CN110986760A - 一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，包括以下步骤：S1)在构件上设置标记点；S2)照片采集装置从多个设定角度拍摄构件的照片；S3)将照片导入计算机，生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断是否在设定误差范围内进行尺寸检验，与现有技术相比，本发明具有检验精度高且效率高等优点。

Description

一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统

技术领域

本发明涉及公路工程构筑物的测量，尤其是涉及一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统。

背景技术

公路工程预制构件的制造精度水平是影响构筑物结构拼装、控制建造质量的关键因素，对预制构件的尺寸进行测量验收是检验预制质量的关键。

传统的公路工程构筑物形状大都比较规则，细部构造特征不明显，对其测量的精度要求也不高，适合于人工对构筑物上的某几个预先设定的位置进行测量并取平均值的方法。由于制造工艺的进步和实际需求的变化，公路工程构筑物的外形变得越来越复杂，细部构造越来越多，对其进行测量的精度要求也越来越大。针对这种具有复杂细部构造的异形公路工程构筑物，使用传统的人工测量方法将很难满足测量的精度要求。

中国专利CN201610367071.4公开了一种矩形体的自动化检测与三维重构系统及方法，包括驱动位移模块、用于采集待测矩形体表面激光点云的激光扫描模块、用于采集待测矩形体表面纹理图像的纹理采集模块和中央处理模块，其中驱动位移模块包括多轴步进电机驱动器、X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台、旋转台和载物台，中央处理模块连接多轴步进电机驱动器、激光扫描模块和纹理采集模块。该专利在激光点云获取分析、图像拍摄与处理、三维模型重建上实现了自动化，可快速实现矩形体的自动化检测和三维纹理重构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，解决异形公路工程构筑物利用传统人工测量方法很难满足测量精度要求的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，包括以下步骤：

S1)在构件上设置标记点；

S2)照片采集装置拍摄多个角度的构件照片；

S3)导入构件照片，生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；

S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；

S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；

S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断该误差是否在设定误差范围内，若是，则该构件尺寸合格，若否，则该构件尺寸不合格。

进一步地，所述的步骤S4)具体包括以下步骤：

S401)取第一点集P中的一个点作该点的法向量；

S402)获取该法向量与三维设计模型表面的交点，作为第二点集Q中该点的对应点；

S403)重复步骤S401)和步骤S402)，遍历第一点集P中的全部点，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q。

进一步地，在利用标记点粗略匹配后，为了使计算结果更加精确，利用对齐算法，对第一点集P和第二点集Q进行迭代，进行进一步精准匹配，所述的步骤S5具体包括以下步骤：

S501)构建匹配目标函数；

S502)将第一点集P代入匹配目标函数，并求解其变换参数；

S503)将求解所得的变换参数分别应用于第一点集P，得到新的第一点集P’；

S504)作新的第一点集P’中各点的法向量，获取各点法向量与三维设计模型表面的交点，形成与新的第一点集P’中的点一一对应的新的第二点集Q’；

S505)计算新的第一点集P’和新的第二点集Q’之间的均方差误差d，并将新的第一点集P’作为第一点集P，令新的第二点集Q’为第二点集Q，若均方差误差d小于等于设定阈值，或迭代的次数大于设定的最大迭代数，则完成第一点集P和第二点集Q的匹配调整，否则，重复执行步骤S502)～步骤S504)进行迭代；

S506)计算第一点集P到第二点集Q中对应点之间的距离代数值，并根据该代数值生成误差云图。

进一步优选地，所述的目标函数的表达式为：

其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，q_i为第二点集Q中的第i个点，p_i为第一点集P中的第i个点，N_P为第一点集P中点的个数；

