CN111351437A - 一种主动式双目测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式双目测量方法及装置，该方法包括使用线光源扫描被测物件，以垂直于所述被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；采用位于所述线光源两侧的两部面阵相机对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像；将所述双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，即可重建出对应深度图，实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。本申请提供的方法，利用线结构光与双目成像相结合，以反射式旋转振镜辅助的方法实现高精度、非接触式测量，能够快速给出测量目标的长、宽、高，可应用于生产线、仓储、物流等需要反馈体积大小的地方。

Description

一种主动式双目测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种主动式双目测量方法及装置。

背景技术

激光三角法位移测量的原理是用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用线阵CCD/PSD等光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。三角法的优点突出，原理简单，激光发射器和CCD/PSD探测器配合即可实现测距，且在近距离下，探测精度较高。结构光是辅助进行三维稠密重建的一种技术，通过向被测空间投射特定纹理来简化匹配像素搜索的问题，同时线扫描结构光较之面阵结构光较为简单，精度也比较高，在工业中广泛用于物体体积测量、三维成像等领域。但是，现有技术中常规非接触测量设备通过此方法只能得到深度信息，即单一方向的尺寸。同时效率较低，被测物较大时，当遇到两侧或后面鼓包的情况时，经常因出现测量死角引起测量误差。

发明内容

本发明提供了一种主动式双目测量方法及装置。

本发明提供了如下方案：

一种主动式双目测量方法，包括：

使用线光源扫描被测物件，以垂直于所述被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；

采用位于所述线光源两侧的两部面阵相机对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像；

将所述双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，即可重建出对应深度图，实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。

优选地：所述线光源的传输路径中配置有反射式旋转振镜，所述反射式旋转振镜用于实现辅助所述线光源的移动。

优选地：基于激光三角测量方法实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。

优选地：两部所述面阵相机以及所述线光源之间的角度以及位置关系为预先标定的已知量。

优选地：标定单目摄像机的等效焦距及投影平面中心在靶平面中的坐标；

确定参数是外部参数，所述外部参数包括描述世界坐标系和面阵相机坐标系的参数，通过矩阵转换，协调世界坐标系和面阵相机坐标系的相对位姿，标定后确保两部所述面阵相机光轴方向保持平行；

找到线激光在图像中的对应像素重建出光心与像素的射线，射线与激光平面的交点即为待求的三维空间点；根据三维空间点在经过校正后的在两部所述面阵相机图像上的映射关系，推导出深度公式。

优选地：实测结果的标定，每隔5cm计算一次深度信息，对比实际测量数据，使用拟合多项式的方法，对结果进行标定；采用所述深度公式计算出深度数据后，再迭代上拟合多项式之后的结果。

优选地：所述深度公式为：

计算可得，

z＝hl-tan(α)*(d+y)

x＝(hc-z)*tan(θ)

式中：

hl：线激光相对于测量基线的高度；

hc：面阵相机相对于测量基线的高度；

d：面阵相机与线激光在水平方向上的距离；

x：成像点距离相机轴水平方向上的距离；

y：成像点距离面阵相机轴垂直方向上的距离；

z：成像点距离测量基面的高度；

α：为线激光与水平方向夹角；

β：为成像点与面阵相机轴垂直方向上的夹角；

θ：为成像点与面阵相机轴水平方向上的夹角。

一种主动式双目测量装置，包括：

支撑板，所述支撑板用于承载各部件；

一字线激光器，所述一字线激光器的光线行进路径中配置有反射式旋转振镜；所述一字线激光器用于实现以垂直于被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；

两部相机，两部所述相机分别位于所述一字线激光器的两侧；两部所述相机用于对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像。

优选地：所述相机为大视场面阵相机。

优选地：两部所述面阵相机光轴方向保持平行。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种主动式双目测量方法及装置，在一种实现方式下，该方法可以包括使用线光源扫描被测物件，以垂直于所述被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；采用位于所述线光源两侧的两部面阵相机对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像；将所述双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，即可重建出对应深度图，实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。本申请提供的方法，利用线结构光与双目成像相结合，以反射式旋转振镜辅助的方法实现高精度、非接触式测量，能够快速给出测量目标的长、宽、高，可应用于生产线、仓储、物流等需要反馈体积大小的地方。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种主动式双目测量方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的线扫描测量原理图；

图3是本发明实施例提供的激光器、相机以及被测物件的空间位置图；

图4是一维线扫描测距示意图；

图5是本发明实施例提供的一种主动式双目测量的装置的结构示意图

图中：支撑板1、一字线激光器2、反射式旋转振镜3、相机4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种主动式双目测量方法，如图1所示，该方法包括：

