CN114413790B - 固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置及方法 - Google Patents

固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法及装置，所述方法包括激光三维扫描仪、高精度摄影测量相机等装置。其中激光三维扫描仪部分由至少一个相机和激光投射器组成，且所有相机周围有配有补光灯。通过在激光三维扫描仪上固连高精度全局测量相机获取大视场被测件的完整三维形貌。首先，构建全局测量控制点，通过摄影测量相机完成控制点的三维重构，并建立全局世界坐标系；其次，利用激光三维扫描仪获取被测件周围局部区域的三维点云。同时，固连的摄影测量相机同步拍摄图像，并通过观测全局测量的控制点，获取摄影测量相机与世界坐标系的转换关系；最后，将局部三维点云数据统一到全局坐标系下，完成被测件的三维扫描。本发明无需在被测件上粘贴标志点即可完成被测件的完整扫描，满足大尺寸、高精度的工业现场检测需求。

Description

固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置及方法
技术领域
本发明涉及大视场三维测量技术领域，特别涉及一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法及装置。
背景技术
三维扫描通过光学、电子、计算机等技术对物体外形轮廓进行扫描获取被测物体的三维形貌信息，被广泛应用于逆向工程、三维轮廓检测、三维可视化、快速原型等领域。在大型装备的制造、装配和检修中高精度的三维扫描起着重要作用。在大尺寸物体测量时，激光三维扫描仪随着拼接次数的增加累计误差增加，需要搭配其他装置进行全局拼接。此时大尺寸物体的检测精度取决于三维扫描的拼接精度。
目前主要的拼接方式有：基于标志点的拼接和基于跟踪式拼接。李荣华等人在专利号为201910272469.3的发明专利“一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建系统及方法”中提供了一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建系统及方法，将活动靶标安装在线结构光传感器侧面，通过激光跟踪仪实时追踪活动靶标，获得线结构光传感器的位姿，得到物体表面的三维数据。上述方案利用激光跟踪仪固定对结构光传感器侧面的活动靶标进行实时追踪，这需要保证结构光传感器在移动过程中被激光跟踪仪追踪到，且激光跟踪仪测量精度低于摄影测量系统的测量精度。史苏存等人在专利号为201310659652.1的发明专利“大型空间自由曲面测量方法”中提出一种大型空间自由曲面测量方法，通过在被测曲面上设置反射标志，并利用数字摄影测量系统对被测曲面的几何尺寸进行测量，弥补了三维扫描仪在测量尺寸方面的不足。虽上述方案可以通过摄影测量系统获得较高精度的被测曲面三维坐标，但需要在被测曲面上设置反射标志，在测量过程中有可能损坏被测物体表面且会出现反射标志处的空洞。
因此，在大视场中，亟需一种无需在被测物件上粘贴标志点即可对大尺寸复杂物体表面进行高精度、高效率三维扫描的方法及装置。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法及装置。利用摄影测量系统构建控制点的在世界坐标系下的三维坐标以及激光三维扫描仪获得被测件局部区域的三维点云，并根据摄影测量相机的位姿进行局部点云坐标系的转换，获得大视场被测件的高精度完整点云数据，其技术方案如下：
一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置，其特征在于，包括：一个激光三维扫描仪和至少一个摄影测量相机固连，通过控制模块同时控制两个设备进行图像采集。
激光三维扫描仪，主要包括至少一个相机和一个激光投射器，实现区域点云高精度测量。
摄影测量相机，用于采集全局控制点，完成全局相机的实时位姿解算。
根据本发明实施例的一个方面，本发明还提供了一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法，包括以下步骤：
步骤11、在测量之前，对固连摄影测量相机的大视场三维扫描仪整机系统进行初始化，其中包含摄影测量相机的标定、激光三维扫描仪的标定及两者的转换关系；
步骤12、在控制场中布置全局测量控制点，建立全局世界坐标系，通过摄影测量相机获得控制场中所有控制点的高精度坐标，构建出整个控制场地图；
步骤13、激光三维扫描仪采集被测件表面具有激光光条的图像，并提取激光光条中心，根据结构光视觉模型解算出高精度局部三维扫描数据；
