CN111998797A - 一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法 - Google Patents

一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法 Download PDF

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CN111998797A CN202010700263.9A CN202010700263A CN111998797A CN 111998797 A CN111998797 A CN 111998797A CN 202010700263 A CN202010700263 A CN 202010700263A CN 111998797 A CN111998797 A CN 111998797A
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Abstract

本发明公开了一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，本发明依据零件数模规划拍照式三维扫描仪的扫描轨迹，既降低对工人经验的依赖，又能提高采集效率；同时，本发明规划的轨迹也能作为拍照式三维扫描仪在五轴机床等自动化设备上集成应用，进而实现自动化测量的支撑条件。本发明将所有节点进行优化连线，按照此顺序连接，既能保证每一个节点处拍摄的照片都能与已经采集的照片实现拼接进而避免拼接失败，又能保证最短的移动路径、提高效率。

Description

一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法
技术领域
本发明属于三维扫描的技术领域，具体涉及一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法。
背景技术
随着现代工业制造水平的发展，产品零件大量采用不规则复杂曲面，其设计、生产、检测等环节需要进行大量的三维曲面实体数字化和三维扫描，迫切需要快速、高效的三维扫描技术。拍照式三维扫描仪可以通过对多角度、多相机的外差式多频相移等技术处理，求解扫描局部的点云；通过多次拍摄、多幅照片重合局部的纹理或者表面标记点的识别，实现多个局部点云的拼接，进而实现大型零件的整个表面信息的数字化采集。相对于传统的非接触式线扫描和接触式探针扫描而言，拍照式三维扫描方法不需要依赖高精度五轴机床提供测量设备的定位需求，因此测量精度不会受机床精度的限制。
目前的拍照式三维扫描仪主要是依赖人工进行多幅照片的采集，在采集的过程中依据熟练工人的经验来判断每一幅采集照片的拍摄角度和位置，并通过反复的人工调整实现最终多幅照片的采集和拼接。在此过程中，存在两个局限：
1)依赖工人经验，则需要耗费长时间、高成本进行工人培训；
2)在采集过程中，如果相邻照片之间重合局部过小，则相同的纹理或标记点信息不足，导致拼接失败，需要进行照片采集的距离调整；重合局部过大，则意味着相邻照片之间的距离小，采集大型零件的整个表面信息时需要拍摄更多幅照片。
因此，依赖人工模式下，不论是反复调整、逐渐缩小相邻照片距离还是直接以小距离采集照片，都会导致采集效率低下。将拍照式三维扫描仪集成到五轴机床或机械臂等自动化设备上可以解决人工测量带来的局限，但是目前缺乏拍照式三维扫描仪安装在自动化设备上后的扫描轨迹规划方法，无法支撑设备自动运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，本发明依据零件数模规划拍照式三维扫描仪的扫描轨迹，既降低对工人经验的依赖，又能提高采集效率；同时，本发明规划的轨迹也能作为拍照式三维扫描仪在五轴机床等自动化设备上集成应用，进而实现自动化测量的支撑条件。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：标定实际单幅有效范围；以标定的实际单幅有效范围为依据，进行多幅照片的采集并拼接合成最终零件的待测曲面；
步骤S2：求解待测曲面的最扁包络方向；
