CN1184531C - 实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法 - Google Patents

Abstract

实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法是一种在单个视角三维像机的基础上进行物体表面三维数据多视角采集，以及将各个视角所采集的数据对齐复位于同一空间坐标系中的方法，该方法为采用一个单视角三维像机和一个旋转台，将旋转台放在三维像机前方的有效取景范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机对旋转台上的小球进行参数标定；将被测物固定在旋转台上，用单视角三维像机对被测物的表面作多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐复位，输出被测物体表面完整的三维数据。本发明可用单视角三维像机进行多视角采集，并对各个视角采集的三维数据进行自动对齐、复位，且结构简单、成本低、操作容易。

Description

实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法

一、技术领域

本发明涉及一种在单个视角三维像机的基础上进行物体表面三维数据多视角采集，以及将各个视角所采集的数据对齐复位于同一空间坐标系中的方法。

二、背景技术

自然物体表面三维数据的采集，往往需要从多个角度进行，并将这些不同视角观察的三维数据通过对齐复位过程表示于同一参考坐标系中，恢复其原有的相互之间空间位置关系，以获取物体表面较完整的三维信息。

在单视角三维像机基础上，多视角三维数据采集主要是对齐复位的过程。对齐复位的方法从其信息来源角度主要分为主动式和被动式两类。

主动式方法是指在各个视角三维数据采集时就主动地去记录可以直接导出各观察角度相互位置的信息。现有的此类方法存在着对采集过程的特殊要求，或者精密复杂的位移装置等方面的严格限制。典型的例子如德国GOM公司的Atos三坐标测量方法，采用预设标记点，根据两两视角三维数据中共有的一定数目的标记点位置的关系，确定各视角之间坐标转换关系。又一典型的例子如：英国3DScanners公司将单视角三维扫描装置安装于可以多自由度运动扫描、可精确定位的运动装置上，实现多视角三维数据的采集，并利用各视角采集运动装置各个自由度的状态数据，确定各视角之间坐标转换关系以进行对齐复位。

被动式方法是指从两两视角三维数据本身信息中提取相互之间位置关系，并将其复位对齐到同一坐标系中，而对采集过程不附加任何特殊的操作和限制。这类方法存在的共同问题是各视角之间三维数据对齐复位的过程需要人工的参与以及精度难以提高。如Besl和Mckay等基于点匹配的对齐复位方法，基于某种准则，通过迭代过程来求坐标变换关系的。

三、技术内容

1、发明目的：

本发明的目的是提供一种用单视角三维像机进行多视角采集，并对各个视角采集的三维数据进行自动对齐复位且结构简单、成本低、操作容易的的实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法。

2、技术方案：

本发明的实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法，使得单视角三维像机能够采集被测物体各个视角的三维数据，并使得采集到的各个视角三维数据能够自动对齐复位到统一的坐标系中。其具体的方法是：采用一个单视角三维像机和一个旋转台，将旋转台放在三维像机前方的有效取量范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机对旋转台上的小球进行参数标定；将被测物固定在旋转台上，用单视角三维像机对被测物表面，作多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐复位，输出被测物体表面完整的三维数据。参数标定的步骤为：将旋转装置固定于单视角三维像机的取景范围内，与单视角三维像机的位置保持不变；将一个用来标定的小球放置于旋转台上，随旋转台作三次的旋转，记录下小球每次旋转的角度，并由单视角三维像机采集每次旋转后小球的三维位置。

多视角数据采集的步骤为：将被测物体固定在旋转台上，记录下旋转台旋转的角度，设定该角度为旋转台旋转角度的初始位置；a、旋转台旋转，使被测物体待测表面部分逐次移入单视角三维像机的取景范围内，记录下旋转台从初始位置开始的旋转角度；b、单视角三维像机对移入自己取景范围内的被测物体待测表面部分进行三维数据采集；重复上述a、b两个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据采集完毕后，即完成多视角采集过程。

数据对齐和复位的步骤为：取出旋转轴的标定数据，即关于单视角三维像机坐标系统的旋转轴上一点的三维坐标和旋转轴矢量的三维数据，计算出关于单视角三维像机坐标系统任意一点随旋转台旋转一定角度前后的坐标对应关系，建立一个关于旋转角度的函数；逐次取出被测物体各部分待测表面单个视角采集到的三维数据及对应的偏离旋转台旋转初始位置的旋转角度，利用上述步骤中得到的函数，将该部分待测表面的三维数据复位成该表面对应旋转台初始角度时的三维坐标；重复上述一个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据均复位成对应旋转台初始角度时的三维坐标，即完成对齐复位过程；输出对齐复位后物体被测表面完整的三维数据。

3、技术效果：

本发明中的用单视角三维像机进行多视角采集和对齐复位的系统，除单视角三维像机外，仅包括旋转轴位置与单视角三维像机固定不变的被测物体旋转装置。用于对齐复位的数据处理过程的运算量很少，可以用单视角三维像机的计算机系统完成。旋转装置仅为一个自由度的旋转装置，可以由手工驱动，也可以由步进电机驱动。与其他利用位移装置完成多视角三维采集的系统相比，结构简单，成本极其低廉。

