CN116067283B - 一种深腔测量方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种深腔测量方法、装置、设备及介质，涉及深腔测量技术领域。深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，激光投影仪、锥面反射镜和工业相机均同轴设置；所述方法包括：基于工业相机，获取深腔对象的深腔内壁图像，基于深腔内壁图像，获得深腔对象的三维数据；基于三维数据，构建深腔对象的三维模型，其中，基于工业相机，获取深腔对象的深腔内壁图像，包括获得发射激光反射在锥面反射镜上的第一反射光；由第一反射光获得反射在深腔对象内壁上的第二反射光；由第二反射光获得深腔内壁图像。通过本方案，可以更准确的测量出深腔全貌，从而可以对深腔对象进行更好的测量。
Description
技术领域
本申请涉及深腔测量技术领域，尤其涉及深腔测量方法、装置、设备及介质。
背景技术
三维测量是通过各种方法对被测物进行测量，确定被测物的三维坐标数据，从而对被测物进行三维重建的一项技术，常用的光学非接触式三维形貌测量方法主要包括立体视觉法、结构光法、激光测距法和干涉法等。
但是，通过现有技术中的三维测量技术不能准确的测量出目标对象的深腔全貌，从而影响到对目标对象的深腔的测量。
发明内容
本申请的主要目的在于提供深腔测量方法、装置、设备及介质，旨在解决现有技术中三维测量技术不能准确的测量出目标对象的深腔全貌，从而影响到对目标对象深腔测量的技术问题。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种深腔测量方法，应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置；
所述方法包括：
基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得；
基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据；
基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型；
其中，所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于所述激光投影仪发射的激光，获得反射在所述锥面反射镜上的第一反射光；
基于反射在所述锥面反射镜上的第一反射光，获得反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光；其中，所述第二反射光为包含所述深腔对象的内壁信息的圆环结构光；所述第二反射光由所述第一反射光反射获得；
基于反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光，获得所述深腔对象的深腔内壁图像。
可选地，在所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像的步骤之前，还包括：
对所述工业相机、所述激光投影仪和所述玻璃管分别进行标定；
所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于标定后的所述工业相机、标定后的所述激光投影仪和标定后的所述玻璃管，获取所述深腔对象的深腔内壁图像。
可选地，在所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据的步骤之前，还包括：
基于所述测量系统，构建世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和图像像素坐标系；
基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型；
所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据，包括：
基于所述深腔对象的深腔内壁图像、所述成像模块模型、所述投影模块模型和所述反射模块模型，获得所述深腔对象的三维数据。
可选地，所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建成像模块模型：
其中，所述世界坐标系与所述相机坐标系之间的关系为：
所述像平面坐标系与所述相机坐标系之间的关系为：
其中，表示相机坐标系中的Z轴坐标，/>表示相机坐标系中的Y轴坐标，/>表示相机坐标系中的X轴坐标，/>表示工业相机的对应的物距，/>表示工业相机的对应的像距，/>表示工业相机的对应的焦距，/>表示工业相片上一个像素的长度，dy表示工业相片上一个像素的宽度，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵，/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的平移矩阵，/>表示世界坐标系中的X轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标。
可选地，所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建投影模块模型：
其中，a、b和c均为常数，函数Fi（）表示XW，YW，ZW，a，b，c六个参数的函数关系。
可选地，所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建反射模块模型：
其中，A、B、C均表示平面γ的法向量参数，D表示常数，表示反射光线/>在平面/>上与母线MN的夹角，/>表示母线MN的方向向量，/>反射光线/>的方向向量。