步骤S3：求解初始引导线和一次引导线；过待测曲面上距离最远的两个点、沿最扁包络方向建立初始引导面，初始引导面与待测曲面相交产生初始引导线；以D1为间隔，建立平行初始引导面的平行面组作为一次引导面；一次引导面与待测曲面的交线为一次引导线；
步骤S4：求解初始节点及初始节点处的测量方向；在初始引导线上，从一个端点出发，以D2为间隔取点，得到初始节点，在任意初始节点Pi处，初始节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000021
由初始引导线在各初始节点处的法向量
Figure BDA0002592762170000022
和
Figure BDA0002592762170000023
按权重相加得到；
步骤S5：拼接检查及修正初始引导线上相邻的初始节点；
步骤S6：求解二次引导线、二次节点及其测量方向；任意二次节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000024
由节点所在的二次引导线在该节点处的法向量
Figure BDA0002592762170000025
和该二次引导线上的初始节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000026
按权重相加得到；
步骤S7：拼接检查及修正各条二次引导线上相邻的二次节点，并修正产生二次修正点；
步骤S8：拼接检查及修正各条一次引导线上相邻的二次节点，并修正产生一次修正点；
步骤S9：反解所有节点对应的三维扫描位姿，
步骤S10：将所有节点进行优化连线；连线从初始引导线的一个端点开始，沿引导线按往复的形式依次连接初始节点、初始引导线上方逐渐远离初始引导线的一次引导线上的二次节点及一次修正点、初始引导线下方逐渐远离初始引导线的一次引导线上的二次节点及一次修正点；在连线的过程中，如果节点在二次引导线上靠近初始引导线的一侧的相邻节点为二次修正点，则需要先按照远离初始引导线的方向连接这些二次修正点，再继续连接本一次引导线上的下一个二次节点；
步骤S11：按照节点优化连线的顺序，连接节点对应的三维扫描仪位姿，得到三维扫描仪的轨迹。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S3中，D1＝K1·B，其中：
Figure BDA0002592762170000027
其中，H为相机景深，所述Hmin为最小包络距离。
为了更好地实现本发明，进一步的，初始节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000031
如下：
Figure BDA0002592762170000032
其中，
Figure BDA0002592762170000033
为最扁包络方向。
为了更好地实现本发明，进一步的，二次节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000034
如下：
Figure BDA0002592762170000035
为了更好地实现本发明，进一步的，引导线上相邻节点的拼接检查及修正：以引导线上的节点为对称中心，建立长L、高H且高与该节点的测量方向平行的矩形；其中，若该引导线为初始引导线或一次引导线，则L＝A；若引导线为二次引导线，则L＝B；两个相邻节点的矩形投影分别和引导线段相交得到两条引导线的曲线段，若这两条曲线段有交集，则这两个相邻节点拼接良好；否则会出现拼接失败，取该曲线段的中点作为新的节点进行修正，并检查其与相邻节点的拼接状况，直至该引导线上所有相邻节点均满足拼接的条件。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S1中，以单幅照片范围长A0、宽B0方向能够拼接的最大间距为长A、宽B，以三维扫描仪的景深为高H，以三维扫描仪的焦点为对称中心，得到的长方体范围作为标定的三维扫描仪的实际单幅有效范围。