CN111256587A - 一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，包括以下步骤，步骤一、对相机内、外参以及两个激光平面进行标定；步骤二、识别捕获图像中的左右激光光带，进行受扰区域抠除，然后进行条纹中心提取；步骤三、根据两组条纹中心以及相对应的标定参数计算物体在同一世界坐标系下的两组三维信息，两组点云进行融合，从而恢复物体三维形貌，通过构建双线结构光扫描系统，解决了激光光带质量受高强度镜面反射光干扰问题，利用图像处理算法对条纹膨胀区域进行去除，通过准确的条纹中心提取与双线结构光系统获得的两组点云数据融合，得到完整物体三维形貌，解决了镜面反射光影响激光条纹质量引起的三维信息计算错误，提高了测量精度。

Description

一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，具体涉及一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法。

背景技术

基于光学三角法的线结构光扫描技术以其稳定性强、成本经济、测量速度快、精度高等优点被广泛应用于产品质量检测。对普通朗伯表面物体三维激光扫描技术已经相当成熟，逐渐朝着高速度、高精度的方向发展。但是，线结构光扫描技术的原理在于根据空间三角关系，利用捕获条纹形变信息求取表面对应高度信息。由于条纹形变信息来自于物体表面受激光照射后的漫反射光成像，所以条纹的成像质量直接制约了形变信息的准确性。

由于普通朗伯表面与反射表面光学性质、成像原理不同，需要加以区分。对于大量用于航空航天、仪器制造、机械加工、器件打磨等领域的金属表面、塑料模块、光学元件、瓷器等反射物体，由于镜面反射成分强烈，来自光泽表面的镜面反射光会使漫反射条纹强度饱和，出现多个峰值。不服从高斯分布的激光条纹会导致提取中心偏移真实条纹轮廓，计算得到的三维信息出现区域性错误。

线结构光扫描系统中激光平面能量分布严格服从高斯曲线。对于普通亚光表面测量，捕获激光光带只有一个峰值，以峰值为中心的条纹提取算法已经相当成熟。利用线结构光扫描反射率较高的光泽表面时，该测量系统则面临新的问题。强度较高的表面反射光使激光光带出现多个峰值，部分区域能量达到饱和，出现光带膨胀现象，形成强烈的斑点噪声，因而无法进行准确的条纹中心提取，根据空间位置关系，光泽表面的同一位置不会在适当距离的两个激光平面下发生相同的条纹膨胀现象。

现有解决高强度反射光的激光扫描方法大致分为两种，一种是基于改变条纹强度，进行多幅图像融合的方法，利用高动态范围相机融合不同曝光量下的图片为最终所需图片，合成鲁棒性高、抗干扰较强的激光条纹；另外一种通过改变扫描姿态，进行多次扫描，然后根据错误点云特性，去除错误三维数据，从而恢复真实三维形貌。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，通过以下技术方案实现。

一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，包括以下步骤：

步骤一、对相机内、外参以及两个激光平面进行标定；

步骤二、识别捕获图像中的左右激光光带，进行受扰区域抠除，然后进行条纹中心提取；

步骤三、根据两组激光光带中心以及相对应的标定参数计算物体在同一世界坐标系下的两组三维信息，两组点云进行融合，从而恢复物体三维形貌。

优选的，一幅图片可以捕获两条激光光带，通过设计相关图像处理算法，对两组激光光带进行准确区分，激光光带膨胀部分进行抠除。

优选的，两个激光平面应保持适当距离。

本发明的有益效果是：

(1)现有激光扫描方法测量高反表面需要多次扫描，本发明只需一次扫描即可完成高反射表面的完整测量，减少了测量时间，增快了检测效率；

(2)本发明硬件部分只需比常规扫描系统多一个普通半导体激光发射器，减少了投入成本，提高了产业效益；

(3)常规情况下，每幅捕捉图片只有一条激光光带。双线结构光扫描系统捕捉图像中含有两条独立激光条纹，更好地利用了相机的成像区域。

(4)最终三维点云为所求两组点云数据融合结果，使被测物体点云数据量更大，精度更高；

(5)共用一个棋盘格实现相机内外参数标定与激光平面标定，两组三维数据之间误差可以达到很小，点云融合效果更好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的双线结构光扫描系统结构示意图；

