CN114111580B - 一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法 - Google Patents

一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法，涉及物体三维测量技术领域，本发明包括测量系统和测量方法。测量系统包括第一格挡玻璃、第二格挡玻璃以及用于向被测物体发射激光束的激光发射单元、用于控制激光发射单元转角的转动控制单元、用于对被测物体进行图像信号采集的图像采集单元，第一格挡玻璃按照圆心与激光发射单元转动中心相重叠布置，以使得激光发射单元发射的激光束始终垂直第一格挡玻璃射出，第二格挡玻璃水平放置并与激光发射单元处于同一平面上，图像采集单元平行放置于第二格挡玻璃的下方；该方法为利用上述测量系统的测量方法。本发明具有结构简易、高测量效率以及集成度高且精度高、抗干扰能力强、普适性高等优点。

Description

一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及物体三维测量技术领域，尤其涉及一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法。
背景技术
针对物体的三维坐标测量，现阶段通常使用激光三角测量原理进行测量，与其他非接触测量方式相比，激光三角法在对物体进行测量时，具有测量效率高、图像信号处理稳定、系统抗干扰性强以及测量精度高、设备集成度高等诸多优点，因而广泛应用于测量领域中。
激光三角法根据激光器的摆放位置不同，分为直射式和斜射式两种测量方式。
因为直射式三角法中相机采集到的光信号主要是接收来自被测物体表面发生的散反射光，斜射式三角法中主要接收的光信号是来自被测物体表面的反射光，当被测物体表面散反射特性较好时适宜采用直射式三角法，而当待测物体表面反射效果较好时，则更适合于采用斜射式三角法。此外，激光三角法在实际应用过程中，若被测物体表面结构复杂，会使得激光光束经过物体表面反射后无法被相机捕获光信号，形成测量系统盲区。
另外，现有的结构光三维测量系统在设计过程中基本不考虑格挡玻璃的对测量结果的两次偏差影响，或视为理想条件只考虑一次折射。同时对于激光器也采用固定式安装，使得在测量较大物体时需要整体移动测量系统，使得测量过程过于复杂化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于单目视觉的自动测量系统及测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于单目视觉的自动测量系统，包括第一格挡玻璃、第二格挡玻璃以及用于向被测物体发射基于结构光激光束的激光发射单元、用于控制所述激光发射单元转角的转角控制单元、用于对被测物体进行图像采集的图像采集单元，所述第一格挡玻璃按照内外层双圆心与所述激光发射单元的旋转中心相重合，以使得所述激光发射单元发射的激光束在不同转角时始终垂直第一格挡玻璃射出，所述第二格挡玻璃水平放置并与所述激光发射单元处于同一水平面上，所述图像采集单元平行布置于所述第二格挡玻璃的正下方，所述图像采集单元与所述第二格挡玻璃之间设置有透镜，所述激光发射单元、转角控制单元、图像采集单元分别通过所述第一格挡玻璃和所述第二格挡玻璃密封布置于一密封舱体内，所述第一格挡玻璃设置为圆弧型，所述第二格挡玻璃设置为平面型，所述激光发射单元、转角控制单元、图像采集单元采用结构光三维测量探头，所述结构光三维测量探头中设有激光投射器，所述转角控制单元中设有转角控制单元。
一种基于单目视觉的测量方法，其步骤如下：
S1：将所述测量系统布置于待测被测物体前方景深位置内，并根据所述测量系统以及待测被测物体相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
S2：使用所述测量系统对所述待测被测物体进行整体扫描，得到被测物体三维测量坐标；
S3：根据所述三维测量坐标以及所述坐标对应关系，转换得到被测物体的三维真实坐标。