S101:使用线光源扫描被测物件，以垂直于所述被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；所述线光源的传输路径中配置有反射式旋转振镜，所述反射式旋转振镜用于实现辅助所述线光源的移动。

S102:采用位于所述线光源两侧的两部面阵相机对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像；

S103:将所述双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，即可重建出对应深度图，实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。具体的，基于激光三角测量方法实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。两部所述面阵相机以及所述线光源之间的角度以及位置关系为预先标定的已知量。标定单目摄像机的等效焦距及投影平面中心在靶平面中的坐标；

确定参数是外部参数，所述外部参数包括描述世界坐标系和面阵相机坐标系的参数，通过矩阵转换，协调世界坐标系和面阵相机坐标系的相对位姿，标定后确保两部所述面阵相机光轴方向保持平行；

找到线激光在图像中的对应像素重建出光心与像素的射线，射线与激光平面的交点即为待求的三维空间点；根据三维空间点在经过校正后的在两部所述面阵相机图像上的映射关系，推导出深度公式。

实测结果的标定，每隔5cm计算一次深度信息，对比实际测量数据，使用拟合多项式的方法，对结果进行标定；采用所述深度公式计算出深度数据后，再迭代上拟合多项式之后的结果。精度相对较高。

如图3所示，所述深度公式为：

计算可得，

z＝hl-tan(α)*(d+y)

x＝(hc-z)*tan(θ)

式中：

hl：线激光相对于测量基线的高度；

hc：面阵相机相对于测量基线的高度；

d：面阵相机与线激光在水平方向上的距离；

x：成像点距离相机轴水平方向上的距离；

y：成像点距离面阵相机轴垂直方向上的距离；

z：成像点距离测量基面的高度；

α：为线激光与水平方向夹角；

β：为成像点与面阵相机轴垂直方向上的夹角；

θ：为成像点与面阵相机轴水平方向上的夹角。

本发明测量原理是基于激光三角测量方法，激光三角法位移测量的原理是用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用线阵CCD/PSD等光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。常规非接触测量设备即通过此方法得到深度信息，即单一方向的尺寸。

三角法的优点突出，原理简单，激光发射器和CCD/PSD探测器配合即可实现测距，且在近距离下，探测精度较高。结构光是辅助进行三维稠密重建的一种技术，通过向被测空间投射特定纹理来简化匹配像素搜索的问题，同时线扫描结构光较之面阵结构光较为简单，精度也比较高，在工业中广泛用于物体体积测量、三维成像等领域。

本发明即基于激光三角测量方法，线结构光为光源，通过双目成像，所得的双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，即可重建出对应深度图，实现长宽高三个方向的尺寸测量。

激光器(线光源)打到被测物体表面，相交出一条亮线，再反射到激光器(线光源)另一侧的摄像机的成像靶面上。

激光器(线光源)发射出的一字激光线与被测物相交，切出的该条激光光线被放置在激光器(线光源)另一侧的摄像机所拍摄。在此光线上的每个点的位置与被测物的表面情况有关，从而经过被测物反射回来的激光光线每个点在摄像机靶面的成像位置可以反映被测物的表面情况，即被测物上任意一个激光光斑对应摄像机成像面上唯一的一点。当己知摄像机和激光器之间的角度、位置关系时，便可以求出这种一一对应的关系，进而通过相机拍摄的二维图像算出空间中三维点的坐标位置。由激光器、摄像机及计算机即构成了一个最简单的线扫描测距系统，如图4所示。用线光源投射到待测物体表面，然后经过一侧一维的扫描，可以获得整个物体的深度信息。

一维扫描使得效率较低，同时被测物较大时，当遇到两侧或后面鼓包的情况，是测量不到的。本发明采用线扫描的方式进行体积测量，以避免鼓包、异形等原因导致的测量死角引起的测量误差。反射式旋转振镜辅助光源运动，利用步进式旋转方式，易控制且稳定，提高了线激光在测量物体上的停留时间，增加曝光度，线精度更高。

使用线光源扫描邮件，以垂直面对邮件进行打光，用两部面阵相机对邮件的打光区域成像，见图2，为了简单的进行说明，图中只画了一个相机和线光源。

反射式旋转振镜分辨率高，频率高，低重复频率使得线光源扫描更稳定，双目高速面阵相机获取的图像更有利于后面的图像提取数据。同时反射式旋转振镜结构精巧，使得主动式双目测距装置的体积紧凑；安装调试简单，更适合产业化生产，减低了生产成本。

深度公式确定过程为：

标定单目摄像机，需要标定的参数是等效焦距及投影平面中心在靶平面中的坐标，也叫做摄像机的内部参数，因为这些参数只与摄像机有关系，和具体的摄像场景，和世界坐标系没有关系。接收镜头会带入透镜的畸变，同时校正径向畸变和切向畸变两类参数。