本发明中的用单视角三维像机进行多视角采集和对齐复位的系统，除单视角三维像机外，仅需对旋转装置的旋转轴进行标定；旋转装置相对于单视角三维像机固定后仅需标定一次；旋转装置的旋转轴标定由系统自身的单视角三维像机完成。因而与其他利用位移装置完成多视角三维采集的系统相比，系统建造复杂度低，操作容易。

本发明中的用单视角三维像机进行多视角采集和对齐复位的方法和系统，在各个视角数据的三维采集时，不对被测物体增加任何的标记；除在一个自由度上旋转一定的角度外，不增加任何的操作和过程。因而与通过标记点来进行多视角采集的方法和系统相比，采集速度快，操作简单，适用的被测物体范围广。

本发明的用单视角三维像机进行多视角采集和对齐复位的方法和系统，采用的单视角三维像机可以是一次采集一个较宽的二维角度区域(一个面)，而不仅仅限于一个很窄的视角区域(一条线或一个点)，因而具有快速采集的特点。

本发明中的多视角三维数据的对齐复位过程，不包含任何的迭代过程和识别过程。因而与通过标记点来进行多视角采集的方法和系统相比因而计算过程极其简单，系统不存在稳定性问题。

本发明中的多视角三维数据的对齐复位过程中产生的误差，主要由旋转装置的旋转精度确定。设转动台读数精度或步进电机精度为Δθ，物体置于旋转台后表面上待测点离旋转轴的最大半径为r，则多视角的最大复位误差为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2\mathrm{\π}\·r}{360}\·\mathrm{\Δ\θ}$

例如：r＝50mm，Δθ＝0.1°，则ε≈0.087mm。

因而，与其他利用位移装置完成多视角三维采集的系统相比，对齐复位过程误差来源简单，精度可靠；与通过标记点来进行多视角采集的方法相比，对齐复位过程误差与采集的数据无关，精度可靠。

四、附图说明

图1是本发明用于多视角三维数据采集系统的结构框图。其中有单视角三维像机1、旋转台2、旋转轴21、被测物体3。

发明方法用于多视角三维数据采集系统的各坐标系关系示意图。其中有单视角图2是本三维像机对应坐标系中的轴x、y、z及原点O。以旋转台2的旋转轴z₁建立的坐标系中的x₁、y₁、z₁和原点O₁。标定小球随旋转平台旋转第一个位置Q₁，标定小球随旋转平台旋转第二个位置Q₂，标定小球随旋转平台旋转第三个位置Q₃。

五、具体实施方法

现结合附图详细说明本发明方法的实施例。

该方法为采用一个单视角三维像机1和一个旋转台2，将旋转台2放在三维像机前方的有效取景范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机1对旋转台2上的小球进行参数标定；将被测物3固定在旋转台2上，用单视角三维像机1对被测物3的表面作多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐和复位，输出被测物体表面完整的三维数据。

旋转轴的标定方法

1、固定旋转装置于三维像机视场中，为保证有效地利用视场和景深范围，应使旋转轴位于视场角的平分线附近，且处于三维像机景深范围内远离三维像机的位置，如图1所示；

2、将一小球固定于旋转平台上(为识别小球在二维图像中的位置，可将小球置为白色，环境背景置为黑色)，随旋转平台在三维像机视场中分别旋转三个位置，并用三维像机分别测得球心三个位置的坐标位置Q₁(x_Q1，y_Q1，z_Q1)、Q₂(x_Q2，y_Q2，z_Q2)，Q₃(x_Q3，y_Q3，z_Q3)，如图2所示；

3、旋转轴位置的确定：

Q₁、Q₂、Q₃三点确定了一个平面(设为平面D)，同时也确定了平面D上穿过这三点的一个圆，及通过该圆圆心点O₁(x_O1，y_O1，z_O1)且垂直于平面D的直线即旋转轴(设为L)的位置。

设旋转轴L矢量V(l，m，n)，则直线方程可表示为：

$\frac{{x-x}_{o1}}{l}=\frac{{y-y}_{o1}}{m}=\frac{{z-z}_{o1}}{n}---\left(1\right)$

其中：

$l=\frac{l^{\′}}{\sqrt{l^{\′2}+m^{\′2}+n^{\′2}}}---\left(2\right)$

$m=\frac{m^{\′}}{\sqrt{l^{\′2}+m^{\′2}+m^{\′2}}}---\left(3\right)$

$n=\frac{n^{\′}}{\sqrt{l^{\′2}+m^{\′2}+n^{\′2}}}---\left(4\right)$

$l^{\′}=\left[\begin{array}{cc}{y}_{Q2}-y_{Q1}& z_{Q2}-z_{Q1}\\ y_{Q3}-y_{Q2}& z_{Q3}-z_{Q2}\end{array}\right]---\left(5\right)$