图2为本发明的测量流程示意图；

图3为本发明使用的标定示意图；

图4为本发明中两个激光平面标定结果图；

图5为本发明中高光问题解决的光学原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，其系统结构示意图如图1所示，包括一只采集相机，两个半导体激光发射器，一个电动线性滑台，一台实时处理数据的计算机。随着电动滑台的移动，计算机处理相机捕捉到的激光光带，完成高度信息计算，恢复物体表面三维形貌。

结合图2测量流程图，本发明所述的一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，步骤如下：

1、系统参数标定

利用双线结构光扫描系统测量高反射率表面，如图2所示，首先需要对系统的空间位置关系进行标定。相机标定包括相机内参(相机内部结构之间相对位置关系)标定与相机外参(相机与作为参考面的世界坐标系的转换关系)标定。激光平面标定确定激光平面相对相机坐标的空间位置关系。利用棋盘格靶标法可以直接标定相机内外参数与激光平面方程。如图3标定示意图所示，两个激光发射器产生两个激光平面与棋盘格相交为两条亮暗不连续的激光光带，通过多次移动棋盘格首先实现相机内外参数。如图4激光平面标定结果图所示，利用特别设计的图像处理算法，识别左右两条激光光带区域，并且进行准确的激光光带中心提取。然后再利用相机内外参数推导相交角点在相机坐标下的三维数据。利用这些空间三维数据拟合的两个激光平面方程可用式(1)表示：

2、激光光带处理

由图5高光问题解决的光学原理图中左激光平面扫描情况所示，在物体移动过程中，表面的某一位置会发生激光镜面反射叶或镜面反射锥干扰激光光带光强分布。当此处位置移至另一激光平面下方时候，由于激光镜面反射成分平行移动到另一空间位置，不会射入空间位置不变的相机内部。物体表面同一位置的激光光带在另一激光平面下不会发生光带膨胀现象。如图2测量流程示意图所示，根据光带展宽特性，对激光光带膨胀区域进行抠除。由于所获得的光带强度较低，需要增强激光投射光强，光带强度比较饱和，选用质心法对激光光带进行准确中心提取。质心算法可用式(2)表示，其中L_n为当前像素行第n个像素处在的列值，I_n当前像素行第n个像素的光强大小。

3、三维点云计算

经过标定可以获得各系统成分空间位置关系，通过图像处理算法获得未被干扰的激光光带中心。利用被测物点与中心像点的空间三角关系，可以得到光带中心对应的三维信息。利用式(3)上式与中式可以求得第一个激光平面系统中物体表面相对于相机坐标系的三维数据，导出方程如式(4)所示，a、b、c、d为对应平面方程的四个系数，f_x与f_y为焦距除以像素尺寸的长度与宽度的商值(相机内参)，(u₀,v₀)为图像坐标系原点，(u,v)为所得激光光带中心。同样利用式(3)中式与下式获得第二个激光平面系统中物体表面相对于相机坐标系的三维数据，导出方程如式(5)所示。

如图3所示，两个激光平面应保持适当距离，共用一个棋盘格完成标定过程，选择其中一幅平行于载物台的棋盘格做为共用世界坐标，可以实现物体形貌三维信息的准确测量，根据空间几何关系，两个激光平面距离应当大于像机镜头直径小于棋盘格长度，可以避免同一探测位置在不同激光平面下对应的激光光带质量受到干扰，并且可以实现一组图片标定两个平面，相机坐标下的三维数据转化为世界坐标系下的三维数据，所求z值才为真实物体高度信息，假设相机内参矩阵为B,旋转矩阵为R,平移矩阵为T,所求三维数据可由式(6)所示。最后将两组数据融合为一个点云数据，即可实现物体完整形貌回复。

Claims (3)

1.一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、对相机内、外参以及两个激光平面进行标定；

步骤二、识别捕获图像中的左右激光光带，进行受扰区域抠除，然后进行条纹中心提取；

步骤三、根据两组激光光带中心以及相对应的标定参数计算物体在同一世界坐标系下的两组三维信息，两组点云进行融合，从而恢复物体三维形貌。

2.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，其特征在于：一幅图片可以捕获两条激光光带，通过设计相关图像处理算法，对两组激光光带进行准确区分，激光光带膨胀部分进行抠除。

3.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光扫描的高反射率表面三维测量方法，其特征在于：两个激光平面应保持适当距离。

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