CN111637834A - 一种三维数据测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维数据测量装置及方法，装置包括线激光发射器、双目相机、陀螺仪、数据处理模块、显示屏、手动操作控制模块。方法包括利用线激光双目测量方法测定待测物体激光扫描线的三维数据；线激光完整扫描待测物体，利用线激光双目测量方法得到待测物体激光扫描线组中各激光扫描线的三维数据；利用陀螺仪获取测量装置的运动状态；建立激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系；根据对应关系处理数据得到待测物体轮廓三维数据并输出相关计算数据。本发明提供一种三维数据测量装置及方法，可以稳定可靠、方便快捷地获取待测物体三维数据；使用时便携性强，能适应不同的使用场景；不需限定线激光扫过待测物体的匀速运动状态，操作简单。

Description

一种三维数据测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工业检测技术领域，尤其涉及一种三维数据测量装置及方法。

背景技术

基于计算机视觉的双目立体测量是一个高效率的物体表面三维信息获取工具，在各个领域有广泛的应用前景，如在工业检测上，应用该技术可以对待测物体进行三维形貌测量，获取待测物体的三维几何信息。目前常用的双目立体测量方法是采用双目相机分别拍摄待测物体的左右图像，对所摄左右图像进行立体匹配，利用视差计算出待测物体的深度信息，进而得到待测物体的三维数据。当待测物体外形复杂或使用环境为烟雾、高温、黑暗等特殊环境时，待测物体边界模糊、纹理弱，上述方法难以获取稳定可靠的待测物体三维数据。

鉴于此，目前有一种线激光双目测量方法，利用线激光投射到待测物体表面留下轮廓激光线，再用双目相机摄取激光轮廓线以获取待测物体轮廓三维数据。当运动的线激光完全扫过待测物体时，从得到的激光轮廓线组中处理得到待测物体完整的三维数据。使用该种方法时要求线激光匀速扫过待测物体，按时序依次摄取带轮廓激光线的待测物体图像，经处理整合后得到待测物体轮廓激光线组，从而得到待测物体的三维数据，当线激光不匀速扫过待测物体时，得到的轮廓激光线组在时序上不具有一致性，而在进行数据处理时处理模块仍以为激光线均匀，最终导致获取错误的三维轮廓数据。为了保持线激光能匀速扫描待测物体，常常使用传送带、滑台、转台等驱动装置来使线激光与待测物体做相对匀速运动。由于这些装置的使用，在测定待测物体三维数据的实际使用中占据大量空间且操作繁琐，实用性不足。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提出一种三维数据测量装置及方法。具体内容如下：

本发明提供一种三维数据测量装置，包括：线激光发射器、双目相机、陀螺仪、数据处理模块、显示屏、手动操作控制模块。其中：

所述线激光发射器根据所述手动操作控制模块的控制指令发射线激光投射到待测物体，以获取待测物体激光扫描线；

所述双目相机获取带激光扫描线的待测物体左图像和右图像，其中所述双目相机的左摄像头和右摄像头的参数相同；

所述数据处理模块对所述带激光扫描线的待测物体左图像和右图像进行分析处理，得到待测物体激光扫描线的三维数据；

所述陀螺仪计算三维数据测量装置当前的运动速度以及线激光投射面与待测物体间的角度，得到激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系；

所述数据处理模块根据激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系，得到待测物体轮廓三维数据；

所述显示屏可以显示包括但不限于使用时生成的待测物体三维轮廓重构图像、轮廓重构图像上各点坐标、经计算得出的物体长、宽、高、周长、面积、体积数据。

本发明的一种三维数据测量装置，在某一实现方式中还包括壳体，所述线激光发射器、双目相机、陀螺仪、数据处理模块、手动操作控制模块位于所述壳体内部，显示屏位于所述壳体顶端。

本发明的一种三维数据测量装置，在某一实现方式中，还包括内置电源，各元件间通过电源线和数据传输线连接。

本发明的一种三维数据测量方法包括：利用线激光双目测量方法测定待测物体激光扫描线的三维数据；线激光完整扫描待测物体，利用线激光双目测量方法得到待测物体激光扫描线组中各激光扫描线的三维数据；利用陀螺仪获取测量装置的运动状态；建立激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系；根据对应关系处理数据得到待测物体轮廓三维数据并输出相关计算数据。