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S1中，调整两幅照片之间的距离的方法为：先采集第一副照片，沿单幅照片范围的长A0的方向平移三维扫描仪A0距离，以二分法依次平移三维扫描仪A0/2、A0/4、A0/8、A0/16……并拍照；若前一次拍照能与第一副照片拼接则二分法的平移方向为远离第一副照片，则向靠近第一副照片的方向，直至平移的距离不大于A0/16且拍摄的照片能与第一副照片拼接，此时三维扫描仪与拍摄第一副照片时的距离A；使用相同的方法得到B。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤S9中，令三维扫描仪的单幅照片范围的宽的方向平行二次引导面、三维扫描仪的焦点与节点重合、单幅照片范围指向摄像头和的法线与节点的测量方向重合，可以得到该节点下三维扫描仪位姿状态的两个解，取与相邻节点的三维扫描仪位姿变化更小的一个解作为该节点下的三维扫描仪位姿。
为了更好地实现本发明，进一步的，建立坐标系OXYZ；坐标系原点在单幅照片范围的中心，即拍照式三维扫描仪的焦点；X轴平行两个摄像头连线方向并指向第二摄像头；Z轴垂直单幅照片范围平面指向相机支架，与坐标系原点到三维扫描仪中心的连线重合，连线长度作为焦距Df给出；依据右手笛卡尔坐标系建立Y轴。
本发明的有益效果：
(1)本发明依据零件数模规划拍照式三维扫描仪的扫描轨迹，既降低对工人经验的依赖，又能提高采集效率；同时，本发明规划的轨迹也能作为拍照式三维扫描仪在五轴机床等自动化设备上集成应用，进而实现自动化测量的支撑条件。
(2)以标定的实际单幅有效范围为依据，进行多幅照片的采集并拼接合成最终零件的待测曲面，既能保证多幅照片采集的待测曲面数据之间可以相互拼接，又能避免相邻照片交叠过多导致的待测曲面的局部重复采集、测量效率较高。
(3)将所有节点进行优化连线，按照此顺序连接，既能保证每一个节点处拍摄的照片都能与已经采集的照片实现拼接进而避免拼接失败，又能保证最短的移动路径、提高效率。
附图说明
图1为拍照式三维扫描仪的工作示意图；
图2为单幅成像拼接示意图；
图3为实际单幅有效范围的标定方法；
图4为确定零件的待测曲面的最扁包络方向的示意图；
图5为初始引导线和一次引导线的建立示意图；
图6为初始节点及初始节点的测量方向的求解示意图；
图7为引导线上相邻节点拼接检查及修正对比图；
图8为二次引导线、二次节点及其测量方向的求解示意图；
图9为依据节点及其测量方向反解三维扫描仪空间位姿的示意图；
图10为节点的优化连线示意图；
图11为节点优化连线的移动示意图。
其中：1.1-单幅照片范围、1.2-第一摄像头、1.3-第二摄像头、1.4-实际焦平面单幅有效范围、1.5-最小拼接交叉区域、1.6-上极限景深、1.7-下景深极限、1.8-实际单幅有效范围、2.1-待测曲面、2.2-第一平面、2.3-第二平面、2.4-最扁包络方向、3.1-初始引导线、3.2-一次引导线、3.3-初始引导面、3.4-一次引导面、4.1-初始节点、6.1-二次引导线、6.2-二次节点、6.3-二次引导面、1.10-相机支架、1.11-坐标系OXYZ、1.12-测量方向
Figure BDA0002592762170000041
1.11.1-X轴、1.11.2-Y轴、1.11.3-Z轴、1.11.4-坐标系原点、1.9-连线、7.1-二次修正点、7.2-一次修正点。
具体实施方式
实施例1：
一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：标定实际单幅有效范围1.8；
步骤S2：求解待测曲面2.1的最扁包络方向2.4；
步骤S3：求解初始引导线3.1和一次引导线3.2；
步骤S4：求解初始节点4.1及初始节点4.1处的测量方向；
步骤S5：拼接检查及修正初始引导线3.1上相邻的初始节点4.1；
步骤S6：求解二次引导线6.1、二次节点6.2及其测量方向；
步骤S7：拼接检查及修正各条二次引导线6.1上相邻的二次节点6.2；
步骤S8：拼接检查及修正各条一次引导线3.2上相邻的二次节点6.2；
步骤S9：反解所有节点对应的三维扫描位姿，
步骤S10：将所有节点进行优化连线；
步骤S11：按照节点优化连线的顺序，连接节点对应的三维扫描仪位姿，得到三维扫描仪的轨迹。
本发明依据零件数模规划拍照式三维扫描仪的扫描轨迹，既降低对工人经验的依赖，又能提高采集效率；同时，本发明规划的轨迹也能作为拍照式三维扫描仪在五轴机床等自动化设备上集成应用，进而实现自动化测量的支撑条件。