所述的变换参数包括旋转矩阵R和平移向量t，其应用于第一点集P的表达式分别为：

P'＝R·P+t。

进一步优选地，所述的步骤S505)中，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以外时，该点对应的距离代数值为正值，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以内时，该点对应的距离代数值为负值，所述的第一点集P与第二点集Q中对应点距离代数值最大的点的色值设为红色，距离代数值最小的点的色值设为蓝色，距离代数值为0的点色值设为绿色，其余点的色值按照距离代数值大小线性插值，得到误差云图。

进一步地，所述的标记点为环状编码点，包括第一标记点、第二标记点和第三标记点，所述的设置标记点具体包括以下步骤：

S101)在构件底座任一直角顶点处设置第一标记点；

S102)以第一标记点为原点，以竖直向上为z轴正方向，按照右手螺旋准则建立标记坐标系；

S103)在标记坐标系x轴方向的另一顶点处，设置第二标记点；

S104)在标记坐标系y轴方向的另一顶点处，设置第三标记点；

S105)利用全站仪测量三个标记点的实际坐标。

进一步优选地，所述的标记点匹配具体包括以下步骤：

S201)识别点云模型中分别与第一标记点、第二标记点和第三标记点对应的第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点，并记录其坐标；

S202)平移和旋转点云模型，直到第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点坐标与第一标记点、第二标记点和第三标记点的坐标之间的距离均方误差值最小时停止，完成标记点匹配。

一种实现如所述的基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法的系统，包括相互连接的照片采集装置和数据处理单元，所述的照片采集装置包括相互连接的移动组件和照相机，所述的照相机在竖直面内上下改变镜头俯仰角度，并通过移动组件绕待检验构件做圆周运动，在圆周上的不同位置拍摄多个不同角度的构件照片，所述的数据处理单元利用构件照片生成重构点云模型后与设计模型匹配，得到误差云图并判断该构件尺寸是否合格。

进一步地，所述的移动组件包括圆形滑轨、分别设置于圆形滑轨上的滚轮和限位器以及设置于限位器上的竖向调节轴承，所述的照相机设置于竖向调节轴承上，所述的圆形滑轨的圆心与构件外接圆柱横截面的圆心位于同一竖直线上，高度高于构件中心的高度，半径为构件外接圆柱半径的2～3倍，所述的滚轮和限位器控制照相机沿圆形滑轨移动改变水平角度，所述的竖向调节轴承控制照相机改变镜头俯仰角度。

更进一步地，当照片采集装置采集照片时，所述的可移动照相机组件在圆形滑轨上从任一起点开始沿圆形滑轨移动，转过设定水平角度后停止，开始执行拍照动作；

所述的照相机执行拍照动作时，将照相机镜头平面调整至与圆形滑轨径向垂直后固定，所述的照相机通过竖向调节轴承从上至下每隔设定竖直角度拍摄一张照片，完成六张照片拍摄后，继续沿圆形滑轨移动，并在转过设定水平角度后停止，重复拍照动作，直至照相机回到初始位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过三维重构得到点云模型，将点云模型与其设计尺寸进行配准，计算对应点之间距离的代数值得到误差云图，实现对异形公路工程构筑物尺寸的检验评价，数据量增大，能够全方位反映异形公路工程构筑物制造尺寸的误差，可解决传统测量方法具有较大偶然性的问题，提高检验精度；

2)本发明利用圆形滑轨和可移动照相机组件进行异形公路工程构筑物的模型数据采集，在养护期间即可实时对预制构件的尺寸进行测量，提升测量检验效率，加快构件生产工效，一次操作完毕后可以及时对下一块预制构件的模板情况、制作工艺等提供反馈从而进行尺寸修正。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明实施例的主体结构示意图；

图3为本发明实施例的圆形滑轨布置俯视图；

图4为本发明实施例的照片采集装置示意图，其中，图(4a)为整体装置图，图(4b)为照相机和移动组件的组合正视图，图(4c)为照相机和移动组件的组合侧视图，图(4d)为照相机和移动组件的组合俯视图；