可选地，所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
反射光线的表达式为：
其中，表示母线上N点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的z轴坐标，/>、/>和/>均表示反射光线的向量参数；
母线MN的表达式为：
其中，表示母线上M点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的z轴坐标；
平面γ的表达式为：
。
第二方面，本申请提供了一种深腔测量装置，应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置；
所述装置包括：
获取模块，用于基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得；其中，所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于所述激光投影仪发射的激光，获得反射在所述锥面反射镜上的第一反射光；
基于反射在所述锥面反射镜上的第一反射光，获得反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光；其中，所述第二反射光为包含所述深腔对象的内壁信息的圆环结构光；所述第二反射光由所述第一反射光反射获得；
基于反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光，获得所述深腔对象的深腔内壁图像；
获得模块，用于基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据；
构建模块，用于基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型。
第三方面，本申请提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现实施例中所述的方法。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现实施例中所述的方法。
通过上述技术方案，本申请至少具有如下有益效果：
本申请实施例提出的深腔测量方法、装置、设备及介质，应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置；所述方法包括：基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得；基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据；基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型。
即，当需要测量深腔对象的深腔内壁时，通过激光投影仪发射激光，该激光会照射在锥面反射镜的锥面上，然后照射在锥面反射镜上的激光会反射到深腔对象的深腔内壁上，工业相机再获得反射到深腔对象的深腔内壁上的激光，通过深腔内壁上的激光即可获得深腔内壁图像，再对深腔内壁图像进行处理后，得到深腔对象的深腔内壁的三维数据，深腔内壁的三维数据主要包括深腔内壁的坐标数据，根据腔内壁的三维数据即可构建出深腔对象的深腔内壁的真实三维模型，通过深腔对象的深腔内壁的三维模型即可完成对深腔对象的深腔进行测量。即，由于激光投影仪发射的激光照射在锥面反射镜上，通过锥面反射镜反射到深腔对象的深腔内壁上的反射光，可以360°无死角的照射在深腔对象的深腔内壁上；因此，可以更准确的测量出深腔对象的深腔全貌，从而可以对深腔对象的深腔进行更好的测量。
附图说明
图1为本申请实施例涉及的硬件运行环境的计算机设备结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种深腔测量方法的流程图；
图3为本实施例提供的深腔测量的系统示意图；
图4为本实施例提供的工业相机与激光投影仪横向排列的示意图；
图5为本实施例提供的工业相机标定的装置的示意图；
图6为本实施例提供的激光投影仪标定的示意图；
图7为本实施例提供的结构光曲面标定装置示意图；
图8为本实施例提供的玻璃管标定的示意图；
图9为本实施例提供的玻璃管映射关系标定装置示意图；
图10为本实施例提供的深腔测量系统的几何模型示意图；
图11为本实施例提供的小孔成像模型示意图；
图12为本实施例提供的工业相机成像几何模型示意图；
图13为本实施例提供的光学三角法几何的示意图；
图14为本实施例提供的锥面反射镜反射的光路示意图；
图15为本实施例提供的深腔测量系统结构模式的示意图；
图16为本申请实施例提供的一种深腔测量装置的示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
三维测量是通过各种方法对被测物进行测量，确定被测物的三维坐标数据，从而对被测物进行三维重建的一项技术，常用的光学非接触式三维形貌测量方法主要包括立体视觉法、结构光法、激光测距法和干涉法等。
其中，结构光法三维测量系统由相机、激光投射器和被测物体组成，激光器将某种形式的结构光投射到物体上，形成了包含物体表面信息的调制图像，该图像被相机捕捉，传输到计算机中，经过后续处理可以得到物体特征点的三维坐标。提取物体上的稠密特征点，即可由激光图像在计算机中重建物体的三维立体模型。结构光法三维测量实时性好，测量精度高，原理简单，过程易操作。另外，由于采用的激光光束能量集中，适合于远距离测量，且系统结构简单、工作范围大，因此被广泛用于工业环境中。