实施例2：
一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：如图1-3所示，标定实际单幅有效范围1.8；分别沿拍照式三维扫描仪的单幅照片范围1.1的长A0、宽B0方向，调整两幅照片之间的距离，并观察两幅照片是否能够完成拼接，以单幅照片范围1.1长A0、宽B0方向能够拼接的最大间距为长A、宽B，以三维扫描仪的景深为高H，以三维扫描仪的焦点为对称中心，得到的长方体范围作为标定的三维扫描仪的实际单幅有效范围1.8；
步骤S2：如图4所示，求解待测曲面2.1的最扁包络方向2.4，求解两个相互平行且间距最小的平面，使零件的待测曲面2.1完全在这两个平面之间，两个平面的法向即为待测曲面2.1的最扁包络方向2.4(
Figure BDA0002592762170000051
)，此时两个平面之间的距离为最小包络距离Hmin；
步骤S3：如图5所示，求解初始引导线3.1和一次引导线3.2；过待测曲面2.1上距离最远的两个点、沿
Figure BDA0002592762170000061
方向建立初始引导面3.3，初始引导面3.3与待测曲面2.1相交产生初始引导线3.1；按照D1＝K1·B，将B缩小得到D1，以D1为间隔，建立平行初始引导面3.3的平行面组作为一次引导面3.4；一次引导面3.4与待测曲面2.1相交得到一次引导线3.2；
步骤S4：如图6所示，求解初始节点4.1及初始节点4.1处的测量方向；在初始引导线3.1上，从一个端点出发以D2＝K1·A为间隔取点列得到初始节点4.1，各初始节点4.1的测量方向向量
Figure BDA0002592762170000062
由初始引导线3.1在各初始节点4.1处的法向量
Figure BDA0002592762170000063
和
Figure BDA0002592762170000064
按权重相加得到；
步骤S5：拼接检查及修正初始引导线3.1上相邻的初始节点4.1；
步骤S6：如图8所示，求解二次引导线6.1、二次节点6.2及其测量方向；沿
Figure BDA0002592762170000065
垂直初始引导面3.3、依次过各个初始节点4.1建立平行面组作为二次引导面6.3，二次引导面6.3与待测曲面2.1的相交得到二次引导线6.1，二次引导线6.1与一次引导线3.2相交得到二次节点6.2；任意二次节点6.2的测量方向
Figure BDA0002592762170000066
由该节点所在的二次引导线6.1在该节点处的法向量
Figure BDA0002592762170000067
和该二次引导线6.1上的初始节点4.1的测量方向
Figure BDA0002592762170000068
按权重相加得到；
步骤S7：拼接检查及修正各条二次引导线6.1上相邻的二次节点6.2，并修正产生二次修正点7.1；
步骤S8：拼接检查及修正各条一次引导线3.2上相邻的二次节点6.2，并修正产生一次修正点7.2；
步骤S9：如图9所示，反解所有节点对应的三维扫描位姿，令三维扫描仪的单幅照片范围1.1的宽的方向平行二次引导面6.3、三维扫描仪的焦点与节点重合、单幅照片范围1.1指向摄像头和的法线与节点的测量方向重合，可以得到该节点下三维扫描仪位姿状态的两个解，取与相邻节点的三维扫描仪位姿变化更小的一个解作为该节点下的三维扫描仪位姿；
步骤S10：如图10-图11所示，将所有节点进行优化连线；将所有节点进行优化连线，连线从初始引导线3.1的一个端点开始，沿引导线按往复的形式依次连接初始节点4.1、初始引导线3.1上方逐渐远离初始引导线3.1的一次引导线3.2上的二次节点6.2及一次修正点7.2、初始引导线3.1下方逐渐远离初始引导线3.1的一次引导线3.2上的二次节点6.2及一次修正点7.2；在连线的过程中，如果节点在二次引导线6.1上靠近初始引导线3.1的一侧的相邻节点为二次修正点7.1，则需要先按照远离初始引导线3.1的方向连接这些二次修正点7.1，再继续连接本一次引导线3.2上的下一个二次节点6.2；其中，二次修正点7.1为(7)修正的过程中产生的新节点，一次修正点7.2为(8)修正的过程中产生的新节点；
