CN112082511A - 一种基于转台的大物体快速标定测量方法 - Google Patents

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CN202010914112.3A
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钟可君
伏燕军
陈建斌
蔡晓奇
王庆
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Nanchang Hangkong University
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Nanchang Hangkong University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices

Abstract

本发明公开了一种基于转台的大物体快速标定测量方法，包括以下步骤：建立三维测量系统，系统要求CCD相机与参考平面垂直；接着对相机和投影仪进行标定，得到相机的内外参数，再把棋盘格水平放置于转台之上，相机利用倾斜的镜面拍到水平放置的棋盘格，步进电机控制转台旋转一周，相机采集若干幅棋盘格图像，利用Harris检测算法将若干幅棋盘格图像转换成若干幅角点图像，后将这些角点图像融合成一幅图像，采用椭圆拟合方法对运动轨迹进行拟合得到圆心，进而得到水平面的法向向量，同时利用棋盘格求解镜面的反射矩阵，用于待测物的顶部点云数据与其他视图的点云数据拼接融合，最终测出大物体的三维形貌的具体细节，本发明提高了测量速度，操作简单方便。

Description

一种基于转台的大物体快速标定测量方法
技术领域
本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于转台的大物体快速标定测量方法。
背景技术
结构光三维成像技术具有高精度、高速度和非接触式测量等优点，在工业检测、质量控制、3D打印、文物保护等领域得到广泛的应用。随着我国生产结构的工业化升级，对大型结构件三维测量的精度需求逐渐增加，在航空航天、大型船舶、汽车车身和轨道交通等加工制造、过程装备和产品检测环节均离不开快速三维精密测量来保证产品质量。
在传统的大物体测量方法中，顶部的三维形貌信息不易测得。通常需要相机与水平面有一定的倾斜角，在三维测量系统中，我们需要保证CCD相机的光轴垂直于参考平面，因此，我们在进行相机的垂直度标定变得困难许多。另外为了得到转台的旋转轴向量，需要使用一个垂直于转台的相机，或者把测量相机与水平面的夹角增大，前者需要额外的相机，后者在角度增大的情况下，也增加了相机标定的难度，都不是最优的方法。
充分考虑到上述情况后，本发明提出了一种使用平面镜辅助标定与测量的方法，可以省去垂直于转台平面的相机，同时，测量相机也不需要与水平面形成夹角，既节约了成本，也减小了相机标定的难度。该方法可极大地提高三维测量系统标定速度并且在桌面三维扫描仪领域将具有潜在的应用前景和实用价值。
发明内容
为得到被测物体的三维形貌信息，本发明在基于高精度电动转台的基础上，一种基于转台的大物体快速标定测量方法，包括以下步骤：
(1)建立三维测量系统：该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面；其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L；
(2)棋盘格标定板竖直放置，运用Harris角点检测算法检测相机所拍摄的棋盘格特定点的像素坐标值的差值来调整CCD相机光轴与参考平面达到垂直，并且对相机做标定，得到相机的内外参矩阵；
(3)撤去垂直放置的棋盘格标定板，水平放置于转台上，调节辅助镜面的高度与角度，角度调节成45°，高度据实际情况而定，直到相机可以从镜子里清楚地拍摄到待测物头顶为止；
(4)控制步进电机以一定的角度旋转一周，同时，相机拍摄棋盘格，利用Harris检测算法将若干幅棋盘格图像转换成若干幅角点图像，然后将这些角点图像融合成一幅图像。采用椭圆拟合方法对运动轨迹进行拟合得到圆心，进而得到水平面的法向向量。
(5)利用若干幅棋盘格得到转台的旋转轴向量的同时，利用镜面反射成像原理，得到镜面的反射矩阵。
(6)将水平放置的标定板撤去，并将待测物体放置于转台的合适位置，转台转一圈，相机拍摄物体一圈。解图、拼接、配准，得到待测物的三维形貌信息。
本发明的优点：(1)本发明运用一种借助镜面辅助的标定与测量方法，转台带动棋盘格就可以得到转台的旋转轴向量和镜面的反射矩阵，极大地提高了系统的测量速度；(2)由于借助了镜面的反射特性，省去了一个垂直转台平面的相机，简化相机的标定过程。(3)本发明在不需要额外的相机的情况下，省去了额外相机拍图解图的时间，减少了一些不可控的误差因素，提高了标定与测量精度。
附图说明
图1为本发明的三维测量结构图；
图2为本发明的相机垂直度标定图；
图3为本发明的相机的针孔成像模型；
图4为本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施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。
一种借助镜面辅助标定测量的方法包括以下步骤：
