CN114087982A - 一种基于光场的大幅面相对位置测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，包括投影仪，投影仪连接计算机，计算机内置有结构编码模块和图像处理模块；还包括相机，相机安装在测量白板上，测量白板固定在可移动的底座上，底座位于投影仪的投影范围内。本发明还公开了一种基于光场的大幅面相对位置测量系统的测量方法，本发明利用投影编码图案主动赋予被测物体特征信息，通过对独特的色彩编码模板进行唯一索引，快速地测量物体在光场中的相对位置。

Description

一种基于光场的大幅面相对位置测量系统及方法

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，涉及一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，本发明还涉及上述测量系统的测量方法。

背景技术

随着计算机硬件和信息技术的快速发展，现代化测量装置对精度与速度的要求越来越高。与二维图像信息相比，三维信息能够更全面、真实地反映客观物体。因此，对物体三维信息的感知与测量成为了研究热点，从测量方式上来说三维测量系统主要分为接触式测量和非接触式测量。

随着机械结构及电子系统的发展与成熟，传统的接触式测量的准确性和可靠性也提高了，但由于机械结构复杂、对使用环境要求高，限制了接触式测量的应用范围。非接触式测量方法分为声学、电磁学、光学三大类，其中光学三维测量最为普遍。光学三维测量方法又可分为主动式测量和被动式测量。被动式测量是通过非结构光(自然光)照明方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定三维信息。主动式测量则是通过向被测物体投射结构光，利用物体对结构光的空间或时间调制，来获取物体的三维信息。主动式光学三维测量由于结构复杂、计算量大，尤其对于大幅面测量更加明显，因此限制了非接触光学三维测量的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，该系统利用投影编码图案主动赋予被测物体特征信息，通过对独特的色彩编码模板进行唯一索引，快速地测量物体在光场中的相对位置。

本发明的另一目的是提供一种基于光场的大幅面相对位置测量方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，包括投影仪，投影仪连接计算机，计算机内置有结构编码模块和图像处理模块；还包括相机，相机安装在测量白板上，测量白板固定在可移动的底座上，底座位于投影仪的投影范围内。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

投影仪通过HDMI线与计算机连接；

测量白板为白色方形纸片。

本发明采用的第二种技术方案是，一种基于光场的大幅面相对位置测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1，用计算机编码生成结构光图案并同时自动生成索引表；

步骤2，用投影仪将步骤1中的结构光图案投射到放置测量白板的区域，形成结构光场；

步骤3，根据透视投影变换原理，完成测量系统中投影仪坐标系与图像坐标系之间的转换；

步骤4，沿投影仪与测量白板中心所在水平线水平移动底座，用相机采集测量白板上的结构光图像，并依次进行图案分割、特征提取和解码，生成特征系列；

步骤5，将步骤4解码后的特征序列与步骤1生成的索引表进行匹配，得出每一个像素点在图像坐标系中的二维坐标；

步骤6，利用步骤3中的转换模型，将像素点的二维坐标转换为三维空间坐标，即得像素点在结构光场中的相对位置。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，采用行列生长法或遍历法生成一个编码矩阵，将编码矩阵中每个3x3的块作为一个全局唯一的基元；

步骤1.2，将编码矩阵中的值由十进制转换成三位二进制数，每一位分别对应R、G、B三个颜色通道，每个通道的值为0或1；

步骤1.3，将颜色通道中的0用0代替，1用255代替，使图案中产生八种同的颜色。

本发明的有益效果是：本发明可以根据测量距离和精度要求，调整不编码图案的分辨率，亦可满足远距离目标；利用投影编码图案主动赋予被测物体特征信息，通过对独特的色彩编码模板进行唯一索引，避免了大量的匹配计算，能提高图像分辨率并快速地测量物体在光场中的相对位置。本发明结构简单、成本低、分辨率高，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量方法的流程图；

图3是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量系统中结构光编解码模块利用计算机生成彩色编码图案的流程图；

图4(a)～(f)是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量系统中结构光编解码模块利用计算机生成的编码图案局部图；

图5是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量方法中的投影示意图；

图6是本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量方法中的某一像素点p由像素平面到物理平面的成像示意图。