现有的三维测量技术主要集中于有限测量范围、有限测量角度或开阔表面的三维测量，而对于深腔等受限空间和360°全貌的三维测量研究则开展得较少。具体难点表现在：
（1）测量系统尽量小。许多研究完善的三维测量系统体积较大，无法进行深腔这一类特定目标的三维测量，因此无法应用到管道、通道、孔径、进气道等较为狭窄的场景。
（2）工作距离尽量短。目前较为成熟的非接触式光学三维测量技术往往伴随着激光照射或模式光投影，需要为光路留出充分富裕的空间，因此工作距离普遍较长，但许多构件的内部工作区域没有冗余的空间可供使用。
（3）360°环视测量。全景三维测量在许多场合具有十分重要的作用，但是针对它的研究并不广泛，方法多以重复几次单视场三维测量从而拼接全景为主。拼接而成的三维模型具有拼接缝、像素分布不均匀等缺陷，效果并不理想。
综上，通过目前的三维测量技术不能准确的测量出目标对象的深腔全貌，从而影响到对目标对象的深腔的测量。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种深腔测量方法、装置、设备及介质，在介绍本申请的具体技术方案之前，先介绍下本申请实施例方案涉及的硬件运行环境。
参照图1，图1为本申请实施例方案涉及的硬件运行环境的计算机设备结构示意图。
如图1所示，该计算机设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器（CentralProcessing Unit，CPU），通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏（Display）、输入单元比如键盘（Keyboard），可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如无线保真（WIreless-FIdelity，WI-FI）接口）。存储器1005可以是高速的随机存取存储器（RandomAccess Memory，RAM）存储器，也可以是稳定的非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM），例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对计算机设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及电子程序。
在图1所示的计算机设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本申请计算机设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在计算机设备中，所述计算机设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的深腔测量装置，并执行本申请实施例提供的深腔测量方法。
参照图2-图3，基于前述实施例的硬件环境，本申请的实施例提供了一种深腔测量方法，图3为本实施例提供的深腔测量的系统示意图。图3中，标号1表示工业相机，标号2表示激光投影仪，标号3表示锥面反射镜，标号4表示玻璃管，标号5表示深腔对象，标号6表示支撑组件，标号7表示底座。该方法应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置。
其中，支撑组件安装在底座上，玻璃管和工业相机均安装在支撑组件上，支撑组件包括多个支架，在安装时底座要尽可能避免振动和位移，保持整套系统的稳定性和实验结果的精确性，使用支撑组件将各个器件固定好，按照事先计算的理想器件距离横向移动支架，利用标尺调整好各个器件之间的相对位置，调整支架高度使得需要光轴同心的各个光学器件保持同一高度。通过激光投影仪代替了传统三维测量系统中的激光器作为光源，激光投影仪采用激光扫描原理，相对于传统投影仪具有无散焦的特点，可以视作多条线结构光同时投射，多条激光线可以通过相位编码进行识别，激光投影仪投影出来的面结构光由共圆心的数个黑白相间的圆环组成，亦可以看成数条圆结构光嵌套在一起。由于同时投射出多条结构光照射在待测内壁上，故原本需要沿深度方向平移从而获取多组数据的测量过程就可以简化为只获取一组数据，既节省时间、节约成本，又可以避免平移过程产生的误差，提高系统的效率和可靠性。其中，锥面反射镜的作用是反射激光投影仪投射出来的激光，减少激光光路长度，扩大激光出射角，使激光在有限空间内有效地照射在被测深腔内壁上，锥面反射镜上的涂层材料要经过抛光处理，才能够有效地反射激光，本系统中的锥面反射镜顶角为60度，底面直径与相机的尺寸相匹配，初步设计为28mm，表面涂层为保护性铝膜。工业相机相对于普通的数码相机来说，工业相机具有体积小、重量轻、不受磁场干扰、具有抗震动和撞击等特性，更加稳定可靠，并且容易安装比较适合进行高质量的图像处理算法。工业相机的分辨率在一定范围内越高越好，但也不能选择过高分辨率的相机，会导致帧率下降、图像处理速度慢等问题。本系统是静止检测，这将大幅降低系统成本预算，工业相机的工作是将景物发出的光线在像平面上成像，其视场角一般不会非常大，若想要使激光条成像在图像中央，就需要相机距离被测通道较远。这样会增加系统体积，使导轨变长，增加硬件成本。为了保证成像质量不受影响，考虑使用两个工业相机进行图像捕捉，构建双目测量系统。
通过该系统测量深腔对象的深腔时，先将工业相机、激光投影仪、锥面反射镜等组件按照事先计算好的位置摆放在深腔对象的待测深腔内，将系统固定。
工业相机和激光投影仪的相对位置采用横向排列，二者的光轴是共线的，工业相机和激光投影仪安置在深腔对象的深腔两侧，这样导轨和固定装置不会对结果造成干扰，实验能够顺利完成。各部件的位置关系如图4所示，图4为本实施例提供的工业相机与激光投影仪横向排列的示意图。该图4中，标号1表示工业相机，标号2表示激光投影仪。激光出射点和锥面反射镜的顶点相距为，激光投影仪出射角为φ，锥面反射镜顶角为θ，工业相机视场角为δ，通道直径为d。根据几何关系，可以得到激光投影仪和工业相机之间的距离m为：