图5为本发明实施例标记点设置示意图；

图6为本发明实施例标记点示意图。

其中：1、管型涵洞构件，2、圆形滑轨，3、外接圆柱横截面，4、圆形滑轨横截面，5、限位器，6、滚轮，7、竖向调节轴承，8、照相机，9、圆形滑轨半径，10、水平角度，11、第一标记点，12、第一标记点，13、第一标记点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，该方法利用移动组件和照相机8进行异形公路工程构筑物的模型数据采集，然后利用投影原理三维重构得到点云模型，将点云模型与其设计模型进行尺寸配准，计算对应点之间的距离代数值得到误差云图，利用误差云图检验构件各部位的误差，实现对异形公路工程构筑物尺寸的检验。

本实施例中，以管型涵洞构件1为例，如图1所示，对其使用本发明的方法进行尺寸检验，过程如下：

(1)在该管型涵洞构件1上设置标记点，如图4所示，在构件底座任一直角顶点处设置第一标记点11，编号为标记点a，以第一标记点11为原点，以竖直向上为z轴正方向，按照右手螺旋准则建立标记坐标系，在标记坐标系x轴方向的另一直角顶点处设置第二标记点12，编号为标记点b，在标记坐标系y轴方向的另一直角顶点处设置第三标记点13，编号为标记点c，并利用全站仪测量三个标记点的实际坐标。该标记点为环状编码点，由计算机生成，并可被计算机准确识别，如图6所示，圆心外围的黑白条段是可以被计算机识别的二进制码编成的，进而识别出圆心的准确位置。同时每一种特定的黑白条段形状都可以被计算机识别为一个固定的数字，也就是图6左下角的43，这样便于找到相应的标记点。

(2)如图1、图2和图3所示，在养护厂棚内安装照片采集装置，圆形滑轨2的高度略高于管型涵洞构件1中心的高度，圆形滑轨2的圆心与管型涵洞构件1外接圆柱横截面3圆心位于同一竖直线，圆形滑轨2半径9为管型涵洞构件1外接圆柱半径的3倍。

(3)进行构件养护。

(4)构件养护完毕后，使可移动照相机组件从一起点开始，在圆形滑轨2上移动，每隔设定的水平角度10进行拍摄，本实施例中，水平角度10设定为30°，并在每个拍摄点从上到下每隔设定竖直角度拍摄一张照片，共拍摄6张，本实施例中设定竖直角度为15°。

(5)将各角度拍摄的照片导入计算机，利用投影算法重构生成管型涵洞构件1的点云模型，并识别重构生成的标记点坐标，得到第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点，按照与实际第一标记点11、第二标记点12和第三标记点13位置对应的原则编号为标记点a’，标记点b’和标记点c’，并记录其坐标。

(6)平移和旋转点云模型，直到第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点与其对应实际标记点坐标之间距离的均方误差值最小时停止。

(7)导入三维设计模型，以重构后生成的点云模型包含的全部点生成第一点集P，P＝{p_i},i＝1～N_p，取第一点集P中的一个点并作该点的法向量，使其与三维设计模型的表面相交，取交点作为第一点集P中该点的对应点，遍历第一点集P中的全部点，得到与第一点集P对应的第二点集Q，Q＝{q_i},i＝1～N_p，第一点集P和第二点集Q中的点一一对应。

(8)构建如下目标函数，用四元数法求解旋转矩阵R和平移向量t的初值；

其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，Q_i为第二点集Q中的第i个点，P_i为第一点集P中的第i个点，N_P为第一点集P中点的个数。

(9)将变换参数旋转矩阵R和平移向量t运用到第一点集P上，求得新的第一点集P’，P'＝R·P+t，作新的第一点集P’中各点的法向量，获取各点法向量与三维设计模型表面的交点，获得与新的第一点集P’中的点一一对应的新的第二点集Q’。