图中，1.计算机，2.投影仪，3.测量白板，4.底座，5.相机，6.墙面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，如图1所示，包括计算机1、(数字)投影仪2、(微型)相机5、装有相机5的测量白板3以及固定相机5和测量白板3的可移动底座4。投影仪2通过HDMI线和计算机1直接相连，计算机1内置有结构光编码模块和图像处理模块，相机5和测量白板3(方形纸片)固定在一个可移动的底座4上且放置在投影仪2的投影范围内。

如图2所示，本发明一种基于光场的大幅面相对位置测量方法包括如下步骤：

步骤1，根据投影仪2物理性能确定投影仪2摆放位置，矫正投影视图的大小与方向；

步骤2，将投影仪2通过HDMI线与计算机1进行连接；

步骤3，利用内置有结构光编码模块的计算机编码生成独特的结构光图案与索引表，生成彩色编码图案的流程图如图3所示，具体步骤如下：

步骤301，采用行列生长法或遍历法生成一个编码矩阵lc(取值范围为0-7)，将编码矩阵中每个3x3的块作为一个全局唯一的基元；

在步骤301中，生成编码矩阵的方法优选行列生长法；

利用行列生长法生成编码矩阵的时候会自动生成索引表；

步骤302，将编码矩阵lc中的每个元素由十进制转换成三位二进制数bn；

步骤303：取bn的最高位、次高位、最低位分别构成与编码矩阵大小相同的二维矩阵R、G、B，此时R、G、B三个颜色通道的值均为0或1；

步骤304：将颜色通道中的0用0代替，1用255代替，这样图案中一共会有8种不同的颜色：黑色(0，0，0)、蓝色(0，0，255)、绿色(0，255，0)、青色(0，255，255)、红色(255，0，0)、品红色(255，0，255)、黄色(255，255，0)、白色(255，255，255)。

本发明中的结构光编码模块利用计算机生成彩色编码图案的编码颜色与符号对应表如表1所示，本发明所述的结构光编码模块利用计算机生成的编码图案局部图如图4(a)～(f)所示。

表1

通道符号	0	1	2	3	4	5	6	7
									R	0	0	0	0	1	1	1	1
G	0	0	1	1	0	0	1	1
									B	0	1	0	1	0	1	0	1
颜色	黑色	蓝色	绿色	青色	红色	品红	黄色	白色

步骤4，将步骤3生成的彩色编码图案投射到墙面6上，手动测出墙面6上的投影图案宽度W，以及投影仪2到墙面6的绝对距离D；

步骤5，按下相机5的拍照控制按钮对投影后的墙面6进行拍照；

步骤6，将测量白板3放入投影范围再次拍照；

步骤7，根据透视投影变换原理，完成测量系统中投影仪坐标系与图像坐标系之间的转换；

步骤8，利用内置有图像处理模块的计算机对步骤6中采集到的照片进行预处理、图案分割、特征提取、解码；

本发明利用内置有图像处理模块的计算机1对步骤6中采集到的照片进行图案分割，图案分割的方法为区域生长法，区域生长的准则是在种子点邻域内判断灰度值相等的像素，然后把符合要求的像素点放在种子集合里，并将它们作为新的种子开始搜索，这样不断的循环下去，直到满足停止生长的条件为止。

由于相机采集的图案是一帧的RGB图，且其分辨率与编码生成的结构光图案不同，因此，编码矩阵中的一个点的值对应采集图案中n×n个具有相同或相近灰度值的像素点组成的方形区域K。在进行特征提取时，关键就是能够分割出采集图案中相同颜色的连通区域，然后将RGB矩阵转换为编码矩阵，根据设计的特征模板进行区域搜索和模板匹配。

本发明中设计的特征模板优选十字形模板。

在分割出一个连通区域K后，以K的大小为步长，依次搜索K区域的左邻域、上邻域、右邻域、下邻域，将这五个区域的像素值用五个不同的矩阵保存，分别求出每个矩阵的平均像素值，生成特征序列。这里的像素值指的是解码以后的颜色值。