优选地，所述坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及所述几何位置关系，使用所述转角控制单元控制激光发射单元转动、所述激光发射单元与Y轴的水平夹角θ0、所述图像采集单元的成像面到镜头中心的距离所述图像采集单元的镜头中心到所述第二格挡玻璃的距离/>所述第二格挡玻璃的厚度/>以及所述第二格挡玻璃内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、所述第二格挡玻璃的折射率μ2构建所述坐标对应关系。
优选地，所述构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光路的折射定律构建第一公式：
μ0cos(θ1)＝μ1cos(θ2)＝μ2cos(θ3)
其中，θ1为激光光束从所述第二格挡玻璃向内部环境传播时的第二层出射角余角，θ2、θ3分别为激光光速经被测物体表面反射至所述图像采集单元经过的外部介质向所述第二格挡玻璃传播时的第一层出射角余角、第一层入射角余角，μ1为所述第二格挡玻璃内部环境的折射率，μ3为外部介质的折射率，μ3为所述第二格挡玻璃的折射率；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ2以及第二出射角余角θ3：
S13：构建所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式为：
X＝X0+ΔX,Y＝Y0-ΔY,Z＝Z0-ΔZ
ΔX＝ΔX1+ΔX2,ΔY＝ΔY1+ΔY2,ΔZ＝ΔZ1+ΔZ2
其中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为被测物体三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0间的偏差量，ΔX1、ΔY1、ΔZ1为内部介质环境与所述第二格挡玻璃与引起的第一偏移量，ΔX2、ΔY2、ΔZ2为所述第二格挡玻璃与外部介质引起的第二偏移量；
S14：根据构建的所述第一偏移量、第二偏移量最终得到所述被测物体的三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式。
优选地，所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式具体为：
X＝X0+ΔX＝X0+ΔX1+ΔX2
Y＝Y0-ΔY＝Y0-ΔY1-ΔY2
Z＝Z0-ΔZ＝Z0-ΔZ1-ΔZ2。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明在使用传统斜射式激光三角法的基础上，对隔离外部环境与测量系统所用的玻璃结构进行了形状改良，激光发射单元侧的第一格挡玻璃采用了圆弧形的形状结构，并将激光发射单元的旋转中心放置在第一格挡玻璃的圆心处，使得激光发射单元旋转任意角度所发射的激光束始终垂直于第一格挡玻璃射出，从而相比传统测量系统，极大程度的减少了激光发射单元侧的格挡玻璃对发射激光带来的影响，从而能够极大程度简化折射补偿模型的复杂程度，不仅结构简单、设备维护简单、效率及精度高，且测量范围广、信号处理稳定以及抗干扰强。
2、本发明在传统结构光测量系统基础上对激光发射单元增加一转动控制单元，减少了对大型被测物测量过程中需要整体移动整个测量系统的问题，大大减少了因系统频繁性移动所带来的测量误差。
3、本发明在使用测量系统测得被测物体三维测量坐标后，由于激光发射单元发射的激光束是垂直第一格挡玻璃射出的，减少了第一格挡玻璃对激光发射光线带来的折射影响，大大简化了系统的折射补偿模型，因而系统结构简单结合各部分单元之间的几何关系，即可计算出被测物体与结构光三维测量探头间的真实坐标，从而可以快速、精确的实现目标物体的三维测量。
4、本发明进一步利用光的折射定律以及测量系统内各单元之间的几何关系，确定各单元与被测物体表面间的空间位置关系，从而实现精确的构建测量系统三维测量坐标与三维真实坐标之间的坐标对应关系。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于单目视觉的自动测量系统的三维测量系统的结构原理示意图；
图2为本发明提出的一种基于单目视觉的自动测量系统的三维测量模型的原理示意图；
图3为本发明提出的一种基于单目视觉的测量方法的流程示意图。
图中：1、第一格挡玻璃；2、第二格挡玻璃；3、激光发射单元；4、转角控制单元；5、图像采集单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