(10)计算新的第一点集P’与新的第二点集Q’之间的均方差误差d，若均方差误差d大于给定的阈值，或者迭代的次数小于指定的最大迭代数，则令新的第一点集P’为第一点集P，令新的第二点集Q’为第二点集Q，即令P＝{pi}＝P’，i＝1～Np；Q＝{qi}＝Q’，i＝1～N_P，并重新将第一点集P和第二点集Q代入目标函数进行迭代。

(11)第一点集P到第二点集Q中对应点之间的距离代数值，若第一点集P在设计模型所围区域以外，则距离代数值取正值，否则取负值。

(12)将第一点集P与第二点集Q中对应点距离代数值最大的点的色值设为红色，最小的点的色值设为蓝色，距离为0的点色值设为绿色，在其间剩余的点的色值按照距离代数值大小线性插值，得到误差云图。

(13)利用误差云图获得点云模型与设计模型各部位之间的误差，对照设定的误差范围，以检验评价尺寸是否合格。

本发明还提供一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验系统，包括相互连接的照片采集装置和数据处理单元，照片采集装置包括相互连接的移动组件和照相机8，照相机8在竖直面内上下改变镜头俯仰角度，并通过移动组件绕待检验构件做圆周运动，在圆周上的不同位置拍摄多个不同角度的构件照片，数据处理单元利用构件照片生成重构点云模型后与设计模型匹配，得到误差云图并判断该构件尺寸是否合格。

如图3所示，移动组件包括圆形滑轨2、分别设置于圆形滑轨2上的滚轮6和限位器5以及设置于限位器5上的竖向调节轴承7，照相机8设置于竖向调节轴承7上，圆形滑轨2的圆心与构件外接圆柱横截面3的圆心位于同一竖直线上，高度高于构件中心的高度，半径为构件外接圆柱半径的2～3倍，滚轮6和限位器5控制照相机8沿圆形滑轨2移动改变水平角度，竖向调节轴承7控制照相机8改变镜头俯仰角度。

当照片采集装置采集照片时，可移动照相机组件在圆形滑轨2上从任一起点开始沿圆形滑轨2移动，转过设定的水平角度10后停止，开始执行拍照动作；

照相机8执行拍照动作时，将照相机8镜头平面调整至与圆形滑轨2径向垂直后固定，照相机8通过竖向调节轴承7从上至下每隔设定竖直角度拍摄一张照片，完成六张照片拍摄后，继续沿圆形滑轨7移动，并在转过设定的水平角度10后停止，重复拍照动作，直至照相机8回到初始位置。

本实施例中，设定水平角度为30°，设定竖直角度为15°，可移动照相机组价从任一起点开始，在圆形滑轨2上移动，每移动30度角停止，并将照相机8的镜头平面调整至与圆形滑轨2径向垂直后固定，以竖向调节轴承7为轴从上到下每15度角拍摄一张照片，共拍摄六张照片后，重复上述步骤，直至移动照相机回到初始位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)在构件上设置标记点；

S2)照片采集装置拍摄多个不同角度的构件照片；

S3)导入构件照片，重构生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；

S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；

S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；

S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断该误差是否在设定误差范围内，若是，则该构件尺寸合格，若否，则该构件尺寸不合格。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S4)具体包括以下步骤：

S401)取第一点集P中的一个点作该点的法向量；

S402)获取该法向量与三维设计模型表面的交点，作为第二点集Q中该点的对应点；

S403)重复步骤S401)和步骤S402)，遍历第一点集P中的全部点，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S5具体包括以下步骤：

S501)构建匹配目标函数；

S502)将第一点集P代入匹配目标函数，并求解其变换参数；

S503)将求解所得的变换参数分别应用于第一点集P，得到新的第一点集P’；

S504)作新的第一点集P’中各点的法向量，获取各点法向量与三维设计模型表面的交点，形成与新的第一点集P’中的点一一对应的新的第二点集Q’；

S505)计算新的第一点集P’和新的第二点集Q’之间的均方差误差d，并将新的第一点集P’作为第一点集P，令新的第二点集Q’为第二点集Q，若均方差误差d小于等于设定阈值，或迭代的次数大于设定的最大迭代数，则完成第一点集P和第二点集Q的匹配调整，否则，重复执行步骤S502)～步骤S504)进行迭代；

