CN212843399U - 一种便携的三维测量设备 - Google Patents

Abstract

一种便携的三维测量设备，其包括投影装置、至少两个图像采集装置、运算处理装置、传感器控制装置、存储器和通信装置，还可包括控制器和显示装置。一方面，本三维测量设备的结构紧凑、集成度高，能够同时实现图像投影、采集、运算处理、控制和通信等一体化功能，具有整体结构小巧、便于携带、方便安装的优势；另一方面，本三维测量设备可将工业生产中的制造流程和检测流程结合在一起，使得三维测量过程可快速进行，还不对制造过程产生直接影响，可有效避免传统的非现场、事后测量的劣势，从而达到现场在线三维测量要求。

Description

一种便携的三维测量设备

技术领域

本发明涉及三维测量领域，具体涉及一种便携式的三维测量设备。

背景技术

随着精密加工、模具设计、工业检测等领域的快速发展，以及3D打印技术的问世和消费电子产品的便携化而带来的零部件微型化发展趋势，传统的二维测量技术已不能满足日趋智能化、微型化、复杂化的生产要求，从而使得三维测量技术应运而生。

在工业检测中，产品的质量控制是一项非常重要的工作，传统的二维测量方法已经不能满足一些场景的应用需求。由于生产线的高速运行以及流水线的自动化作业需求，依靠人力实现产品外观检测、缺陷检查的方法已被逐渐摒弃，取而代之的是二维图像的目标识别方法，由于二维图像只有平面信息，所以对于物体的位置、深度是十分敏感的，也意味着当从多个角度对同一物体拍摄时，通常会得到不同的拍摄结果。而三维的目标识别就可以很好地解决这一问题，依靠物体在空间中外形不变的特性，可很好地获取物体的三维信息，由于三维信息比二维信息多了一维的深度信息，其对姿态、光照等变化不太敏感，受这类因素的影响较小，使三维测量过程中物体识别的鲁棒性大大地得到提高。

目前，主要借助接触式三坐标测量机来采集物体或场景的三维信息，其特点是测量精度高，对被测物体的色泽无特殊要求，但其在实际应用中还存在结构复杂、操作繁琐、无法检测软物体、不易挪动等缺陷，使得其应用场合受到限制。利用接触式三坐标测量机测量物体时，需要测头与被测物体接触，接触时产生的压力会使柔软物体的表面产生形变，甚至产生划伤，此类情况将损坏产品的表面外观，导致产品无法销售。此外，接触式测量还存在测量速度慢、无法实现在线检测的问题。

鉴于接触式三维测量的局限性，技术人员已设法进行非接触式三维测量的研究，其中，基于计算机、光电子技术、信息处理的光学三维测量技术因测量速度快、非接触、高精度等优点得到了技术人员的青睐。但是现阶段，往往采用激光测量法来实现非接触式测量，具体为：投射一个激光面片到被测物体表面，在物体表面形成一条线状的条纹，每次可以测量一条线，这就形成了激光线结构光的扫描测量形式；该激光测量方法的缺点是需要待测量物体移动或者激光传感器移动，不能准确地获取Y方向的三维信息，并且，物体移动或逐行扫描都会拖慢测量速度，也不利于高精度的测量效果。

可知，当前的三维测量设备虽然具有非接触的测量效果，但也存在结构复杂、不易搬移的问题。以激光测量为例，需要在导轨上安设专业的激光器或为待检测物体安设转动机构之后才能进行有效的激光扫描，由于导轨、激光器、转动机构的体积较大，精密度高，往往会造成搬移不便、维护不易的困境，使得其应用场合受到诸多限制。

发明内容

有鉴于此，本发明主要解决的技术问题是如何简化现有三维测量设备的复杂结构，以满足易携带、多场合的应用需求。为解决上述技术问题，本申请提供了一种便携的三维测量设备，包括：