参照图1-2，一种基于单目视觉的自动测量系统，包括第一格挡玻璃1、第二格挡玻璃2以及用于向被测物体发射基于结构光激光束的激光发射单元3、用于控制激光发射单元3转角的转角控制单元4、用于对被测物体进行图像采集的图像采集单元5，第一格挡玻璃1按照内外层双圆心与激光发射单元3的旋转中心相重合，以使得激光发射单元3发射的激光束在不同转角时始终垂直第一格挡玻璃1射出，第二格挡玻璃2水平放置并与激光发射单元3处于同一水平面上，图像采集单元5平行布置于第二格挡玻璃2的正下方，图像采集单元5与第二格挡玻璃2之间设置有透镜。
其中，激光发射单元3、转角控制单元4、图像采集单元5分别通过第一格挡玻璃1和第二格挡玻璃2密封布置于一密封舱体内。
其中，第一格挡玻璃1设置为圆弧型，第二格挡玻璃2设置为平面型。
其中，激光发射单元3、转角控制单元4、图像采集单元5采用结构光三维测量探头，结构光三维测量探头中设有激光投射器，转角控制单元4中设有转角控制单元；
通过密封舱体及密封玻璃将结构光三维测量探头密封，结构光三维测量探头的激光投射器为点激光(线结构光、面结构光均可)，激光光源可根据不同应用场合选用不同颜色结构光；将密封后的结构光三维测量探头置于被测物体前方合适位置，由控制处理系统显示被测物体测量三维数据：X0、Y0、Z0，其中被测物体上O9点成像至结构光三维测量探头的图像获取模块时经过的外部介质向密封玻璃传播时的入射角余角即为θ3、出射角余角即为θ2，由密封玻璃向密封舱体内环境传播时的入射角余角即为θ2、出射角余角即为θ1，外部介质的折射率为μ2、密封玻璃的折射率为μ1、密封舱体内空气的折射率为μ0，光路所成虚像与激光平面相交于O7点，点O1为结构光三维测量探头的图像获取模块的焦点，点O4为结构光三维测量探头的激光投射器出光点，结构光三维测量探头的基线距离为成像面与密封玻璃界面间的距离为/>密封玻璃厚度为/>
参照图3，一种基于单目视觉的测量方法，其步骤如下：
S1：将测量系统布置于待测被测物体前方景深位置内，并根据测量系统以及待测被测物体相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
S2：使用测量系统对待测被测物体进行整体扫描，得到被测物体三维测量坐标；
S3：根据三维测量坐标以及坐标对应关系，转换得到被测物体的三维真实坐标；
由于“外部环境-格挡玻璃”界面折射的影响以及“格挡玻璃-空气”界面折射的影响，获取的测量数据X0、Y0、Z0并不是真实值，本实施例在使用测量系统测得三维测量坐标后，由于激光发射单元3发射的激光束是垂直第一格挡玻璃1射出的，减少了格挡玻璃对激光发射光线带来的影响，大大简化了折射补偿模型，因而简单的利用各单元之间的几何关系，即可计算出被测物体与结构光三维测量探头间的真实坐标X、Y、Z，从而可以快速、精确的实现目标物体的三维测量。
其中，坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及几何位置关系，使用转角控制单元4控制激光发射单元3转动、激光发射单元3与Y轴的水平夹角θ0、图像采集单元5的成像面到镜头中心的距离图像采集单元5的镜头中心到第二格挡玻璃2的距离/>第二格挡玻璃2的厚度/>以及第二格挡玻璃2内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、第二格挡玻璃2的折射率μ2构建坐标对应关系。
其中，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光路的折射定律构建第一公式：
μ0cos(θ1)＝μ1cos(θ2)＝μ2cos(θ3)
其中，θ1为激光光束从第二格挡玻璃2向内部环境传播时的第二层出射角余角，θ2、θ3分别为激光光速经被测物体表面反射至图像采集单元5经过的外部介质向第二格挡玻璃2传播时的第一层出射角余角、第一层入射角余角，μ1为第二格挡玻璃2内部环境的折射率，μ3为外部介质的折射率，μ3为第二格挡玻璃2的折射率；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ2以及第二出射角余角θ3：
其中，为图像采集单元5的成像面到镜头中心的距离，y为图像采集单元5的成像点到图像采集单元5中心在Y轴分量的距离；