双目标定需要确定的参数是外部参数，外部参数是描述世界坐标系和摄相机坐标系的参数，即要通过矩阵转换，协调世界坐标系和摄相机坐标系的相对位姿，标定后左右双目高速面阵相机光轴方向保持平行。

可以通过找到线激光在图像中的对应像素重建出光心与像素的射线，射线与激光平面的交点即为待求的三维空间点。空间中的点在经过校正后的双目相机图像上的映射关系，推导出深度公式。

实测结果的标定，每隔5cm计算一次深度信息，对比实际测量数据，使用拟合多项式的方法，对结果进行标定；在以后的测量过程中，最后的深度计算结果是，公式计算出深度数据后，再迭代上拟合多项式之后的结果，精度相对较高。

如图5所示，本申请实施例还可以提供一种主动式双目测量装置，包括：

支撑板1，所述支撑板1用于承载各部件；

一字线激光器2，所述一字线激光器2的光线行进路径中配置有反射式旋转振镜3；所述一字线激光器2用于实现以垂直于被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；

两部相机4，两部所述相机4分别位于所述一字线激光器2的两侧；两部所述相机4用于对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像。

进一步的，所述相机为大视场面阵相机。

进一步的，两部所述面阵相机光轴方向保持平行。

总之，本申请提供的方法，利用线结构光与双目成像相结合，以反射式旋转振镜辅助的方法实现高精度、非接触式测量，能够快速给出测量目标的长、宽、高，可应用于生产线、仓储、物流等需要反馈体积大小的地方。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种主动式双目测量方法，其特征在于，所述方法包括：

使用线光源扫描被测物件，以垂直于所述被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；

采用位于所述线光源两侧的两部面阵相机对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像；

将所述双目影像经过极线校正后再进行双目稠密匹配，重建出对应深度图，实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。

2.根据权利要求1所述的主动式双目测量方法，其特征在于，所述线光源的传输路径中配置有反射式旋转振镜，所述反射式旋转振镜用于实现辅助所述线光源的移动。

3.根据权利要求1所述的主动式双目测量方法，其特征在于，基于激光三角测量方法实现对所述被测物件的长、宽、高三个方向的尺寸测量。

4.根据权利要求3所述的主动式双目测量方法，其特征在于，两部所述面阵相机以及所述线光源之间的角度以及位置关系为预先标定的已知量。

5.根据权利要求4所述的主动式双目测量方法，其特征在于，标定单目摄像机的等效焦距及投影平面中心在靶平面中的坐标；

确定参数是外部参数，所述外部参数包括描述世界坐标系和面阵相机坐标系的参数，通过矩阵转换，协调世界坐标系和面阵相机坐标系的相对位姿，标定后确保两部所述面阵相机光轴方向保持平行；

找到线激光在图像中的对应像素重建出光心与像素的射线，射线与激光平面的交点即为待求的三维空间点；根据三维空间点在经过校正后的在两部所述面阵相机图像上的映射关系，推导出深度公式。

6.根据权利要求5所述的主动式双目测量方法，其特征在于，实测结果的标定，每隔5cm计算一次深度信息，对比实际测量数据，使用拟合多项式的方法，对结果进行标定；采用所述深度公式计算出深度数据后，再迭代上拟合多项式之后的结果。

7.根据权利要求6所述的主动式双目测量方法，其特征在于，

所述深度公式为：

计算可得，

z＝hl-tan(α)*(d+y)

x＝(hc-z)*tan(θ)

式中：

hl：线激光相对于测量基线的高度；

hc：面阵相机相对于测量基线的高度；

d：面阵相机与线激光在水平方向上的距离；

x：成像点距离相机轴水平方向上的距离；

y：成像点距离面阵相机轴垂直方向上的距离；

z：成像点距离测量基面的高度；

α：为线激光与水平方向夹角；

β：为成像点与面阵相机轴垂直方向上的夹角；

θ：为成像点与面阵相机轴水平方向上的夹角。

8.一种主动式双目测量装置，其特征在于，包括：

支撑板，所述支撑板用于承载各部件；

一字线激光器，所述一字线激光器的光线行进路径中配置有反射式旋转振镜；所述一字线激光器用于实现以垂直于被测物件的两个面的交线的方向对所述被测物件进行打光；

两部相机，两部所述相机分别位于所述一字线激光器的两侧；两部所述相机用于对所述被测物件的打光区域进行成像获得双目影像。

9.根据权利要求8所述的主动式双目测量装置，其特征在于，所述相机为大视场面阵相机。

10.根据权利要求8所述的主动式双目测量装置，其特征在于，两部所述面阵相机光轴方向保持平行。

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