其中，表示激光经过锥面反射镜反射的激光与深腔内表面的交点到激光投影仪的水平距离，/>表示激光经过锥面反射镜反射的激光与深腔内表面的交点到工业相机的水平距离。
锥面反射镜的圆锥曲面几何方程可表示为：
=/>
其中，v、g和e均表示曲面方程的三个待定参数。
在系统设计中，要求各个器件的光轴重合，即各光学元件处于同一高度上，为了实现这一要求，将单独固定各个元件的方式改为统一固定，考虑使用带有标尺的一维导轨底座和统一规格的金属支架结构，将金属支架依次固定在一维导轨底座的中心轴上，金属支架可以通过螺丝调节垂直高度，将光学元件固定在金属支架上，金属支架带动光学元件在一维导轨底座上进行轴向位移。锥面反射镜的顶点位于中心轴上，侧面为有效反射区域，底面为装置固定的位置。在设计尺寸之前需要根据结构的具体重量和尺寸计算力臂平衡关系，另外还需要选择硬度较大的金属材质来制作支架，减少支架由于受到重力作用而变形的程度，确保支架结构足够稳定，不会对系统的测量结果造成不必要的误差。
本申请中，整套系统所需要的硬件包括被测通道、激光投影仪、锥面反射镜、工业相机、玻璃管、导轨底座和支架结构。将激光投影仪与锥面反射镜都装配到玻璃管中，该集成机构放置于深腔对象的一侧，工业相机放置于深腔对象的另一侧。在安装时，先将导轨固定在底座上，底座要尽可能避免振动和位移，保持整套系统的稳定性和实验结果的精确性。使用支架结构将各个器件固定在导轨上，按照事先计算的理想器件距离横向移动支架，利用标尺调整好各个器件之间的相对位置，调整支架高度使得需要光轴同心的各个光学器件保持同一高度。将激光投影仪、锥面反射镜和工业相机装配至大致共心，在精确调整光轴同心的过程中，可以打开激光投影仪，投射出一个激光点作为基准，调整锥面反射镜的高度，使结构中心对齐。调整激光投影仪在玻璃管中的位置，当激光点照射在锥面反射镜的顶点处，不向四周反射激光，即为共光轴。此时各个光学结构的中轴线全部重合，调整好后将支架结构固定，在接下来的测量过程中，将不再移动其他器件的位置。
基于上述测量系统，该测量方法包括如下步骤：
S10：基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得。
在具体实施过程中，先基于所述激光投影仪发射的激光，获得反射在所述锥面反射镜上的第一反射光；然后基于反射在所述锥面反射镜上的第一反射光，获得反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光；其中，所述第二反射光为包含所述深腔对象的内壁信息的圆环结构光；所述第二反射光由所述第一反射光反射获得；然后基于反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光，获得所述深腔对象的深腔内壁图像。即，获得深腔对象的深腔内壁图像时，通过激光投影仪发射激光，该激光会照射在锥面反射镜的锥面上，并形成第一反射光，第一反射光再反射到深腔对象的深腔内壁上，经过深腔内壁反射后形成第二反射光，工业相机再获得第二反射光。由于第二反射光由第一反射光反射而来，第一反射光由锥面镜反射而来，锥面镜能反射出360°的圆环结构光，360°的圆环结构光能无死角的反射到深腔内壁上，因此第二反射光包含了深腔内壁更全更准确的信息，因此通过第二反射光可以获得信息更全、更准确的深腔内壁图像。
S11：基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据。
在具体实施过程中，由于深腔对象的深腔内壁图像带有更全、更准确的深腔内壁信息，因此，根据深腔对象的深腔内壁图像，可以更准确的获得深腔对象的三维数据。
S12：基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型。
在具体实施过程中，根据深腔对象的三维数据可以反推出深腔对象的真实三维模型，这样即可对深腔对象的深腔内壁进行测量。
本实施例中，当需要测量深腔对象的深腔内壁时，通过激光投影仪发射激光，该激光会照射在锥面反射镜的锥面上，然后照射在锥面反射镜上的激光会反射到深腔对象的深腔内壁上，工业相机再获得反射到深腔对象的深腔内壁上的激光，通过深腔内壁上的激光即可获得深腔内壁图像，再对深腔内壁图像进行处理后，得到深腔对象的深腔内壁的三维数据，深腔内壁的三维数据主要包括深腔内壁的坐标数据，根据腔内壁的三维数据即可构建出深腔对象的深腔内壁的真实三维模型，通过深腔对象的深腔内壁的三维模型即可完成对深腔对象的深腔进行测量。即，由于激光投影仪发射的激光照射在锥面反射镜上，通过锥面反射镜反射到深腔对象的深腔内壁上的反射光，可以360°无死角的照射在深腔对象的深腔内壁上；因此，可以更准确的测量出深腔对象的深腔全貌，从而可以对深腔对象的深腔进行更好的测量。
在一些实施例中，为了进一步更准确的对深腔对象的深腔内壁进行测量，在一些实施例中，给出了如下方案：在所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像的步骤之前还包括：
对所述工业相机、所述激光投影仪和所述玻璃管分别进行标定；
所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于标定后的所述工业相机、标定后的所述激光投影仪和标定后的所述玻璃管，获取所述深腔对象的深腔内壁图像。