S13：构建三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0，其之间的坐标对应关系式为：
X＝X0+ΔX,Y＝Y0-ΔY,Z＝Z0-ΔZ
ΔX＝ΔX1+ΔX2,ΔY＝ΔY1+ΔY2,ΔZ＝ΔZ1+ΔZ2
其中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为被测物体三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0间的偏差量，ΔX1、ΔY1、ΔZ1为内部介质环境与第二格挡玻璃2与引起的第一偏移量，ΔX2、ΔY2、ΔZ2为第二格挡玻璃2与外部介质引起的第二偏移量；
并根据第一格挡玻璃1、第二格挡玻璃2与激光发射单元3、转角控制单元4、图像采集单元5之间的几何位置关系，构建第一偏移量的计算式为：
其中，θ0为激光发射单元3在转动控制器4的控制下与Y轴的水平夹角，为图像采集单元5中心光轴到激光发射单元3激光发射点在Y轴上距离分量，θ7为图像采集单元4接收光线与第二格挡玻璃2第二表面与Z轴的夹角，θ8为图像采集单元4接收光线经第二格挡玻璃2第一表面折射后与Z轴的夹角；
以及构建第二偏移量的计算公式为：
其中，z为图像采集单元5成像点到图像采集单元5中心在Z轴上的距离分量，为第二格挡玻璃2的厚度，θ9为图像采集单元5接收光线与第二格挡玻璃2第一表面折射后与Z轴的夹角；
S14：根据构建的第一偏移量、第二偏移量最终得到被测物体的三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式。
其中，三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式具体为：
X＝X0+ΔX＝X0+ΔX1+ΔX2
Y＝Y0-ΔY＝Y0-ΔY1-ΔY2
Z＝Z0-ΔZ＝Z0-ΔZ1-ΔZ2。
上述利用光线的折射定律以及测量系统内各单元之间的几何关系，可以准确的反应各单元与被测物体之间的空间位置关系，从而可以精确的构建得到测量系统三维测量坐标与三维真实坐标之间的坐标对应关系。
上述各参数具体如下表所示：
表1：参数表
为实现上述坐标对应关系构建，本发明首先搭建如图1所述的二维测量模型；
基于上述二维模型进一步构建三维测量折射矫正数学模型，首先构建三维测量模型，如图2所示，主要通过Y，Z轴之间的关系去寻找Z方向上的偏差；
基于上述原理，本实施例最终构建形成如图1和图2所示的测量系统以及测量模型，首先由光线的折射定律可得上述公式为μ0cos(θ1)＝μ1cos(θ2)＝μ2cos(θ3)，由相机成像关系，可计算出角度θ1的值，如上式所示，进一步可得式真实坐标X、Y、Z与测量坐标X0、Y0、Z0间的偏差量分别为ΔX、ΔY、ΔZ，由几何关系可得ΔX、ΔY、ΔZ为第一偏移量ΔX1、ΔY1、ΔZ1与第二偏移量ΔX2、ΔY2、ΔZ2之和，第一偏移量ΔX1、ΔY1、ΔZ1为密封玻璃引起的偏移，第二偏移量ΔX2、ΔY2、ΔZ2为外部介质引起的偏移，即为三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式；
由格挡玻璃成像特性，可按照第一偏移量的计算式计算出第一偏移量ΔX1、ΔY1、ΔZ1的值，以及可根据几何关系按照第二偏移量的计算公式计算出第二偏移量ΔX2、ΔY2、ΔZ2的值；进一步可建立得到真实距离X、Y、Z与测量数据X0、Y0、Z0间的坐标对应关系；通过上述公式，通过测量系统测量得到三维测量坐标X0、Y0、Z0后，将三维测量坐标X0、Y0、Z0以及各单元之间的几何关系参数，如 μ1、μ2、μ3、d、/>等已知量带入上述公式求解，即可得到三维真实坐标X、Y、Z。