进一步地，所述线激光双目测量方法包括：对双目相机进行立体标定；通过双目相机的左摄像头和右摄像头分别获取待测物体的左图像和右图像；对获取的左图像和右图像进行立体校正，使校正后的左图像和右图像行对准；对校正后的左图像和右图像进行匹配得到线激光成像匹配点对；根据线激光成像匹配点对得到左右图像视差，根据左右图像视差计算该激光线投射处的待测物体轮廓三维数据。

进一步地，所述待测物体的左图像和右图像包含摄取图像时的时间信息，在左图像和右图像中标记为时间戳。

进一步地，根据左右图像视差计算该激光线投射处的待测物体轮廓三维数据，计算结果包含时间戳，时间戳与左图像和右图像中标记的时间戳相同。

进一步地，利用陀螺仪获取测量装置的运动状态包括测量装置运动时的运动速度以及线激光投射面与待测物体间的角度。

进一步地，建立激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系包括：

根据激光线投射处的待测物体激光扫描线的三维数据及陀螺仪记录的角度信息，计算待测物体在激光线投射处的实际高度数据：设上下表面激光线间距为L，物体实际高度为H，线激光投射面与待测物体间夹角为θ，则H＝Lsinθ；

根据时间戳及陀螺仪记录的设备运动速度信息，排列并整理待测物体激光扫描线组三维数据：指定投射到物体表面的第一根激光线作为初始线，记录该激光线上各激光点三维坐标，设备运动时，双目相机记下第一根激光线及下一根激光线的时间戳，计算两激光线时间间隔，另一方面，陀螺仪实时记录设备运动速度，在该段时间间隔内对速度进行积分，即得到运动的距离，从而可以确定下一根激光线在物体表面实际所处的位置，得到该处的实际三维数据。

本发明的有益效果是：提供一种三维数据测量装置及方法，可以稳定可靠、方便快捷地获取待测物体三维数据；使用时便携性强，能适应不同的使用场景；不需限定线激光扫过待测物体的匀速运动状态，操作简单。

附图说明

图1为本发明的一种三维数据测量方法流程图；

图2为本发明的一种三维数据测量装置一个实施例的结构示意图；

图3为本发明的一种三维数据测量装置一个实施例的结构另一角度示意图；

图4为计算待测物体在激光线投射处的实际高度数据示意图。

图中：1.壳体；2.线激光发射器；3.双目相机；4.显示屏。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，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在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-4为本发明的一种三维数据测量装置及方法，本发明所达到的技术效果是：提供一种三维数据测量装置及方法，可以稳定可靠、方便快捷地获取待测物体三维数据；使用时便携性强，能适应不同的使用场景；不需限定线激光扫过待测物体的匀速运动状态，操作简单。

本发明的一种三维数据测量装置在使用本发明的一种三维数据测量方法时的实施例具体方案包括：

(1)对双目相机进行立体标定。具体包括：

对双目相机的左摄像头和右摄像头分别进行标定，得到所述双目相机的内参矩阵A、所述左摄像头的旋转矩阵R₁和所述右摄像头的旋转矩阵R₂，以及所述左摄像头的平移向量T₁和所述右摄像头的平移向量T₂；