$m^{\′}=\left[\begin{array}{cc}{z}_{Q2}-z_{Q1}& x_{Q2}-x_{Q1}\\ z_{Q3}-z_{Q2}& x_{Q3}-x_{Q2}\end{array}\right]---\left(6\right)$

$n^{\′}=\left[\begin{array}{cc}{x}_{Q2}-x_{Q1}& y_{Q2}-y_{Q1}\\ x_{Q3}-x_{Q2}& y_{Q3}-y_{Q2}\end{array}\right]---\left(7\right)$

O₁(x_O1，y_O1，z_O1)为三个已知点Q₁、Q₂、Q₃所在圆的圆心       (8)

多视角三维数据采集及对齐复位过程

1、置旋转台的初始位置角度为θ₀；

2、置物体于旋转台上，位置应尽量使得物体各待测表面与旋转轴的距离接近；

3、将物体待测表面划分为若干区域S_i(i＝1，……k)，这些区域可互相重叠也可不重叠，它们的组合包含了物体所有待测的表面部分，并且每一区域通过旋转可被单视角三维像机一次采集；

4、令i＝1；

5、转动旋转台，将S_i移至三维像机视场内，记录下对应的逆时针旋转角度θ_i；

6、对S_i进行单视角三维采集计算；

7、对齐复位：

1)对于θ_i，令θ＝θ_i-θ₀，按公式(9a、9b)计算R，T。

R＝R_A·R_B·R_A ^-1                        (9a)

T＝(T_A-R_A·R_B·R_A ^-1·T_A)               (9b)

其中，

R_A＝[e_x1，e_y1，e_z1]                    (10)

$e_{x1}=\frac{\stackrel{\→}{O_1{Q}_1}}{\left|\right|O_1{Q}_1\left|\right|}---\left(11\right)$

e_z1＝[l，m，n]^T                        (12)

e_y1＝e_z1×e_x1                          (13)

T_A＝[x_O1，y_O1，z_O1]^T                   (14)

    l，m，n分别由公式(2)、(3)、(4)确定；

    O₁点由公式(8)确定；

    x_O1，y_O1，z_O1分别为O₁点x，y，z向坐标；

    Q₁点为旋转轴标定时标定小球第一个位置所在的点Q₁(x_Q1，y_Q1，z_Q1)；

    

为O₁点与Q₁点构成的矢量。

2)对于S_i内的每一个三维点以R为旋转矩阵，T为平移矩阵，作空间坐标变换，即可完成将视角θ_i数据到旋转角θ₀所在的统一的参考坐标系中的对齐复位过程。

8、令i＝i+1，重复本对齐过程的步骤5-8至所有S_i区域完毕。

9、输出关于旋转角θ₀所在参考坐标系中的多视角三维数据。

以上详细说明了本发明方法和系统的工作原理及其具体应用，但这不应被视为是对本发明范围的限制。本发明方法同时还可适用于其它的三维测量系统。

Claims (1)

1、一种实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法，其特征在于该方法为采用一个单视角三维像机(1)和一个旋转台(2)，将旋转台(2)放在三维像机前方的有效取景范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机(1)对旋转台(2)上的小球进行参数标定；将被测物(3)固定在旋转台(2)上，用单视角三维像机(1)对被测物(3)的表面作多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐和复位，输出被测物体表面完整的三维数据；

参数标定的步骤为：将旋转装置固定于单视角三维像机的取景范围内，与单视角三维像机的位置保持不变；将一个用来标定的小球放置于旋转台上，随旋转台作三次的旋转，记录下小球每次旋转的角度，并由单视角三维像机采集每次旋转后小球的三维位置；

多视角数据采集的步骤为：将被测物体固定在旋转台上，记录下旋转台旋转的角度，设定该角度为旋转台旋转角度的初始位置：a、旋转台旋转，使被测物体待测表面部分逐次移入单视角三维像机的取景范围内，记录下旋转台从初始位置开始的旋转角度；b、单视角三维像机对移入自己取景范围内的被测物体待测表面部分进行三维数据采集；重复上述a、b两个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据采集完毕后，即完成多视角采集过程；

数据对齐和复位的步骤为：取出旋转轴的标定数据，即关于单视角三维像机坐标系统的旋转轴上一点的三维坐标和旋转轴矢量的三维数据，计算出关于单视角三维像机坐标系统任意一点随旋转台旋转一定角度前后的坐标对应关系，建立一个关于旋转角度的函数；逐次取出被测物体各部分待测表面单个视角采集到的三维数据及对应的偏离旋转台旋转初始位置的旋转角度，利用上述步骤中得到的函数，将该部分待测表面的三维数据复位成该表面对应旋转台初始角度时的三维坐标；重复上述一个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据均复位成对应旋转台初始角度时的三维坐标，即完成对齐复位过程；输出对齐复位后物体被测表面完整的三维数据。

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