局绝对相位；
将新型平面靶标放置在一个不同的位置上，保证其仍然满足步骤1的要求，重复步骤2直到采集到至少2组图像，将特征点图像坐标及其相位值与局部世界坐标代入多项式拟合模型，完成局部系统参数标定；
步骤4：由于各点的全局相位值在整个视场中具有唯一性，比较各个相机局部世界坐标系原点的纵横全局相位值，得出4个相机在视场中所处的位置，再根据新型平面靶标的方向性标识的设计距离，得出局部世界坐标系到全局世界坐标系的转换关系，方向性标识之间沿x轴和y轴的实际距离分别为tx和ty，横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递增，若1号相机纵横条纹相位值均为较小值，则以1号相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则得到其他相机的坐标系转换关系为：
方向性标识之间沿x轴和y轴的实际距离分别为tx和ty，若横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递增。则选取纵横条纹相位值均为较小值的相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则有：
横向相位较小，纵向相位较大的相机的世界坐标系(x2,y2,z2)与全局世界坐标系的转换关系为：
横向相位较大，纵向相位也较大的相机的世界坐标系(x3,y3,z3)与全局世界坐标系的转换关系为：
相机横向相位较大，纵向相位较小的相机的世界坐标系(x4,y4,z4)与全局世界坐标系的转换关系为：
若以上纵横相位值中任意一个沿相应坐标轴方向递减，则对应相位值大小关系反转，而坐标系转换关系不变，例如，若横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递减。则选取横向相位为较小值，纵向相位为较大值的相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则有：
横向相位较小，纵向相位较小的相机的世界坐标系(x2,y2,z2)与全局世界坐标系的转换关系为：
由此完成了系统的全局标定。
本发明的特点及有益效果是：
本发明提出了一种新型大视场分布式条纹投影视觉三维测量系统，采用激光投影仪投射大视场条纹，多相机分布式同步采集高分辨率图像的系统结构，实现大视场三维测量；设计了一种新型平面靶标，利用多个方向性标识，结合一种新型新型系统全局标定方法，完成全局系统参数标定。系统成本较低，分布式同步采集测量速度快，测量精度高，可以实现大视场内多工件混叠场景下的三维测量。新型靶标使用方便，成本低，系统全局标定方法具有较高的效率和精度。因此本发明可以满足大视场快速精密视觉三维在线测量的需求。
附图说明：
图1所示为本发明的系统结构示意图。
图2所示为本发明的新型平面靶标图。
图3所示为本发明的系统全局标定方法。图3-1为各相机局部世界坐标系的标定方法，图3-2为全局世界坐标系的标定方法。
图4为各相机视场内采集的条纹图像。
图5为测量结果的三维点云进行表面形貌重建的图像。
具体实施方式
如图1所示为本发明的系统结构示意图。系统包括激光投影仪，4个CMOS工业相机，计算机和其固定机构，系统测量范围在600mm*600mm以上。激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，要求其亮度大于3000lm，投影比小于1，可投射大视场高亮度条纹，覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，分辨率大于三百万像素保证测量点云密度和测量精度，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步，保证采集到的条纹图像清晰有效。
如图2所示为本发明的新型平面靶标图，靶标为平面圆形靶标，大小不小于相机有效测量范围；靶标具有4个方向性大圆标识，方向相同，均匀分布于整个靶标，其分布保证标定过程中每个相机视野内有且仅有一个方向性大圆标识，每个标识用于建立各相机局部世界坐标系；靶标圆形的尺寸和圆心距加工误差不大于0.2mm，靶标平面度不大于1mm。
如图3-1、图3-2所示为本发明的系统全局标定方法，其具体步骤如下：
步骤1：将新型平面靶标放在视场有效区域，保证所有大圆标识处于投影仪投射范围内，各个相机视场中有且仅有一个大圆标识。
步骤2：投影仪投射白色背景图，各相机分别采集靶标图像，提取靶标上的特征点，识别各自方向性大圆标识，建立局部世界坐标系；然后投影仪投射纵横两个方向多频相移条纹，通过相位展开获取特征点纵横两个方向的全局绝对相位。
步骤3：将新型平面靶标放置在一个不同的位置上，保证其仍然满足步骤1的要求，重复步骤2直到采集到足够多组(至少2组)图像。将特征点图像坐标及其相位值与局部世界坐标代入多项式拟合模型，完成局部系统参数标定。
步骤4：由于各点的全局相位值在整个视场中具有唯一性，比较各个相机局部世界坐标系原点的纵横全局相位值，可以得出4个相机在视场中所处的位置，再根据新型平面靶标的方向性标识的设计距离，可以得出局部世界坐标系到全局世界坐标系的转换关系。
设方向性标识之间沿x轴和y轴的实际距离分别为tx和ty，若横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递增。则选取纵横条纹相位值均为较小值的相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则有：
横向相位较小，纵向相位较大的相机的世界坐标系(x2,y2,z2)与全局世界坐标系的转换关系为：
横向相位较大，纵向相位也较大的相机的世界坐标系(x3,y3,z3)与全局世界坐标系的转换关系为：
相机横向相位较大，纵向相位较小的相机的世界坐标系(x4,y4,z4)与全局世界坐标系的转换关系为：