通过如下公式计算得到所述左摄像头和所述右摄像头之间的旋转矩阵R和平移向量T：

(2)打开本发明的三维数据测量装置，控制线激光发射器发出的线激光投射到待测物体。

(3)通过双目相机的左摄像头和右摄像头分别获取待测物体的带有时间戳的左图像和右图像。

(4)对获取的左图像和右图像进行立体校正，使校正后的左图像和右图像行对准。进行立体校正包括：

将所述旋转矩阵R分解为两个旋转矩阵r₁和r₂，其中r₁和r₂通过假设将所述左摄像头和所述右摄像头各旋转一半使所述左摄像头和所述右摄像头的光轴平行而得到；

对所述左图像和所述右图像进行行对准通过下式实现：

其中，R_rect为使行对准的旋转矩阵：

旋转矩阵R_rect由极点e₁方向开始，以所述左图像的原点为主，所述左摄像头至所述右摄像头的平移向量的方向为主点方向：

e₁与e₂正交，将e₁归一化到单位向量：

其中，T_x为平移向量T在双目相机所处平面内水平方向的分量，T_y为平移向量T在双目相机所处平面内竖直方向的分量；

e₃与e₁和e₂正交，e₃通过如下公式计算得到：

e₃＝e₂×e₁

根据上述旋转矩阵物理意义有：

其中，α表示为使行对准，所述左摄像头和所述右摄像头在其所处平面内需要旋转的角度，0≤α≤180°；对于所述左摄像头，使其绕e₃方向旋转α'，对于右相机，使其绕e₃方向旋转α”。

(5)对校正后的左图像和右图像进行匹配得到线激光成像匹配点对。具体包括：

根据三维数据测量装置及待测物体的位置，确定图像的处理区域ROI；

对校正后的左图像和校正后的右图像进行预处理，分别转换为左灰度图和右灰度图；

分别对所述左灰度图和所述右灰度图位于ROI内的部分进行水平扫描，计算每个扫描点的窗口能量：

其中，(x,y)表示扫描点坐标，也是计算窗口的中心坐标；n表示从所述左灰度图所选窗口中心到边缘的距离，I(x+i，y+j)表示图像坐标(x+i，y+j)处的图像灰度值；

每个扫描行E(x,y)的极大值处为线激光的成像处，根据线激光条数M，得到M个极值，按x坐标从左到右进行排序，记为(x，y)_k，k＝1，2，...M；

对所述左灰度图和所述右灰度图的坐标y相同的水平扫描行构成的水平极线进行扫描得到所述左灰度图和所述右灰度图的线激光成像点(X_L，y)_k和(x_R，y)_k，L和R分别表示左灰度图和右灰度图，左右序列中k相同的点构成匹配点对。

(6)根据线激光成像匹配点对得到左右图像视差，根据左右图像视差计算该激光线投射处的待测物体激光扫描线的三维坐标数据。具体包括：

第y行水平极线上线激光成像的视差通过如下公式计算：

d_yk＝x_L-x_R，k＝1，2，...M，

其中，d_yk为纵坐标为y的极线第k条激光成像点的视差；

根据双目相机的内参矩阵A、外参矩阵[R T]及如下公式计算得到待测物体轮廓各点在空间中的三维坐标(Z，X，Y)：

其中，f是外参矩阵[R T]中双目相机的焦距，B是内参矩阵A中所述左摄像头和所述右摄像头的间距，由标定信息给出；X_L-X_R为空间一点在所述左灰度图和所述右灰度图之间的视差，由匹配信息给出；(x，y)为待测物体轮廓点在成像平面上的坐标。

(7)根据激光线投射处的待测物体激光扫描线的三维数据及陀螺仪记录的角度信息，计算待测物体在激光线投射处的实际高度数据。具体包括：

如图4，当线激光斜着射向待测物体时，在物体上表面及下表面留下的激光线间距离并不是物体的实际高度，当通过陀螺仪测定夹角后，就能通过数学运算计算得到实际高度。设上下表面激光线间距为L，物体实际高度为H，夹角为θ，则H＝Lsinθ。经过数学运算可以实时算得上表面激光线投射处的物体高度数据。

(8)手持三维数据测量装置进行移动，使线激光发射器及双目相机扫过待测物体表面。

(9)重复上述步骤(3)～(6)，获取全部的待测物体激光扫描线组三维数据。

(10)重复上述步骤(7)，计算待测物体在全部激光线投射处的实际高度数据。

(11)根据时间戳及陀螺仪记录的设备运动速度信息，排列并整理待测物体激光扫描线组三维数据。具体包括：

指定投射到物体表面的第一根激光线作为初始线，记录该激光线上各激光点三维坐标。设备运动时，双目相机记下第一根激光线及下一根激光线的时间戳，计算两激光线时间间隔，另一方面，陀螺仪实时记录设备运动速度，在该段时间间隔内对速度进行积分，即得到运动的距离，从而可以确定下一根激光线在物体表面实际所处的位置，得到该处的实际三维数据。