步骤14、在激光三维扫描仪扫描被测件的同时，固连的摄影测量相机识别控制场中的控制点，对控制点解算求解摄影测量相机与全局世界坐标系的转换关系，完成摄影测量相机位姿的实时解算；
步骤15、将摄影测量相机与激光三维扫描仪的转换关系结合摄影测量相机的位姿解算结果，将激光三维扫描仪解算出的局部高精度三维扫描数据拼接到全局世界坐标系下，并通过移动固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置完成整个被测件的扫描及拼接，获得完整的被测件的三维点云数据。
优选为：步骤11所述的对固连摄影测量相机的大视场三维扫描仪整机系统进行初始化，即在扫描仪系统开始扫描之前对激光三维扫描仪、高精度全局测量相机进行标定。其中激光三维扫描仪的标定包含相机的标定和结构光的标定，并由以上标定得到激光三维扫描仪和摄影测量相机坐标系之间的转换矩阵；设激光三维扫描仪坐标系为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，摄影测量相机坐标系为/>
Figure 820771DEST_PATH_IMAGE002
，其中激光三维扫描仪与摄影测量相机之间的旋转矩阵为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，平移向量为/>
Figure 154275DEST_PATH_IMAGE004
，转换矩阵用/>
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示。
优选为：步骤12所述在控制场中固定布置足够多的控制点，基准尺放置在控制场中合适的位置上。在不同角度尽可能多的拍摄完整控制场，在拍摄过程中基准尺保持不动。建立全局世界坐标系，通过数字近景工业摄影测量系统获得控制点在世界坐标系下的三维坐标，构建出控制场内的高精度地图。
优选为：步骤13所述利用激光三维扫描仪采集被测件表面光条图像，采用Hessian矩阵法对图像中的光条进行高精度亚像素中心提取，从而构建特征点集。利用双目立体视觉极线约束，获得特征点集中的匹配点对。基于立体视觉测量模型重构匹配点对，解算出局部高精度三维扫描数据。设大视场三维扫描仪中激光三维扫描仪第i个位置的坐标系为
Figure 132464DEST_PATH_IMAGE006
，解算出被测件局部区域三维点云/>
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
优选为：步骤14所述摄影测量相机与激光三维扫描仪同步采集，激光三维扫描仪在扫描被测件的同时摄影测量相机拍摄全局控制点。摄影测量相机在当前位置拍摄的控制点与全局世界坐标系中的坐标通过PNP算法估计出此时摄影测量相机的位姿。设大视场三维扫描仪中摄影测量第i个位置的坐标系为
Figure 197896DEST_PATH_IMAGE008
，PNP算法解算出当前位置的摄影测量相机到世界坐标系下的旋转矩阵/>
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，平移向量为/>
Figure 679562DEST_PATH_IMAGE010
，转换矩阵用/>
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示。
优选为：步骤15所述通过获取当前位置摄影测量相机与世界坐标系的转换完成大尺寸被测件表面三维数据拼接。由于激光三维扫描仪与摄影测量相机固连，上述转换关系保持不变且转换矩阵已在步骤11中获得，可以将激光三维扫描仪获取被测件局部三维点云数据转换到该位置的摄影测量相机坐标系下：
Figure 903739DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达，/>
Figure 575416DEST_PATH_IMAGE014
表示在摄影测量相机坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达。
通过摄影测量相机的位姿解算，获得当前位置的摄影测量相机坐标系到全局坐标系的转换矩阵，完成当前位置的三维局部点云的转换：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 176031DEST_PATH_IMAGE016
表示第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示在摄影测量相机坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达。