S506)计算第一点集P到第二点集Q中对应点之间的距离代数值，并根据该代数值生成误差云图。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的目标函数的表达式为：

其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，q_i为第二点集Q中的第i个点，p_i为第一点集P中的第i个点，N_P为第一点集P中点的个数；

所述的变换参数包括旋转矩阵R和平移向量t，其应用于第一点集P的表达式分别为：

P'＝R·P+t。

5.根据权利要求3所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S505)中，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以外时，该点对应的距离代数值为正值，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以内时，该点对应的距离代数值为负值，所述的第一点集P与第二点集Q中对应点距离代数值最大的点的色值设为红色，距离代数值最小的点的色值设为蓝色，距离代数值为0的点色值设为绿色，其余点的色值按照距离代数值大小线性插值，得到误差云图。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的标记点为环状编码点，包括第一标记点、第二标记点和第三标记点，所述的设置标记点具体包括以下步骤：

S101)在构件底座任一直角顶点处设置第一标记点(11)；

S102)以第一标记点为原点，以竖直向上为z轴正方向，按照右手螺旋准则建立标记坐标系；

S103)在标记坐标系x轴方向的另一顶点处，设置第二标记点(12)；

S104)在标记坐标系y轴方向的另一顶点处，设置第三标记点(13)；

S105)利用全站仪测量三个标记点的实际坐标。

7.根据权利要求6所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的标记点匹配具体包括以下步骤：

S201)识别点云模型中分别与第一标记点(11)、第二标记点(12)和第三标记点(13)对应的第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点，并记录其坐标；

S202)平移和旋转点云模型，直到第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点坐标分别与第一标记点(11)、第二标记点(12)和第三标记点(13)的坐标之间的距离均方误差值最小时停止，完成标记点匹配。

8.一种实现如权利要求1-7任一项所述的基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法的系统，其特征在于，包括相互连接的照片采集装置和数据处理单元，所述的照片采集装置包括相互连接的移动组件和照相机(8)，所述的照相机(8)在竖直面内上下改变镜头俯仰角度，并通过移动组件绕待检验构件做圆周运动，在圆周上的不同位置拍摄多个不同角度的构件照片，所述的数据处理单元利用构件照片生成重构点云模型后与设计模型匹配，得到误差云图并判断该构件尺寸是否合格。

9.根据权利要求8所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验系统，其特征在于，所述的移动组件包括圆形滑轨(2)、分别设置于圆形滑轨(2)上的滚轮(6)和限位器(5)以及设置于限位器(5)上的竖向调节轴承(7)，所述的照相机(8)设置于竖向调节轴承(7)上，所述的圆形滑轨(2)的圆心与构件外接圆柱横截面(3)的圆心位于同一竖直线上，高度高于构件中心的高度，半径为构件外接圆柱半径的2～3倍，所述的滚轮(6)和限位器(5)控制照相机(8)沿圆形滑轨(2)移动改变水平角度，所述的竖向调节轴承(7)控制照相机(8)改变镜头俯仰角度。

10.根据权利要求9所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验系统，其特征在于，当照片采集装置采集照片时，所述的照相机(8)在圆形滑轨(2)上从任一起点开始沿圆形滑轨(2)移动，转过设定的水平角度(10)后停止，开始执行拍照动作；

所述的照相机(8)执行拍照动作时，将照相机(8)镜头平面调整至与圆形滑轨(2)径向垂直后固定，所述的照相机(8)通过竖向调节轴承(7)从上至下每隔设定竖直角度拍摄一张照片，完成六张照片拍摄后，继续沿圆形滑轨(7)移动，并在转过设定的水平角度(10)后停止，重复拍照动作，直至照相机(8)回到初始位置。

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