步骤S11：按照节点优化连线的顺序，连接节点对应的三维扫描仪位姿，得到三维扫描仪的轨迹。
优选地，引导线上相邻节点的拼接检查及修正方法为：以引导线上的节点为对称中心，建立长×高＝L×H且高与该节点的测量方向平行的矩形；其中，若该引导线为初始引导线3.1或一次引导线3.2，则L＝A；若引导线为二次引导线6.1，则L＝B；两个相邻节点的矩形投影分别和引导线段相交得到两条引导线的曲线段，若这两条曲线段有交集则这两个相邻节点拼接良好；否则会出现拼接失败，则两个相邻节点之间的引导线曲线段上存在一条不被两个矩形包含的曲线段，取该曲线段的中点作为新的节点进行修正，并检查其与相邻节点的拼接状况，直至该引导线上所有相邻节点均满足拼接良好的条件；
优选地，调整两幅照片之间的距离的方法为：先采集第一副照片，沿单幅照片范围1.1的长A0的方向平移三维扫描仪A0距离，以二分法依次平移三维扫描仪A0/2、A0/4、A0/8、A0/16……并拍照；若前一次拍照能与第一副照片拼接则二分法的平移方向为远离第一副照片，反正则向靠近第一副照片的方向，直至平移的距离不大于A0/16且拍摄的照片能与第一副照片拼接，此时三维扫描仪与拍摄第一副照片时的距离A；使用相同的方法得到B。
优选地，比例系数K1的求解方法为：
Figure BDA0002592762170000071
优选地，
Figure BDA0002592762170000072
和
Figure BDA0002592762170000073
权重分配方法为：
Figure BDA0002592762170000074
优选地，
Figure BDA0002592762170000075
和
Figure BDA0002592762170000076
权重分配方法为：
Figure BDA0002592762170000077
优选地，优化连线，在初始引导线3.1上方二次节点6.2连接到下方的二次节点6.2的对应的三维扫描仪轨迹中，三维扫描仪需上抬到安全距离以上；在安全距离以上的轨迹可以以尽量大的速度移动，其他轨迹需要限速至不引起三维扫描仪振动的速度以内。
通过本发明提供的方法可以依据数模自动得到拍照式三维扫描仪轨迹，该轨迹作为人工拍摄的指导既能降低对工人经验的依赖，又能提高采集效率；规划的轨迹也能作为拍照式三维扫描仪在五轴机床等自动化设备上集成应用进而实现自动化测量的支撑条件。
实施例3：
一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，主要包括以下步骤：
如图1-3所示，拍照式三维扫描仪通过至少两个摄像头，即第一摄像头1.2和第二摄像头1.3可以实现一定范围内的曲面的空间点云求解，该范围即为拍照式三维扫描仪的单幅照片范围1.1(长×宽×高＝A0×B0×H)。拍照式三维扫描仪的单幅照片范围1.1一般小于零件的待测曲面2.1的尺寸，因此需要多个单幅成像进行拼接，则需要多幅拍摄的相邻两个单幅照片范围1.1之间必须有最小拼接交叉区域1.5，则单幅照片范围1.1减去即为实际焦平面单幅有效范围1.4；相机景深设为H，则在焦平面上下各H/2的距离有上极限景深1.6和下景深极限1.7，两个景深极限之间形成的长方体包络区域(长×宽×高＝A×B×H)(A≥B)即为实际单幅有效范围1.8。
具体的A、B求解方式为：先采集第一副照片，沿单幅照片的长A0的方向平移三维扫描仪A0距离，以二分法依次平移三维扫描仪A0/2、A0/4、A0/8、A0/16……并拍照；若前一次拍照能与第一副照片拼接则二分法的平移方向为远离第一副照片，反正则向靠近第一副照片的方向，直至平移的距离不大于A0/16且拍摄的照片能与第一副照片拼接，此时三维扫描仪与拍摄第一副照片时的距离A；使用相同的方法得到B。以标定的实际单幅有效范围1.8为依据，进行多幅照片的采集并拼接合成最终零件的待测曲面2.1，既能保证多幅照片采集的待测曲面2.1数据之间可以相互拼接，又能避免相邻照片交叠过多导致的待测曲面2.1的局部重复采集、测量效率降低。
如图4所示，求解两个相互平行的平面——第一平面2.2和第二平面2.3，使待测曲面2.1完全在第一平面2.2和第二平面2.3之间，且此时这第一平面2.2和第二平面2.3之间的距离最小。此时，平面的法向即为待测曲面2.1的最扁包络方向2.4(