通过移动扫描装置拍摄完整被测件的外表面，移动过程中保证摄影测量相机能够拍摄到满足要求的控制场图像，使局部三维数据融合至全局坐标系下，获得完整的全局坐标系下的被测件三维数据。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法及装置。通过摄影测量构建全局世界坐标系下高精度控制点，并利用激光三维扫描仪获取局部区域的被测件三维点云，同时采用摄影测量相机同步拍摄控制点获取当前相机的姿态信息，最终实现大尺寸被测件的高精度三维扫描。不同于现有的大视场三维扫描方法，摄影测量获取的高精度三维控制场保证了局部点云的拼接精度并且无需在被测件上粘贴标志点，在一定程度上保护了被测物表面。
附图说明
图1为本发明的一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置的总体结构示意图；
图2为本发明的一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法的总体流程图；
图3为本发明的一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置具体实施方法中的工作状态示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法，为了使技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
图1所示，为本发明的一个实施例提供的一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置，包括激光三维扫描仪和摄影测量相机，其中激光三维扫描仪中包含有两个相机及一个激光投射器，并且两个相机周围都有配有LED补光灯。两个摄影测量相机通过固定外架固定在激光三维扫描仪上，结构刚性连接。两个摄影测量相机不一定是分布在扫描仪两侧，也可能是在扫描仪同一侧，但是两个摄影测量之间是成一定角度分布，尽可能的保证装置在移动过程中无视野盲区，避免被测件过大导致全局控制点遮挡影响位姿解算。本实施例中将固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置安装在机械臂上使用。
图2为本发明各采用的一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法的总体流程图。本发明的具体实施方式包括以下步骤：
步骤11：本实施例对三维扫描仪的各部分组件分别进行标定并获取其中的转换关系以此进行三维扫描仪整机系统初始化。通过标定靶标可以完成激光三维扫描仪中相机及摄影测量相机的内外参数标定，并且获得它们之间的转换关系，包含旋转矩阵和平移向量，标定靶标同时可以获得激光投射器的标定参数。设激光三维扫描仪坐标系为
Figure 780712DEST_PATH_IMAGE018
，摄影测量相机坐标系为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，其中激光三维扫描仪与摄影测量相机之间的旋转矩阵为/>
Figure 972528DEST_PATH_IMAGE020
，平移向量为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，转换矩阵用/>
Figure 119782DEST_PATH_IMAGE022
表示。
步骤12：控制场中固定布置足够多的控制点，基准尺放置在控制场中合适的位置上且在拍摄过程中保持基准尺不动。在布置控制点时遵循控制点成网状均匀分布，控制点表面干燥、清洁且尽量平整，有利于后续控制点的提取和识别。在拍摄过程中选择合适的拍摄距离尽可能使每个控制点在四个以上不同位置被拍摄，且相邻拍摄位置之间有较多的重叠和公共点。通过数字近景工业摄影测量系统获得控制点在世界坐标系下的三维坐标。
步骤13：利用激光三维扫描仪采集被测件表面光条图像，采用Hessian矩阵法对图像中的光条进行高精度亚像素中心提取，构建左右特征点集。利用双目立体视觉极限约束，获得左右特征点集中的匹配点对。基于双目立体视觉测量模型重构匹配点对，基于双目立体视觉测量模型和左右结构光视觉测量模型的三维重构出局部高精度三维扫描数据。设大视场三维扫描仪中激光三维扫描仪第i个位置的坐标系为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，解算出被测件局部区域三维点云/>
Figure 992929DEST_PATH_IMAGE024
。