(1)建立三维测量系统。如图1所示，该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面；其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L，f0参考平面上产生的正弦条纹的频率，
Figure BDA0002664396780000032
物体表面图像与参考平面图像对应点之间的连续相位差，待测物体上一点相对于参考面的高度为h，可根据下式计算：
Figure BDA0002664396780000031
(2)垂直度标定。采用黑白相间的标准棋盘格进行垂直度标定，棋盘格格子为正方形，棋盘格紧贴参考平面放置。CCD相机采集棋盘格图像，黑白相间的格子形成了角点，使用Harris检测算法检测格子角点的像素坐标，使用像素坐标计算格子对应边的像素长度。由于CCD相机存在畸变，取相机视场中央的包含若干个格子的正方形进行测量，可以测量棋盘格的实际长度和像素长度，并进行像素当量标定。当满足AB＝CD，则CCD相机垂直与参考平面，如果AB！＝CD，则继续调整CCD相机的方向直至满足条件，一般来说标定误差不超过一个像素即可。标定完成后，需要固定CCD相机的位置，垂直度标定效果如图2所示。
(3)在投影仪和相机固定好之后，开始对相机标定，求出相机的内外参。相机的针孔成像模型如图3所示，假设一点P在世界坐标下的坐标为(Xw,Yw,Zw)，在相机坐标系下的坐标为(Xc,Yc,Zc)，点P在世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系为：
Figure BDA0002664396780000041
其中，R是一个3×3的正交矩阵，T是一个三维的平移向量。
假设每一个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸分别为Δx和Δy，光心的像素坐标是(u0,v0)，焦距为f，则P点世界坐标系(Xw,Yw,Zw)与其相对应的像素坐标系(u,v)之间的转换关系为：
Figure BDA0002664396780000042
Figure BDA0002664396780000051
Figure BDA0002664396780000052
其中，MI为相机的内参矩阵，ME为相机的外参矩阵。
(4)撤去垂直放置的棋盘格标定板，水平放置于转台上，调节辅助镜面的高度与角度，角度调节成45°，高度据实际情况而定，直到相机可以从镜子里清楚地拍摄到待测物头顶为止。
(5)控制步进电机以一定的角度旋转一周，同时，相机拍摄棋盘格，利用Harris检测算法将若干幅棋盘格图像转换成若干幅角点图像，然后将这些角点图像融合成一幅图像。采用椭圆拟合方法对运动轨迹进行拟合得到圆心，进而得到转台平面的法向向量。
求解原理如下：
假设有一组离散点Pi＝(xi,yi)，用最小二乘法求出方程误差ε的最小平方和J，并据此计算出最佳椭圆模型的参数。
Figure BDA0002664396780000053
E表示要拟合的椭圆，m是点的数量，g(Pi,E)是点Pi到E的最小距离。
假设E的方程为：
x2+Axy+By2+Cx+Dy+F＝0 (7)
如果J要最小，则需满足下列条件：
Figure BDA0002664396780000061
然后可以得到以下方程：
Figure BDA0002664396780000062
通过求解上述方程，可以得到最小二乘意义下的参数(A,B,C,D,F)。椭圆的中心(x_center,y_center)可由下式得到：
Figure BDA0002664396780000063
五个椭圆中心的平均值可以看作是旋转轴向量的起始点坐标：
Figure BDA0002664396780000064
取其垂直于转台平面的方向，便可得到旋转轴向量。
(5)利用若干幅棋盘格得到转台的旋转轴向量的同时，利用镜面反射成像原理，得到镜面的反射矩阵。
(6)将水平放置的标定板撤去，并将待测物体放置于转台的合适位置，转台转一圈，相机拍摄物体一圈。解图、拼接、配准，得到待测物的三维形貌信息。
以上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 (2)

1.一种基于转台的大物体快速标定测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立三维测量系统：该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面，其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L，同时调节CCD相机使其光轴垂直于参考平面；
(2)在参考面前面放置棋盘格标定板，移动不同的位置与角度，拍摄至少8幅图片，求解相机的内外参矩阵；
(3)撤去参考面，将棋盘格标定板水平放于转台中心上，调整镜子的角度与高度，此时高度可以根据实际情况而定，角度设为45°，使相机能够通过镜面反射拍摄到水平放置的棋盘格标定板，采集其旋转一周的照片，求解转台的旋转轴向量；
(4)在求解旋转轴向量时，也需求得镜面的反射矩阵，用于后期采集待测物的顶部点云数据与其他视图的数据拼接融合。
2.根据权利要求1所述的一种基于转台的大物体快速标定测量方法，其特征在于，所述的步骤(3)和(4)，利用转台带动棋盘格转动，在镜面的辅助下，水平相机可以同时得到转台的旋转轴向量和镜面的反射矩阵，无需额外的相机去采集数据求取转台的旋转轴向量。
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