Figure BDA0002592762170000081
)2.4，此时两个平面第一平面2.2和第二平面2.3之间的距离为最小包络距离Hmin。
如图5所示，过待测曲面2.1上距离最远的两个点、沿最扁包络方向2.4建立初始引导面3.3，初始引导面3.3与待测曲面2.1相交产生初始引导线3.1。以D1为间隔，建立平行初始引导面3.3的平行面组作为一次引导面3.4。一次引导面3.4与待测曲面2.1的交线为一次引导线3.2。D1＝K1·B，其中：
Figure BDA0002592762170000091
如图6所示，在初始引导线3.1上，从一个端点出发，以D2为间隔取点，得到初始节点4.1P1，P2，…，Pn，初始引导线3.1在各初始节点4.1处的法向量依次为
Figure BDA0002592762170000092
Figure BDA0002592762170000093
在任意初始节点4.1Pi处，初始节点4.1的测量方向
Figure BDA0002592762170000094
其中：
Figure BDA0002592762170000095
初始节点4.1的测量方向
Figure BDA0002592762170000096
由初始引导线3.1在该节点上的法向量经过最扁包络方向2.4修正而成，以保证在每一幅照片采集到的待测曲面2.1的区域尽量大的基础上，相邻照片可以尽量实现拼接。
如图7所示，其中图7(a)为拼接良好的示意图，图7(b)为拼接失败时拼接修正的示意图。对于任意一条引导线上的任意两个相邻节点Pi和P(i+1)，其测量方向分别为
Figure BDA0002592762170000097
和
Figure BDA0002592762170000098
则在各节点处的单幅有效范围1.8在产生引导线的引导面上的投影为一个长L、高H的矩形。其中，若该引导线为初始引导线3.1或一次引导线3.2，则L＝A；若引导线为二次引导线6.1，则L＝B。两个节点的矩形投影分别和引导线相交，得到交点Oi和O(i+1)。若交点O(i+1)在曲线段PiOi上，则这两个相邻节点拼接良好；否则可能出现拼接失败，则在曲线段OiO(i+1)的中点添加一个额外的节点P(i+0.5)，重新求解增加节点的测量方向并检查其与相邻节点的拼接状况，直至该引导线上所有相邻节点均满足拼接良好的需求。
如图8所示，在初始引导线3.1完成邻节点拼接检查及修正后，沿最扁包络方向2.4、垂直初始引导面3.3、依次过各个初始节点4.1建立平行面组作为二次引导面6.3，二次引导面6.3与待测曲面2.1的交线为二次引导线6.1，二次引导线6.1与一次引导线3.2产生的交点即为二次节点6.2。各条二次引导线6.1上的二次节点6.2的测量方向与初始节点4.1的测量方向求解方式类似，只是将修正向量由最扁包络方向2.4调整为在该二次引导线6.1上的初始节点4.1的测量方向向量，即：在i条二次引导线6.1(即过第i个初始节点4.1的二次引导线6.1)上，对于第j个二次节点6.2而言，设过该节点的引导线法向量为
Figure BDA0002592762170000101
设第j个初始节点4.1的测量方向为
Figure BDA0002592762170000102
则该节点的测量方向
Figure BDA0002592762170000103
为：
Figure BDA0002592762170000104
如图9所示，拍照式三维扫描仪在出厂时已经确定了两个摄像头——第一摄像头1.2和第二摄像头1.3、相机支架1.10与单幅照片范围1.1之间的位置关系，可以据此建立与摄像头及坐标系OXYZ1.11。坐标系原点1.11.4在单幅照片范围1.1的中心，即拍照式三维扫描仪的焦点；X轴1.11.1平行两个摄像头连线方向并指向第二摄像头1.3；Z轴1.11.3垂直单幅照片范围1.1平面指向相机支架1.10，与坐标系原点1.11.4到三维扫描仪中心的连线1.9重合，连线长度在三维扫描仪出厂时一般作为焦距Df给出；依据右手笛卡尔坐标系建立Y轴1.11.2。因此求解出了OXYZ1.11后，将相机沿即Z轴1.11.3平移Df为可以得到相机的位姿。