在具体实施过程中，如图5所示，图5为本实施例提供的工业相机标定的装置的示意图，图5中，标号1表示工业相机，标号6表示支撑组件，标号7表示底座，标号16表示平面棋盘格靶标。工业相机标定方法为张正友标定法，该方法要求使用工业相机拍摄多个不同方位的平面靶标，改变工业相机和平面靶标之间的相对位置，拍摄的靶标照片越多，标定出来的相机参数越准确，但相应的，计算量也越大。在移动工业相机和靶标的相对位置时，不需要知道二者的运动参数，并且默认工业相机的内部参数是固定不变的。即不论工业相机从哪个角度拍摄平面靶标，都认为相机的内部参数是常数，改变的仅仅是工业相机的外部参数。张正友标定法所使用的平面靶标为黑白相间的棋盘格，方格点即为标定所用的特征点。
如图6-图7所示，所示，图6为本实施例提供的激光投影仪标定的示意图，图7为本实施例提供的结构光曲面标定装置示意图。该图6中，标号2表示激光投影仪；图7中标号1表示工业相机，标号2表示激光投影仪，标号6表示支撑组件，标号7表示底座，标号16表示平面棋盘格靶标，标号17表示空白板。激光投影仪标定的方法为多参考平面结构光标定法，将标定板依次放置于各个参考平面上，并用相机依次拍摄包含标定板的图像，不需要知道工业相机的内外参数，在计算机中建立好图像平面和各个参考平面的映射关系后，将结构光投射到位于各个参考平面的空白板上，形成激光图案，并使用相机拍摄激光图案。面结构光由激光投影仪投射到空间中，每一个截面由黑白相间的同心圆环组成。针对投射出的每一个圆环，都可以认为它在空间中传播的路线是一个圆锥。因此，激光投影仪投射出来的数个同心圆环，在空间中的传播路径可以看做是一系列顶点相同、中心轴重合的逐个嵌套的圆锥曲面。所述结构光的标定工作目的是拟合出这一系列圆锥曲面的空间方程。当使用一系列间距相等的平面依次截圆锥曲面时，会产生一系列椭圆交线或圆形交线。使用工业相机拍摄每一个平面上的图像，从图像中提取这些交线，在计算机中进行拟合运算，即可估计出该圆锥曲面的空间方程。对每一个面结构光上的圆环都进行上述计算，最终得到一系列互相嵌套的圆锥曲面空间方程。
如图8-图9所示，图8为本实施例提供的玻璃管标定的示意图，图9为本实施例提供的玻璃管映射关系标定装置示意图。图8中，标号4表示玻璃管，标号8表示入射光线，标号9表示出射光线；图9中，标号1表示工业相机，标号4表示玻璃管，标号6表示支撑组件，标号7表示底座，标号16表示平面棋盘格靶标。玻璃管标定的目的是建立玻璃管畸变映射表，玻璃管既作为相机的支撑和保护装置，又为锥面反射镜提供了支撑组件。光线被相机捕捉时，中途会经过玻璃管，由于玻璃的折射作用会发生一定程度上的横向位移，但是光线传播方向不发生改变。这一段横向位移大约为2-6个像素左右，对测量的精度产生了影响。为了尽量消除这一部分由玻璃管引入的误差，需要建立真实图像和引入玻璃管后产生光线偏折的误差图像之间的像素对应关系，从而修正畸变。
经过上述方法分别对工业相机、激光投影仪和玻璃管分别进行标定后，再基于标定后的所述工业相机、标定后的所述激光投影仪和标定后的所述玻璃管，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，这样获得的深腔对象的深腔内壁图像更能全面准确的反应出深腔内壁的信息。
为了更高效、更准确的获得深腔对象的三维数据，在一些实施例中，给出了如下方案：在所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据的步骤之前还包括：
基于所述测量系统，构建世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和图像像素坐标系；基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型；
所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据的步骤包括：基于所述深腔对象的深腔内壁图像、所述成像模块模型、所述投影模块模型和所述反射模块模型，获得所述深腔对象的三维数据。
在具体实施过程中，如图10所示，图10为本实施例提供的深腔测量系统的几何模型示意图。该图10中，标号10表示世界坐标系，标号11表示相机坐标系，其中，OL为激光入射点，N为锥面反射镜反射点，N'为深腔内壁反射点，Ow为世界坐标系圆心，XW为世界坐标系的X轴，YW为世界坐标系的Y轴，ZW为世界坐标系的Z轴，Oc为相机坐标系圆心，Xc为相机坐标系的X轴，Yc为相机坐标系的Y轴，Zc为相机坐标系的Z轴，α为入射光线与锥面反射镜之间夹角，θ为锥面反射镜顶角。为了工业相机拍摄激光投射的光源经锥面镜反射到深腔内表面的条纹，系统模型可以分为成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型。如图11所示，图11为本实施例提供的小孔成像模型示意图，图11中，标号12表示像平面，标号13表示物平面，标号14表示焦平面，标号15表示透镜（即工业相应的简化）。根据透镜成像原理，物体经透镜成像，在像面上成倒立像。其中f为焦距，即焦点到透镜中心的距离。u为物距，v为像距，分别为物点和像点到透镜中心的距离。根据几何关系，三者的关系为：
如图12所示，图12为本实施例提供的工业相机成像几何模型示意图，图12中，标号10表示世界坐标系，标号11表示相机坐标系，标号12表示像平面。工业相机的镜头是一组透镜，可以简化为一个凸透镜，感光元件设置在焦面附近，这时候就会形成小孔成像模型。如图13所示，图13为本实施例提供的光学三角法几何的示意图。图13中，标号12表示像平面，标号18表示光源。系统模型的基本原理是光学三角法，将相机、光源和待测物体全部放在世界坐标系中，各个坐标系之间的位置关系如图11所示。建立相机坐标系，其中相机的位置为相机坐标系原点/>，相机和光源的连线为相机坐标系的/>轴，相机光轴方向为轴。光源发出结构光，结构光与/>轴夹角为α，/>轴与结构光平面的交点为空间辅助坐标系原点/>，取空间辅助坐标系/>轴与/>轴平行且方向相同，/>轴与/>轴平行且方向相反，/>轴与/>轴重合且方向相反，建立空间辅助坐标系/>。相机坐标系原点和空间辅助坐标系原点/>连线距离为/>。空间辅助坐标系/>和世界坐标系之间只需通过旋转矩阵和平移矩阵的运算即可实现互相转化。建立相片像素坐标系像平面坐标系/>。相片像素坐标系原点/>往往取相片左上角的第一个像素，u和v代表某个像素的列数和行数。像平面坐标系原点/>在位于相机光轴上，一般处于相片的中心，x轴和u轴平行，y轴和v轴平行。