步骤14：摄影测量相机与激光三维扫描仪同步采集，激光三维扫描仪在拍摄被测件的同时摄影测量相机拍摄全局控制点。本实施例中有两个摄影测量相机通过固定外架固定在激光三维扫描仪上。根据扫描仪在当前位置的角度自动选择此时工作的摄影测量相机，工作摄影测量相机的工作状态选择如图3所示。当三维扫描装置处于角度一时，通过扫描仪固连的下摄影测量相机拍摄全局控制点解算出此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿。当三维扫描装置处于角度二时，扫描仪固连的下摄影测量相机倾斜一定角度，但仍可拍摄到有效的全局控制点，解算出此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿。当三维扫描装置处于角度三时，扫描仪固连的下摄影测量相机无法拍摄到有效的全局控制点，从而停止工作，此时扫描仪固连的上摄影测量相机可以拍摄到有效的全局控制点，开始正常工作。通过PNP算法估计此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿。设大视场三维扫描仪中摄影测量第i个位置的坐标系为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，PNP算法解算出当前位置的摄影测量相机到世界坐标系下的旋转矩阵/>
Figure 920958DEST_PATH_IMAGE026
，平移向量为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，转换矩阵用
Figure 18096DEST_PATH_IMAGE028
表示。
步骤15：将激光三维扫描仪同步采集的被测件局部三维点云坐标转换至此时摄影测量相机坐标系下。由于激光三维扫描仪与摄影测量相机固连，上述转换关系保持不变且转换矩阵已在步骤11中获得，可以将激光三维扫描仪获取的被测件局部三维点云数据转换到该位置的高精度全局测量相机坐标系下：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 395857DEST_PATH_IMAGE030
表示第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示在摄影测量相机坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达。
步骤14中求解出的当前位置处于工作状态的全局高精度相机与全局世界坐标系下的位姿关系，完成当前位置的三维局部点云的转换：
Figure 75624DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示在世界坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达。
通过移动扫描装置拍摄完整被测件的外表面，并在移动过程中保证摄影测量相机能够拍摄到满足要求控制场图像，使局部三维数据融合至全局坐标系下，获得全局坐标系下完整的被测件三维数据。
本发明提供一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法及装置，该装置包括：激光三维扫描仪和摄影测量相机，其特征为：所述激光三维扫描仪包含至少一个相机和一个激光投射器，激光三维扫描仪扫描被测件，摄影测量相机识别控制场中的控制点，所述摄影测量相机与激光三维扫描仪结构刚性连接且相对位置确定。该方法利用摄影测量构建高精度全局控制场，激光三维扫描仪和摄影测量相机同步采集，通过移动扫描装置完成大尺寸被测件的扫描，将激光三维扫描仪扫描的数据通过摄影测量相机进行转换获取整个被测件三维点云数据拼接。此方法和装置在扫描大尺寸物体时，无需在物体周围粘贴标志点，通过移动扫描即可完成获大视场被测件的高精度完整点云数据，装置中的激光三维扫描仪与摄影测量的位置可以有效的克服在移动过程中出现视野盲区的情况，避免被测件过大导致全局控制点遮挡影响位姿解算，提高了大尺寸被测件的检测效率和准确度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (1)

1.一种固连摄影测量相机的大视场三维扫描方法，包括固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置，该装置包括：激光三维扫描仪，包括至少一个相机和一个激光投射器，实现区域点云高精度测量；摄影测量相机，用于采集全局控制点，完成全局相机的实时位姿解算；所述激光三维扫描仪和至少一个摄影测量相机固连，通过控制模块同时控制两个设备进行图像采集；所述激光三维扫描仪与摄影测量相机通过控制电路按一定次序触发，保证激光三维扫描仪与摄影测量相机进行同步拍摄；其特征在于：该方法是通过摄影测量构建全局世界坐标系下高精度控制点，并利用激光三维扫描仪获取局部区域的被测件三维点云，同时采用摄影测量相机同步拍摄控制点获取当前相机的姿态信息，最终实现大尺寸被测件的高精度三维扫描，具体包括如下步骤：
