CN113310433A - 基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法，包括以下步骤：建立线结构光虚拟双目立体视觉测量系统，对相机进行标定，得到相机的内外参数；把棋盘格放置于平面反射镜附近，棋盘格和平面反射镜中棋盘格的虚像被相机同时捕获；相机采集若干幅棋盘格在不同位姿状态下的虚实图像，利用Harris角点检测算法提取这些图像的角点，然后将这些角点图像通过计算，得到平面反射镜相对相机坐标系的位置；根据实像和虚像的成像位置以及平面反射镜的空间位置，计算出激光条纹中心点相对于相机坐标系的位置。本发明极大的简化了双目立体视觉的测量步骤，仅用一个相机便可完成测量，操作简单方便，将具有极大潜在的应用前景和实用价值。

Description

基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法

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，具体涉及一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，各领域对于高精度三维测量技术的需求越来越多，应用场景越来越多元化，自动化需求也越来越高。传统的接触式测量方法虽然有着极高的精度，但是点云获取速度相对较慢。过去几十年中，国内外学者相继提出了一系列的非接触式测量方法来获取物体表面信息。其中线结构光扫描三维测量技术作为一种典型的非接触式光学三维测量技术，凭借其高精度、稳定性强、测量速度快等优点，在机械制造、逆向工程、机器视觉、文物修复、虚拟现实、生物检测等行业得到了广泛应用。另外，线结构光扫描三维测量技术以硬件系统体积较小、成本经济、抗干扰性、寿命较长等优点在工业在线检测领域独占一席之地。

在传统的线结构光双目立体视觉测量系统中，影响其测量精度的因素主要是相机标定精度和左右相机图像匹配精度。自2000年以来，相机标定可以使用张正友的方法精确计算出像素尺寸、有效焦距以及畸变系数等相机参数。因此，影响测量精度的主要问题转移到了左右相机图像匹配精度的提高。国内外学者相继提出了一系列提高双目立体视觉测量精度的方法，在这些方法中，都需要使用两个相机，而且图像匹配算法比较复杂，大大影响了双目立体视觉测量的速度与精度。

基于上述问题，本文发明提出了一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法，简化了传统的相机标定过程步骤，原本需要两个相机才能解决的问题，现在一个相机就可以解决，该方法可极大地提高三维测量系统标定速度和精度，并且在线结构光扫描三维测量领域将具有潜在的应用前景和实用价值。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法，通过以下技术方案实现。

一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法，包括以下步骤：

步骤一、建立线结构光虚拟立体视觉测量系统，该系统包括：计算机、相机、线激光器、电动位移台和平面反射镜；电动位移台用于放置待测物体，线激光器垂直放置在待测物体上方，平面反射镜放置于待测物体附近，相机光轴方向与线激光器成一定角度放置，使待测物体和平面反射镜中待测物体的虚像能够在接收相机的视野中心；电动位移台可带着待测物体移动，相机可以实时捕获待测物体表面的高度调制的光条纹和平面反射镜中的光条纹发送到计算机；

步骤二、相机拍摄至少3幅不同位姿下棋盘格的像，对相机进行标定，得到相机的内外参数；

步骤三、将棋盘格放置于平面反射镜附近，棋盘格和平面反射镜中棋盘格的虚像被相机同时捕获；改变棋盘格在空间中的位置，相机可以采集到若干幅棋盘格虚实图像，利用Harris角点检测算法将这些图像转换成若干幅角点图像，根据平面反射镜成像规律，虚实棋盘格的对应角点连线中点在平面反射镜平面上的点，将一系列的中点用最小二乘法拟合就可以得到平面反射镜在相机坐标系的空间方程；

步骤四、将待测物体放置于相机视场中，使相机能够清晰地拍摄到待测物体的实像和虚像；根据实像和虚像在图像坐标系的位置以及平面反射镜的空间位置，通过相机针孔成像模型，计算出激光条纹中心点相对于相机坐标系的位置，便可以求出一条激光线的待测物体高度调制信息，电动位移台将待测物体沿着垂直于激光平面方向缓缓移动，便可得到整个待测物体的高度调制信息。

本发明的优点在于：

1、本发明借助了镜面的反射特性，解决了双目立体视觉中左右相机匹配点不准确的问题；

2、本发明在不需要两个相机的情况下，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为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的原理图。