对于任意节点Pj，在求解出其空间坐标及其测量方向
Figure BDA0002592762170000105
1.12、二次引导面6.36.2后，令坐标系原点1.11.4与节点重合、Y轴1.11.2平行二次引导面6.36.2、Z轴1.11.3与
Figure BDA0002592762170000106
1.12重合，即可得到OXYZ1.11的两个解，设两个解的X轴1.11.1的方向向量分别为
Figure BDA0002592762170000107
和
Figure BDA0002592762170000108
上一个节点P(j-1)的X轴1.11.1的方向向量为
Figure BDA0002592762170000109
则选取
Figure BDA00025927621700001010
和
Figure BDA00025927621700001011
中与
Figure BDA00025927621700001012
夹角小的一个坐标系作为该节点的三维扫描仪的空间位姿的解。
如图10-图11所示，步骤7产生的为二次修正点7.1，步骤8产生的修正点为一次修正点7.2。连线从初始引导线3.1的一个端点开始，沿引导线按往复的形式依次连接初始引导线3.1上的初始节点4.1、初始引导线3.1上方逐渐远离初始引导线3.1的一次引导线3.2上的二次节点6.2(含一次修正点7.2)、初始引导线3.1下方逐渐远离初始引导线3.1的一次引导线3.2上的二次节点6.2(含一次修正点7.2)。在连线的过程中，如果节点在二次引导线6.1上靠近初始引导线3.1的一侧的相邻节点为二次修正点7.1，则需要先按照远离初始引导线3.1的方向连接这些二次修正点7.1，再继续连接本一次引导线3.2上的下一个二次节点6.2。按照此顺序连接，既能保证每一个节点处拍摄的照片都能与已经采集的照片实现拼接进而避免拼接失败，又能保证最短的移动路径、提高效率。
在初始引导线3.1上方二次节点6.2连接到下方的二次节点6.2前，需要将先上抬三维扫描仪至安全距离后，然后移动到下方的二次节点6.2的安全距离上方，再下降三维扫描仪至该节点对应的位姿，以避免碰撞干涉。在安全距离上方移动的过程中(虚线轨迹)，可以使用最快的移动速度移动以提高采集效率；在其他移动中(实线轨迹)，使用相对慢的移动速度移动以避免相机振动导致照片采集失败。在轨迹上的所有节点(包含二次修正点7.1)处，都需要暂停三维扫描仪的运动进行拍照，拍照完成后再继续移动。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤S1：标定实际单幅有效范围；以标定的实际单幅有效范围为依据，进行多幅照片的采集并拼接合成最终零件的待测曲面；
步骤S2：求解待测曲面的最扁包络方向；
步骤S3：求解初始引导线和一次引导线；过待测曲面上距离最远的两个点、沿最扁包络方向建立初始引导面，初始引导面与待测曲面相交产生初始引导线；以D1为间隔，建立平行初始引导面的平行面组作为一次引导面；一次引导面与待测曲面的交线为一次引导线；
步骤S4：求解初始节点及初始节点处的测量方向；在初始引导线上，从一个端点出发，以D2为间隔取点，得到初始节点，在任意初始节点Pi处，初始节点的测量方向
Figure FDA0002592762160000011
由初始引导线在各初始节点处的法向量
Figure FDA0002592762160000012
和
Figure FDA0002592762160000013
按权重相加得到；
步骤S5：拼接检查及修正初始引导线上相邻的初始节点；
步骤S6：求解二次引导线、二次节点及其测量方向；任意二次节点的测量方向
Figure FDA0002592762160000014
由节点所在的二次引导线在该节点处的法向量
Figure FDA0002592762160000015
和二次引导线上的初始节点的测量方向
Figure FDA0002592762160000016
按权重相加得到；
步骤S7：拼接检查及修正各条二次引导线上相邻的二次节点，并修正产生二次修正点；
步骤S8：拼接检查及修正各条一次引导线上相邻的二次节点，并修正产生一次修正点；
步骤S9：反解所有节点对应的三维扫描位姿，