步骤11、在测量之前，对固连摄影测量相机的大视场激光三维扫描仪整机系统进行初始化，其中包含摄影测量相机的标定、激光三维扫描仪的标定及两者的转换关系；在扫描仪系统开始扫描之前对激光三维扫描仪、高精度全局测量相机进行标定，其中激光三维扫描仪的标定包含相机的标定和结构光的标定，并由以上标定得到激光三维扫描仪和摄影测量相机坐标系之间的转换矩阵，包含旋转矩阵和平移向量；设激光三维扫描仪坐标系为
Figure QLYQS_1
，摄影测量相机坐标系为/>
Figure QLYQS_2
，其中激光三维扫描仪与摄影测量相机之间的旋转矩阵为/>
Figure QLYQS_3
，平移向量为/>
Figure QLYQS_4
，转换矩阵用/>
Figure QLYQS_5
表示；
步骤12、在控制场中布置全局测量控制点，建立全局世界坐标系，通过摄影测量相机获得控制场中所有控制点的高精度坐标，构建出整个控制场地图；在控制场中固定布置多个控制点，基准尺放置在控制场中合适的位置上；在不同角度拍摄完整控制场，在拍摄过程中基准尺保持不动；建立全局世界坐标系，通过数字近景工业摄影测量系统获得控制点在世界坐标系下的三维坐标，构建出控制场内的高精度地图；
步骤13，利用激光三维扫描仪采集被测件表面光条图像，采用Hessian矩阵法对图像中的光条进行高精度亚像素中心提取，从而构建特征点集；利用极线约束，获得特征点集中的匹配点对；基于立体视觉测量模型重构匹配点对，解算出局部高精度三维扫描数据；设大视场三维扫描仪中激光三维扫描仪第i个位置的坐标系为
Figure QLYQS_6
，解算出被测件局部区域三维点云/>
Figure QLYQS_7
；
步骤14、摄影测量相机与激光三维扫描仪同步采集，激光三维扫描仪在拍摄被测件的同时摄影测量相机拍摄全局控制点，通过两个摄影测量相机固定外架固定在激光三维扫描仪上，根据扫描仪在当前位置的角度自动选择此时工作的摄影测量相机，当三维扫描装置处于角度一时，通过扫描仪固连的下摄影测量相机拍摄全局控制点解算出此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿；当三维扫描装置处于角度二时，扫描仪固连的下摄影测量相机倾斜一定角度，但仍可拍摄到有效的全局控制点，解算出此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿；当三维扫描装置处于角度三时，扫描仪固连的下摄影测量相机无法拍摄到有效的全局控制点，从而停止工作，此时扫描仪固连的上摄影测量相机可以拍摄到有效的全局控制点，开始正常工作；通过PNP算法估计此时的摄影测量相机在全局世界坐标系下的位姿；设大视场三维扫描仪中摄影测量第i个位置的坐标系为
Figure QLYQS_8
，PNP算法解算出当前位置的摄影测量相机到世界坐标系下的旋转矩阵/>
Figure QLYQS_9
，平移向量为/>
Figure QLYQS_10
，转换矩阵用/>
Figure QLYQS_11
表示；
步骤15、将摄影测量相机与激光三维扫描仪的转换关系结合摄影测量相机的位姿解算结果，将激光三维扫描仪解算出的局部高精度三维扫描数据拼接到全局世界坐标系下，并通过移动固连摄影测量相机的大视场三维扫描装置完成整个被测件的扫描及拼接，获得完整的被测件的三维点云数据；通过获取当前位置摄影测量相机与世界坐标系的转换完成大尺寸被测件表面三维数据拼接；由于激光三维扫描仪与摄影测量相机固连，上述转换关系保持不变且转换矩阵已在步骤11中获得，可以将激光三维扫描仪获取被测件局部三维点云数据转换到该位置的摄影测量相机坐标系下：
Figure QLYQS_12
；
其中，
Figure QLYQS_13
表示第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达，/>
Figure QLYQS_14
表示在摄影测量相机坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达；
通过摄影测量相机的位姿解算，获得当前位置的摄影测量相机坐标系到全局坐标系的转换矩阵，完成当前位置的三维局部点云的转换：
Figure QLYQS_15
；
其中，
Figure QLYQS_16
表示在世界坐标系下第i个位置的被测件局部区域三维坐标的齐次表达；
通过移动扫描装置拍摄完整被测件的外表面，移动过程中保证摄影测量相机能够拍摄到满足要求的控制场图像，使局部三维数据融合至全局坐标系下，获得完整的全局坐标系下的被测件三维数据。
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