具体步骤如下：

区域生长实现的步骤如下:

步骤801，对图像顺序扫描找到第1个还没有归属的像素S，设该像素为(x0,y0)；

步骤802，以S为中心，分别搜索S的上下左右四个相邻的像素P(x,y)，如果P已标记，则将S与P合并(在同一区域内)，同时将(x,y)压入堆栈，

步骤803，从堆栈中取出一个像素，把它当作(x0,y0)返回到步骤S802；

步骤804，当堆栈为空时，返回到步骤S801；

步骤805，重复步骤801-S804直到图像中的每个点都有归属时，区域生长结束。

步骤9，将解码后的特征序列与步骤3所述索引表进行匹配，得出每一个像素点在图像坐标系中的二维坐标；

步骤10，利用步骤7所述的转换模型，将像素点的二维坐标转换为三维空间坐标，即得像素点在结构光场中的相对位置。

计算像素点在结构光场中相对位置的具体步骤如下：

步骤1001，建立投影仪坐标系XYZ与图像坐标系UOV，且投影仪的XY平面与投影图案的UV平面平行，投影仪坐标系原点与投影图案的中心同处在Z轴，如图5所示。

假设投影图案的宽为w个像素点，高为h个像素点，投影仪的投射角为α，则投影图案坐标系中任意一点n(u,v)和投影仪坐标系中的对应点N(X,Y,Z)有如下关系：

步骤1002，计算编码图案中单个像素点对应的实际宽度；

设测量系统中有一个正对投影仪的测量白板，它的宽为w_pa厘米，投影仪投射图案到纸片上，得到纸片区域的图案的宽为w_img个像素点，经过放大投射到纸片上的像素点p在图上为一个小方形区域P，该区域的宽为w_pix个像素点，如图6所示，则编码图案中单个像素点p对应的实际宽度为w_p厘米：

而点N(X，Y，Z)与空间中的实际坐标N'(X'，Y'，Z')关系如下：

X'＝X×w_p (5)

Y'＝Y×w_p (6)

Z'＝Z×w_p (7)

通过上面的过程可以得到光场中纸片上某一点的三维坐标，其中Z'即为投影仪到纸片的距离。

其中公式(3)中用到的投影仪的投射角α可由公式(8)得到：

其中，D位投影图案投射到墙面上后测量投影仪到墙面的绝对距离(厘米)，W为投影图案宽度(厘米)。

Claims (5)

1.一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，其特征在于：包括投影仪，投影仪连接计算机，计算机内置有结构编码模块和图像处理模块；

还包括相机，相机安装在测量白板上，测量白板固定在可移动的底座上，底座位于投影仪的投影范围内。

2.根据权利要求1所述的一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，其特征在于：所述投影仪通过HDMI线与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于光场的大幅面相对位置测量系统，其特征在于：所述测量白板为白色方形纸片。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的一种基于光场的大幅面相对位置测量系统的测量方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，用计算机编码生成结构光图案并同时自动生成索引表；

步骤2，用投影仪将步骤1中的结构光图案投射到放置测量白板的区域，形成结构光场；

步骤3，根据透视投影变换原理，完成测量系统中投影仪坐标系与图像坐标系之间的转换；

步骤4，沿投影仪与测量白板中心所在水平线水平移动底座，用相机采集测量白板上的结构光图像，并依次进行图案分割、特征提取和解码，生成特征系列；

步骤5，将步骤4解码后的特征序列与步骤1生成的索引表进行匹配，得出每一个像素点在图像坐标系中的二维坐标；

步骤6，利用步骤3中的转换模型，将像素点的二维坐标转换为三维空间坐标，即得像素点在结构光场中的相对位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于光场的大幅面相对位置测量方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：

步骤1.1，采用行列生长法或遍历法生成一个编码矩阵，将编码矩阵中每个3x3的块作为一个全局唯一的基元；

步骤1.2，将编码矩阵中的值由十进制转换成三位二进制数，每一位分别对应R、G、B三个颜色通道，每个通道的值为0或1；

步骤1.3，将颜色通道中的0用0代替，1用255代替，使图案中产生八种同的颜色。

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