图3为本发明的特征点匹配图。

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、测量系统结构搭建：

本发明提出的基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法的测量系统，如图1所示，包括一台相机、线激光器、计算机、电动位移台、平面反射镜。待测物体可放置在电动位移台上，线激光器垂直放置在待测物体上方，平面反射镜放置于待测物体附近，相机光轴方向与线激光器成一定角度放置，使待测物体和平面反射镜中待测物体的虚像能够在接收相机的视野中心，电动位移台可带着待测物体移动，相机可以实时捕获待测物体表面的高度调制的光条纹和平面反射镜中的光条纹发送到计算机；计算机通过图像处理算法可以获取有效条纹中心，然后利用空间三角关系与获得参数计算待测物体的三维信息。

二、相机标定：

如图2所示，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。利用棋盘格靶标法可以直接标定相机内外参数，通过拍摄几组在不同位姿状态下的棋盘格图像，使用张正友标定法进行相机内参与外参标定。

三、平面反射镜标定：

如图2所示，在平面反射镜前放置一个黑白棋盘格，形成一个镜像。然后求棋盘格上的每一个角点与其镜像图像的对应角点的中点，这些中点就在平面反射镜平面上。为保证标定精度，移动多次棋盘格，重复上述步骤，用最小二乘法对这些中点拟合，得到的相机坐标系下的平面反射镜平面的方程为：

ax_c+by_c+cz_c+d＝0 (1)

四、特征点匹配：

1、求出图像的消失点：在平面反射镜前放置一个黑白棋盘格，形成一个镜像。然后用最小二乘法求出棋盘格上角点与其镜像图像的对应角点之间的直线的交点，即图像消失点；

2、获取具有真实和虚拟光条纹的图像：将真实光条纹投影到待测物体上，在平面镜上形成镜像光条纹，即虚拟光条纹。相机同时捕捉真实光条纹和虚拟光条纹图像，通过移动待测物体的位置获得多个位置的光条纹图像；

3、提取光条纹图像中心：在虚拟双目立体视觉传感器的测量中，包含真实光条纹和虚拟光条纹的图像，可以将它们理解为两个相同的左右图像。使用Steger算法从左右图像中提取光条纹的中心；

4、匹配光条纹图像中心：如图3所示，真实光条纹中心的点与图像消失点相连，该直线被称为匹配线。匹配线与虚拟光条纹的交点即为对应虚拟和真实光条纹中心的匹配点。

五、三维点云计算：

假设真实光条纹上一点p₁在图像坐标系下的坐标为(u₁,v₁)，p₁在虚拟光条纹上的匹配点为p₂(u₂,v₂)，二者在相机坐标系下的坐标分别为P_c1(x_c1,y_c1,z_c1)，P_c2(x_c2,y_c2,z_c2)。因为P_c1与P_c2的连线与平面反射镜平面垂直，二者连线的中点又在平面反射镜平面上，根据相机针孔成像公式和式(1)便可以求出P_c1的值。

其中f_x，f_x分别为x,y方向的焦距，u₀,v₀为图像主点，γ为倾斜因子，这些参数均由相机标定得到。

通过式(2)，便可以得到一条真实光条纹上的所有点相对于相机坐标系下的坐标；将待测物体放在电动位移台上，沿着垂直激光平面的方向运动，通过计算，就可以获得整个待测物体的三维点云数据。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法，包括以下步骤：

步骤一、建立线结构光虚拟立体视觉测量系统，该系统包括一台计算机、一台相机、一个线激光器、一个电动位移台和一个平面反射镜；电动位移台用于放置待测物体，线激光器垂直放置在待测物体上方，平面反射镜放置于待测物体附近，相机光轴方向与线激光器成一定角度放置，使待测物体和平面反射镜中待测物体的虚像能够在接收相机的视野中心；电动位移台可带着待测物体移动，相机可以实时捕获待测物体表面的高度调制的光条纹和平面反射镜中的光条纹发送到计算机；

步骤二、相机拍摄至少3幅不同位姿下棋盘格的像，对相机进行标定，得到相机的内外参数；

步骤三、将棋盘格放置于平面反射镜附近，棋盘格和平面反射镜中棋盘格的虚像被相机同时捕获；改变棋盘格在空间中的位置，相机可以采集到若干幅棋盘格虚实图像，利用Harris角点检测算法将这些图像转换成若干幅角点图像，根据平面反射镜成像规律，虚实棋盘格的对应角点连线中点在平面反射镜平面上的点，将一系列的中点用最小二乘法拟合就可以得到平面反射镜在相机坐标系的空间方程；

步骤四、将待测物体放置于相机视场中，使相机能够清晰地拍摄到待测物体的实像和虚像；根据实像和虚像在图像坐标系的位置以及平面反射镜的空间位置，通过相机针孔成像模型，计算出激光条纹中心点相对于相机坐标系的位置，便可以求出一条激光线的待测物体高度调制信息，电动位移台将待测物体沿着垂直于激光平面方向缓缓移动，便可得到整个待测物体的高度调制信息。

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