其中，世界坐标系与相机坐标系之间转换的关系式为：
像平面坐标系与相机坐标系之间转换的关系式为：
最终，通过如下关系式，构建成像模块模型：
其中，表示相机坐标系中的Z轴坐标，/>表示相机坐标系中的Y轴坐标，/>表示相机坐标系中的X轴坐标，/>表示工业相机的对应的物距，/>表示工业相机的对应的像距，/>表示工业相机的对应的焦距，/>表示工业相片上一个像素的长度，dy表示工业相片上一个像素的宽度，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵（3×3正交矩阵），/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的平移矩阵（三维向量），/>表示世界坐标系中的X轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标。
和T的表达式为：
其中，、/>、/>分别代表X、Y、Z方向的平移量；旋转矩阵R为正交矩阵，R中的9个元素是3个独立的旋转角/>、/>和/>的函数。因为是绕连动轴的旋转，故采用不同的转角顺序，各元素的值是不一样的，在常规摄影测量中普遍采用的是/>、/>、/>转角顺序，各元素值如下：
/>
投影模块模型为建立结构光传播路径中一系列顶点相同、中心轴重合的圆锥曲面模型。对于单独某一个结构光圆环来说，建立它的传播路径圆锥曲面空间方程（即投影模块模型）：
其中，a、b和c均为常数，通过测量数据进行拟合求解，具体的通过最小二乘法进行求解；函数Fi（）表示XW，YW，ZW，a，b，c六个参数的某种函数关系，无固定表达式。
如图14所示，图14为本实施例提供的锥面反射镜反射的光路示意图，图14中标号3表示锥面反射镜，标号10表示世界坐标系。反射模块模型为入射光线经过锥面反射镜反射后出射到深腔内壁上的光线几何模型。光线入射到锥面反射镜上，遵循反射定律，以相同的角度出射。因此只要已知激光投影仪和锥面反射镜的位置关系，就可以通过激光投影仪投射出来的光线方程求出照射在被测管道内壁上的光线方程，也就可以通过光学三角法，求出像片中特征点的像素坐标和对应物点的三维空间坐标之间的转换关系。锥面反射镜在世界坐标系中的空间方程为：
其中，函数ΨM表示XW，YW，ZW，a，b，c六个参数的某种函数关系，无固定表达式。
母线MN的两点式空间方程为：
母线MN的表达式为：
其中，表示母线上M点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的z轴坐标；
平面γ的表达式为：
反射光线的表达式为：
其中，表示母线上N点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的z轴坐标，/>、/>和/>均表示反射光线的向量参数。
基于以上内容，通过如下关系式，构建反射模块模型：
其中，A、B、C均表示平面γ的法向量参数，D为常数项，也表示在Y轴上的截距，表示反射光线/>在平面/>上与母线MN的夹角，/>表示母线MN的方向向量，/>反射光线/>的方向向量。
如图15所示，图15为本实施例提供的深腔测量系统结构模式的示意图。图13中，标号1表示工业相机，标号2表示激光投影仪，标号3表示锥面反射镜，标号5表示深腔对象，激光光源经过二维MEMS扫描，投射出黑白相间的圆环状面结构光，照射在锥面反射镜的镜面上，根据反射定律进行反射并照射在待测内壁上。待测深腔内壁上将会显示包含内壁三维形貌的黑白条纹投影，激光投影仪的位置可以根据需要测量的有效内壁范围进行调整，找到适合的条纹投影位置。工业相机位于通道的另一端，其光轴需要与激光投影仪的光轴重合。用相机拍摄一张待测内壁的条纹照片，通过线缆传输到计算机中。在计算机中进行后期的图像特征提取、无效信息处理等步骤，找出图像中激光条纹的边缘特征点，根据数学模型，将特征点的像素坐标转化为世界坐标系中的三维空间坐标，即可建立待测表面的三维形貌模型。
假设空间中有一物点A，其空间辅助坐标为，对应的像点为A’。由空间辅助坐标系和相机坐标系之间的位置关系，可以得出
由物点A和像点A’之间的对应关系，可以写出如下关系式
其中f为工业相机焦距。进而有
在空间辅助坐标系中，结构光平面的方程为：
进而有
设相片上一个像素的长和宽分别为dx和dy，像平面坐标系原点Oi在像素坐标系中的坐标为。则像点/>在像素坐标系中的坐标为：/>
将上式进行逆变换，即有：
像点像素坐标和物点空间辅助坐标之间的关系为
根据上述原理，只要知道物点在相片上的像素坐标，就可以通过相关参数求解出待求物点在空间辅助坐标系中的三维坐标，再将空间辅助坐标系经过平移和旋转，即可求出物点空间坐标。当待测物体上的每一个特征点都已知其空间位置，即可建立待测物体的空间点云模型，从而拟合出待测物体的三维模型。
综上，基于上述测量系统，通过上述测量方法具有如下优势：