若以上纵横相位值中任意一个沿相应坐标轴方向递减，则对应相位值大小关系反转，而坐标系转换关系不变，例如，若横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递减。则选取横向相位为较小值，纵向相位为较大值的相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则有：
横向相位较小，纵向相位较小的相机的世界坐标系(x2,y2,z2)与全局世界坐标系的转换关系为：
由此完成了系统的全局标定。
按照图1所示，将激光投影仪、相机、投射器及其支架安装在光学平台上，其中激光投影仪投射范围覆盖所有测量范围，4个相机安装在万向支架上，具有多个可调自由度，视场范围均匀覆盖整个视场，相机与投影仪位姿无绝对位置关系。
标定时，将新型平面靶标摆放多个位置，由计算机控制激光投影仪投射四步多频条纹，软件时序控制相机同步采集条纹图像；经过图像处理提取特征点图像坐标，同时求解特征点全局相位，由特征点图像坐标及相位特征与特征点世界坐标对应关系求解多项式拟合模型参数，完成系统局部标定。利用靶标的几何约束和相位大小关系确定相机位姿与全局系统参数。
测量时，按照与标定相同的方式投射和采集条纹图像，利用系统参数求解视场范围内物体的表面三维点云数据。对本发明所提出的系统进行实验验证，如图4为各相机视场内采集的条纹图像，如图5为测量结果的三维点云进行表面形貌重建的图像，可以看出本系统完成了对大视场多物体的快速三维测量。
Claims (3)
1.一种大视场条纹投影视觉三维测量系统，其特征是，包括激光投影仪、4个互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工业相机、计算机和靶标，激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，亮度大于3000lm，投影比小于1，所投射条纹能够覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步；
靶标为平面圆形靶标，大小不小于相机有效测量范围；靶标具有4个方向性大圆标识，方向相同，均匀分布于整个靶标，其分布保证标定过程中每个相机视野内有且仅有一个方向性大圆标识，每个标识用于建立各相机局部世界坐标系；其中：
将靶标处于视场有效区域，所有大圆标识处于投影仪投射范围内，各个相机视场中有且仅有一个大圆标识；
投影仪投射白色背景图，各相机分别采集靶标图像，提取靶标上的特征点，识别各自方向性大圆标识，建立局部世界坐标系；然后投影仪投射纵横两个方向多频相移条纹，通过相位展开获取特征点纵横两个方向的全局绝对相位；
将靶标放置在一个不同的位置上，保证其仍然满足所有大圆标识处于投影仪投射范围内，各个相机视场中有且仅有一个大圆标识；投影仪投射白色背景图，各相机分别采集靶标图像，提取靶标上的特征点，识别各自方向性大圆标识，建立局部世界坐标系；然后投影仪投射纵横两个方向多频相移条纹，通过相位展开获取特征点纵横两个方向的全局绝对相位，直到采集到至少2组图像；将特征点图像坐标及其相位值与局部世界坐标代入多项式拟合模型，完成局部系统参数标定；
由于各点的全局相位值在整个视场中具有唯一性，比较各个相机局部世界坐标系原点的纵横全局相位值，得出4个相机在视场中所处的位置，再根据靶标的方向性标识的设计距离，得出局部世界坐标系到全局世界坐标系的转换关系。
2.如权利要求1所述的大视场条纹投影视觉三维测量系统，其特征是，靶标圆形的尺寸和圆心距加工误差不大于0.2mm，靶标平面度不大于1mm。
3.一种大视场条纹投影视觉三维测量方法，其特征是，借助于激光投影仪、4个CMOS工业相机、计算机和靶标实现，靶标为平面圆形靶标，大小不小于相机有效测量范围；靶标具有4个方向性大圆标识，方向相同，均匀分布于整个靶标，其分布保证标定过程中每个相机视野内有且仅有一个方向性大圆标识，每个标识用于建立各相机局部世界坐标系，具体步骤如下：
步骤1：将靶标放在视场有效区域，保证所有大圆标识处于投影仪投射范围内，各个相机视场中有且仅有一个大圆标识；
步骤2：投影仪投射白色背景图，各相机分别采集靶标图像，提取靶标上的特征点，识别各自方向性大圆标识，建立局部世界坐标系；然后投影仪投射纵横两个方向多频相移条纹，通过相位展开获取特征点纵横两个方向的全局绝对相位；
步骤3：将靶标放置在一个不同的位置上，保证其仍然满足步骤1的要求，重复步骤2直到采集到至少2组图像，将特征点图像坐标及其相位值与局部世界坐标代入多项式拟合模型，完成局部系统参数标定；
步骤4：由于各点的全局相位值在整个视场中具有唯一性，比较各个相机局部世界坐标系原点的纵横全局相位值，得出4个相机在视场中所处的位置，再根据靶标的方向性标识的设计距离，得出局部世界坐标系到全局世界坐标系的转换关系，方向性标识之间沿x轴和y轴的实际距离分别为tx和ty，横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递增，若1号相机纵横条纹相位值均为较小值，则以1号相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则得到其他相机的坐标系转换关系为：
方向性标识之间沿x轴和y轴的实际距离分别为tx和ty，若横向条纹沿x轴方向相位值递增，纵向条纹沿y轴方向相位值递增，则选取纵横条纹相位值均为较小值的相机的世界坐标系(x1,y1,z1)为全局世界坐标系(x,y,z)，则有：
横向相位较小，纵向相位较大的相机的世界坐标系(x2,y2,z2)与全局世界坐标系的转换关系为：
横向相位较大，纵向相位也较大的相机的世界坐标系(x3,y3,z3)与全局世界坐标系的转换关系为：
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