步骤S10：将所有节点进行优化连线；连线从初始引导线的一个端点开始，沿引导线按往复的形式依次连接初始节点、初始引导线上方逐渐远离初始引导线的一次引导线上的二次节点及一次修正点、初始引导线下方逐渐远离初始引导线的一次引导线上的二次节点及一次修正点；在连线的过程中，如果节点在二次引导线上靠近初始引导线的一侧的相邻节点为二次修正点，则需要先按照远离初始引导线的方向连接这些二次修正点，再继续连接本一次引导线上的下一个二次节点；
步骤S11：按照节点优化连线的顺序，连接节点对应的三维扫描仪位姿，得到三维扫描仪的轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S3中，D1＝K1·B，其中：
Figure FDA0002592762160000021
其中，H为相机景深，Hmin为最小包络距离。
3.根据权利要求2所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，初始节点的测量方向
Figure FDA0002592762160000022
如下：
Figure FDA0002592762160000023
其中，
Figure FDA0002592762160000024
为最扁包络方向。
4.根据权利要求3所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，二次节点的测量方向
Figure FDA0002592762160000025
如下：
Figure FDA0002592762160000026
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，引导线上相邻节点的拼接检查及修正：以引导线上的节点为对称中心，建立长L、高H且高与该节点的测量方向平行的矩形；其中，若该引导线为初始引导线或一次引导线，则L＝A；若引导线为二次引导线，则L＝B；两个相邻节点的矩形投影分别和引导线段相交得到两条引导线的曲线段，若这两条曲线段有交集，则这两个相邻节点拼接良好；否则会出现拼接失败，取该曲线段的中点作为新的节点进行修正，并检查其与相邻节点的拼接状况，直至该引导线上所有相邻节点均满足拼接的条件。
6.根据权利要求1所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S1中，以单幅照片范围长A0、宽B0方向能够拼接的最大间距为长A、宽B，以三维扫描仪的景深为高H，以三维扫描仪的焦点为对称中心，得到的长方体范围作为标定的三维扫描仪的实际单幅有效范围。
7.根据权利要求6所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S1中，调整两幅照片之间的距离：先采集第一副照片，沿单幅照片范围的长A0的方向平移三维扫描仪A0距离，以二分法依次平移三维扫描仪A0/2、A0/4、A0/8、A0/16……并拍照；若前一次拍照能与第一副照片拼接则二分法的平移方向为远离第一副照片，则向靠近第一副照片的方向，直至平移的距离不大于A0/16且拍摄的照片能与第一副照片拼接，此时三维扫描仪与拍摄第一副照片时的距离A；使用相同的方法得到B。
8.根据权利要求1所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S9中，令三维扫描仪的单幅照片范围的宽的方向平行二次引导面、三维扫描仪的焦点与节点重合、单幅照片范围指向摄像头和的法线与节点的测量方向重合，可以得到该节点下三维扫描仪位姿状态的两个解，取与相邻节点的三维扫描仪位姿变化更小的一个解作为该节点下的三维扫描仪位姿。
9.根据权利要求8所述的一种拍照式三维扫描仪的扫描轨迹规划方法，其特征在于，建立坐标系OXYZ；坐标系原点在单幅照片范围的中心，即拍照式三维扫描仪的焦点；X轴平行两个摄像头连线方向并指向第二摄像头；Z轴垂直单幅照片范围平面指向相机支架，与坐标系原点到三维扫描仪中心的连线重合，连线长度作为焦距Df给出；依据右手笛卡尔坐标系建立Y轴。
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