（1）在系统中引入了激光投影仪。传统的结构光三维测量系统使用的是激光器，一次只投射出一条圆形激光线，测量过程中每拍摄一张激光图像，就需要将相机和激光器同时向测量深度方向平移一小段距离。最终三维重建的结果精度非常依赖于拍摄的图像数量，提高三维重建精度就会导致工作量急剧增加。本系统将传统的激光器换成激光投影仪，一次性投射数个黑白相间的同心圆环面结构光在被测内壁上，整个测量过程中不需要平移激光投影仪和相机，大大降低了工作量，整个系统在开始测量后不再有相对移动，避免了由于移动器件而导致的测量误差，提高了测量精度。
（2）系统体积较小，工作距离较短，可用于狭窄空间的深腔测量中。传统三维测量系统体积直径通常在几十厘米左右，难以应用在管道、深腔等狭窄空间。本申请中各模块最大直径不到10厘米，在管道、通道、发动机进气道等特殊狭窄空间内可以方便地进行测量。
（3）系统可以实现360°全景三维测量。由于系统采用激光投影仪和锥面反射镜形成结构光，光线可以覆盖到深腔全部内壁，因此相机采集的图像中包含深腔内360°全景的形貌信息，最终可以完成全景三维形貌重建，不需要拍摄多张小视角的图像进而拼接成大视角图像，避免了由于拼接而导致的测量误差。
（4）通过预先构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型可以极大的提高对深腔对象的深腔测量的准确性和效率。
总而言之，本申请设计了一套能够应用于深腔形貌重建的非接触式三维测量系统，该系统主要由工业相机、激光投影仪和锥面反射镜组成。能够完成相机标定、结构光曲面标定、投射光条和拍摄图像等一系列工作，最终在计算机中重建出被测目标的三维立体模型，且系统体积小、工作距离短，具有360°内表面环视测量特点。
在另一实施例中，如图16所示，基于与前述实施例相同的发明思路，本申请的实施例还提供了一种深腔测量装置，应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置；该装置包括：
获取模块，用于基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得；
获得模块，用于基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据；
构建模块，用于基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型。
需要说明的是，本实施例中深腔测量装置中各模块是与前述实施例中的深腔测量方法中的各步骤一一对应，因此，本实施例的具体实施方式和达到的技术效果可参照前述深腔测量方法的实施方式，这里不再赘述。
此外，在一种实施例中，本申请还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器，存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现前述实施例中方法。
此外，在一种实施例中，本申请还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现前述实施例中方法。
在一些实施例中，计算机可读存储介质可以是FRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、磁表面存储器、光盘、或CD-ROM等存储器；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备。计算机可以是包括智能终端和服务器在内的各种计算设备。
在一些实施例中，可执行指令可以采用程序、软件、软件模块、脚本或代码的形式，按任意形式的编程语言（包括编译或解释语言，或者声明性或过程性语言）来编写，并且其可按任意形式部署，包括被部署为独立的程序或者被部署为模块、组件、子例程或者适合在计算环境中使用的其它单元。
作为示例，可执行指令可以但不一定对应于文件系统中的文件，可以可被存储在保存其它程序或数据的文件的一部分，例如，存储在超文本标记语言（HTML，Hyper TextMarkup Language）文档中的一个或多个脚本中，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者，存储在多个协同文件（例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件）中。
作为示例，可执行指令可被部署为在一个计算设备上执行，或者在位于一个地点的多个计算设备上执行，又或者，在分布在多个地点且通过通信网络互连的多个计算设备上执行。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述 实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通 过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的 技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体 现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如只读存储器/随机存取存储器、磁碟、光 盘）中，包括若干指令用以使得一台多媒体终端设备(可以是手机，计算机，电视接收机，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种深腔测量方法，其特征在于，应用于测量系统，所述测量系统包括支撑组件，所述支撑组件用于支撑深腔对象，所述深腔对象的两侧分别设有玻璃管和工业相机，所述玻璃管内依次安装有激光投影仪和锥面反射镜，所述激光投影仪、所述锥面反射镜和所述工业相机均同轴设置；
所述方法包括：
基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像；所述深腔内壁图像基于反射在所述锥面反射镜上的激光获得；