(12)计算并输出待测物体三维数据。

输出的三维数据包括但不限于待测物体轮廓重构图像上各点坐标、经计算得出的物体长、宽、高、周长、面积、体积数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、改变、材料替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维数据测量装置，其特征在于，包括：线激光发射器、双目相机、陀螺仪、数据处理模块、显示屏、手动操作控制模块，其中：

所述线激光发射器根据所述手动操作控制模块的控制指令发射线激光投射到待测物体，以获取待测物体激光扫描线；

所述双目相机获取带激光扫描线的待测物体左图像和右图像，其中所述双目相机的左摄像头和右摄像头的参数相同；

所述数据处理模块对所述带激光扫描线的待测物体左图像和右图像进行分析处理，得到待测物体激光扫描线的三维数据；

所述陀螺仪计算三维数据测量装置当前的运动速度以及线激光投射面与待测物体间的角度，得到激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系；

所述数据处理模块根据激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系，得到待测物体轮廓三维数据；

所述显示屏可以显示包括但不限于使用时生成的待测物体三维轮廓重构图像、轮廓重构图像上各点坐标、经计算得出的物体长、宽、高、周长、面积、体积数据。

2.根据权利要求1所述的一种三维数据测量装置，其特征在于，包括壳体，所述线激光发射器、双目相机、陀螺仪、数据处理模块、手动操作控制模块位于所述壳体内部，显示屏位于所述壳体顶端。

3.根据权利要求1所述的一种三维数据测量装置，其特征在于，包括内置电源，各元件间通过电源线和数据传输线连接。

4.一种三维数据测量方法,其特征在于，包括：利用线激光双目测量方法测定待测物体激光扫描线的三维数据；线激光完整扫描待测物体，利用线激光双目测量方法得到待测物体激光扫描线组中各激光扫描线的三维数据；利用陀螺仪获取测量装置的运动状态；建立激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系；根据对应关系处理数据得到待测物体轮廓三维数据并输出相关计算数据。

5.根据权利要求4所述的线激光双目测量方法，其特征在于，包括：对双目相机进行立体标定；通过双目相机的左摄像头和右摄像头分别获取待测物体的左图像和右图像；对获取的左图像和右图像进行立体校正，使校正后的左图像和右图像行对准；对校正后的左图像和右图像进行匹配得到线激光成像匹配点对；根据线激光成像匹配点对得到左右图像视差，根据左右图像视差计算该激光线投射处的待测物体轮廓三维数据。

6.根据权利要求5所述的左图像和右图像，其特征在于，左图像和右图像包含摄取图像时的时间信息，在左图像和右图像中标记为时间戳。

7.根据权利要求5所述的根据左右图像视差计算该激光线投射处的待测物体轮廓三维数据，其特征在于，计算结果包含时间戳，时间戳与左图像和右图像中标记的时间戳相同。

8.根据权利要求4所述的利用陀螺仪获取测量装置的运动状态，其特征在于，运动状态包括：测量装置运动时的运动速度以及线激光投射面与待测物体间的角度。

9.根据权利要求4所述的建立激光扫描线组与测量装置运动状态之间的对应关系，其特征在于，包括：

根据激光线投射处的待测物体激光扫描线的三维数据及陀螺仪记录的角度信息，计算待测物体在激光线投射处的实际高度数据：设上下表面激光线间距为L，物体实际高度为H，线激光投射面与待测物体间夹角为θ，则H＝Lsinθ；

根据时间戳及陀螺仪记录的设备运动速度信息，排列并整理待测物体激光扫描线组三维数据：指定投射到物体表面的第一根激光线作为初始线，记录该激光线上各激光点三维坐标，设备运动时，双目相机记下第一根激光线及下一根激光线的时间戳，计算两激光线时间间隔，另一方面，陀螺仪实时记录设备运动速度，在该段时间间隔内对速度进行积分，即得到运动的距离，从而可以确定下一根激光线在物体表面实际所处的位置，得到该处的实际三维数据。

10.根据权利要求4所述的根据对应关系处理数据得到待测物体轮廓三维数据并输出相关计算数据，其特征在于，输出的相关计算数据包括但不限于待测物体轮廓重构图像上各点坐标、经计算得出的物体长、宽、高、周长、面积、体积数据。

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