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并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于单目视觉的自动测量系统，其特征在于，包括第一格挡玻璃(1)、第二格挡玻璃(2)以及用于向被测物体发射基于结构光激光束的激光发射单元(3)、用于控制所述激光发射单元(3)转角的转角控制单元(4)、用于对被测物体进行图像采集的图像采集单元(5)，所述第一格挡玻璃(1)按照内外层双圆心与所述激光发射单元(3)的旋转中心相重合，以使得所述激光发射单元(3)发射的激光束在不同转角时始终垂直第一格挡玻璃(1)射出，所述第二格挡玻璃(2)水平放置并与所述激光发射单元(3)处于同一水平面上，所述图像采集单元(5)平行布置于所述第二格挡玻璃(2)的正下方，所述图像采集单元(5)与所述第二格挡玻璃(2)之间设置有透镜，所述激光发射单元(3)、转角控制单元(4)、图像采集单元(5)分别通过所述第一格挡玻璃(1)和所述第二格挡玻璃(2)密封布置于一密封舱体内，所述第一格挡玻璃(1)设置为圆弧型，所述第二格挡玻璃(2)设置为平面型，所述激光发射单元(3)、转角控制单元(4)、图像采集单元(5)采用结构光三维测量探头，所述结构光三维测量探头中设有激光投射器，所述转角控制单元(4)中设有转角控制单元。
2.一种基于单目视觉的测量方法，其特征在于，其步骤如下：
S1：将权利要求1所述的测量系统布置于待测被测物体前方景深位置内，并根据所述测量系统以及待测被测物体相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
S2：使用所述测量系统对所述待测被测物体进行整体扫描，得到被测物体三维测量坐标；
S3：根据所述三维测量坐标以及所述坐标对应关系，转换得到被测物体的三维真实坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于单目视觉的测量方法，其特征在于，所述坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及所述几何位置关系，使用所述转角控制单元(4)控制激光发射单元(3)转动、所述激光发射单元(3)与Y轴的水平夹角θ0、所述图像采集单元(5)的成像面到镜头中心的距离所述图像采集单元(5)的镜头中心到所述第二格挡玻璃(2)的距离/>所述第二格挡玻璃(2)的厚度/>以及所述第二格挡玻璃(2)内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、所述第二格挡玻璃(2)的折射率μ2构建所述坐标对应关系。
4.根据权利要求2所述的一种基于单目视觉的测量方法，其特征在于，所述构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光路的折射定律构建第一公式：
μ0cos(θ1)＝μ1cos(θ2)＝μ2cos(θ3)
其中，θ1为激光光束从所述第二格挡玻璃(2)向内部环境传播时的第二层出射角余角，θ2、θ3分别为激光光速经被测物体表面反射至所述图像采集单元(5)经过的外部介质向所述第二格挡玻璃(2)传播时的第一层出射角余角、第一层入射角余角，μ1为所述第二格挡玻璃(2)内部环境的折射率，μ3为外部介质的折射率，μ3为所述第二格挡玻璃(2)的折射率；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ2以及第二出射角余角θ3；
S13：构建所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0，其之间的坐标对应关系式为：
X＝X0+ΔX,Y＝Y0-ΔY,Z＝Z0-ΔZ
ΔX＝ΔX1+ΔX2,ΔY＝ΔY1+ΔY2,ΔZ＝ΔZ1+ΔZ2；
其中，ΔX、ΔY、ΔZ分别为被测物体三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0间的偏差量，ΔX1、ΔY1、ΔZ1为内部介质环境与所述第二格挡玻璃(2)与引起的第一偏移量，ΔX2、ΔY2、ΔZ2为所述第二格挡玻璃(2)与外部介质引起的第二偏移量；
S14：根据构建的所述第一偏移量、第二偏移量最终得到所述被测物体的三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式。
5.根据权利要求4所述的一种基于单目视觉的测量方法，其特征在于，所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标X0、Y0、Z0之间的坐标对应关系式具体为：
X＝X0+ΔX＝X0+ΔX1+ΔX2
Y＝Y0-ΔY＝Y0-ΔY1-ΔY2
Z＝Z0-ΔZ＝Z0-ΔZ1-ΔZ2。
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