基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据；
基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型；
其中，所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于所述激光投影仪发射的激光，获得反射在所述锥面反射镜上的第一反射光；
基于反射在所述锥面反射镜上的第一反射光，获得反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光；其中，所述第二反射光为包含所述深腔对象的内壁信息的圆环结构光；所述第二反射光由所述第一反射光反射获得；
基于反射在所述深腔对象内壁上的第二反射光，获得所述深腔对象的深腔内壁图像；
在所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据的步骤之前，还包括：
基于所述测量系统，构建世界坐标系、相机坐标系、像平面坐标系和图像像素坐标系；
基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型；
所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建成像模块模型：
其中，所述世界坐标系与所述相机坐标系之间的关系为：
所述像平面坐标系与所述相机坐标系之间的关系为：
其中，表示相机坐标系中的Z轴坐标，/>表示相机坐标系中的Y轴坐标，/>表示相机坐标系中的X轴坐标，/>表示工业相机的对应的物距，/>表示工业相机的对应的像距，/>表示工业相机的对应的焦距，/>表示工业相片上一个像素的长度，dy表示工业相片上一个像素的宽度，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的/>坐标，/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵，/>表示从世界坐标系转换到相机坐标系的平移矩阵，/>表示世界坐标系中的X轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标，/>表示世界坐标系中的/>轴坐标；
所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建投影模块模型：
其中，a、b和c均为常数，函数Fi（）表示XW，YW，ZW，a，b，c六个参数的函数关系；
所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
通过如下关系式，构建反射模块模型：
其中，A、B、C均表示平面γ的法向量参数，D表示常数，表示反射光线/>在平面/>上与母线MN的夹角，/>表示母线MN的方向向量，/>反射光线/>的方向向量；
所述基于所述深腔对象的深腔内壁图像，获得所述深腔对象的三维数据，包括：
基于所述深腔对象的深腔内壁图像、所述成像模块模型、所述投影模块模型和所述反射模块模型，获得所述深腔对象的三维数据。
2.如权利要求1所述的深腔测量方法，其特征在于，在所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像的步骤之前，还包括：
对所述工业相机、所述激光投影仪和所述玻璃管分别进行标定；
所述基于所述工业相机，获取所述深腔对象的深腔内壁图像，包括：
基于标定后的所述工业相机、标定后的所述激光投影仪和标定后的所述玻璃管，获取所述深腔对象的深腔内壁图像。
3.如权利要求1所述的深腔测量方法，其特征在于，所述基于所述世界坐标系、所述相机坐标系、所述像平面坐标系和所述图像像素坐标系，构建成像模块模型、投影模块模型和反射模块模型，包括：
反射光线的表达式为：
其中，表示母线上N点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上N点在世界坐标上的z轴坐标，/>、/>和/>均表示反射光线的向量参数；
母线MN的表达式为：
其中，表示母线上M点在世界坐标上的x轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的y轴坐标，/>表示母线上M点在世界坐标上的z轴坐标；
平面γ的表达式为：
。
4.如权利要求1所述的深腔测量方法，其特征在于，所述基于所述深腔对象的三维数据，构建所述深腔对象的三维模型，包括：
获取所述深腔对象在工业相片上的像素坐标；
基于所述像素坐标，获取所述深腔对象在空间辅助坐标系中的三维空间坐标；
基于所述空间辅助坐标系中的三维空间坐标，获取所述深腔对象在世界坐标系的三维空间坐标；
基于所述世界坐标系的三维空间坐标，获取所述深腔对象的空间点云模型；
基于所述空间点云模型，拟合获得所述深腔对象的三维模型。
5.一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-4中任一项所述的深腔测量方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-4中任一项所述的深腔测量方法。
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| CN202310341167.3A CN116067283B (zh) | 2023-04-03 | 2023-04-03 | 一种深腔测量方法、装置、设备及介质 |
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