投影装置，用于向待检测物体投射预设的条纹图像，并在投射条纹图像的同时发出触发信号；

至少两个图像采集装置，分别与所述投影装置连接，用于在接收到所述触发信号后对所述待检测物体进行同步取像，各个所述图像采集装置分别从各自的取像方向上获取所述条纹图像在所述待检测物体上投射形成的测量图像，其中各图像采集装置被设置以使得它们的取像方向都不相同；

运算处理装置，与各个所述图像采集装置连接，用于处理各个所述图像采集装置取像得到的测量图像以得到所述待检测物体的三维信息。

所述三维测量设备还包括传感器控制装置，所述传感器控制装置包括条纹投射单元和时序控制单元；

所述条纹投射单元与所述投影装置和各个所述图像采集装置连接，用于生成并将所述条纹图像发送至所述投影装置以进行投射，所述条纹图像包括格雷码图像和/或相移图像；

所述时序控制单元与所述条纹投射单元通信连接，用于控制所述投影装置和各个所述图像采集装置的工作时序。

所述时序控制单元控制所述投影装置对所述格雷码图像和所述相移图像进行交替投影，或者，对所述格雷码图像或所述相移图像进行单独投影。

所述时序控制单元控制所述投影装置以预设颜色的结构光对所述格雷码图像和/或所述相移图像进行投射；所述结构光包括白色光、红色光或蓝色光，以使得在对所述格雷码图像和/或所述相移图像进行投射时形成白色条纹、红色条纹或蓝色条纹。

所述运算处理装置包括相位计算单元、图像匹配单元和三维重构单元；

所述相位计算单元用于对所述测量图像进行绝对相位求解，得到对应的绝对相位图；

所述图像匹配单元用于对所述绝对相位图进行匹配运算，得到匹配图像；

所述三维重构单元用于对所述匹配图像进行视差计算，得到视差图像，所述视差图像包括所述待检测物体的三维信息。

所述三维测量设备还包括存储器，所述存储器与所述运算处理装置连接，用于将所述测量图像、所述视差图像或所述待检测物体的三维信息进行存储。

所述三维测量设备还包括控制器，所述控制器与所述运算处理装置和所述传感器控制装置连接，用于设置工作参数及获得所述待检测物体的测量信息。

所述控制器包括测量设置单元、异常像素处理单元和三维测量单元；

所述测量设置单元用于设置并生成所述投影装置和所述图像采集装置的工作参数；

所述异常像素处理单元用于对所述视差图像进行去除凸起干扰和无效像素控制的处理方法中的一者或多者，得到所述待检测物体的高度图像；

所述三维测量单元用于获得所述高度图像上任意区域对应的测量信息，所述测量信息包括高度差、平面度、粗糙度、表面积、体积、距离、宽度、深度、和字符内容中的一者或多者。

所述三维测量设备还包括通信装置，所述通信装置连接于所述存储器和所述控制器之间，用于控制所述存储器和所述控制器之间的信息传输。

所述三维测量设备还包括显示装置，所述显示装置与所述控制器连接，用于对所述测量图像、所述高度图像、所述视差图像、所述三维信息和/或所述测量信息进行显示。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种便携的三维测量设备，其包括投影装置、至少两个图像采集装置、运算处理装置、传感器控制装置、存储器和通信装置，还可包括控制器和显示装置。第一方面，本三维测量设备的结构紧凑、集成度高，可同时实现图像投影、采集、运算处理、控制和通信等一体化功能，具有整体结构小巧、便于携带、方便安装的优势；第二方面，由于采用了投影装置和图像采集装置，使得待检测物体表面的形状、纹理可达到优化呈现的效果，既满足非接触光学三维测量的要求，也助于处理得到待检测物体的三维信息；第三方面，由于在投影装置投射的条纹图像中增加了红光和蓝光，使得所投射的结构光的特征得以增加，利于强化应用场景的适应性，也利于达到较好的极线匹配效果，从而利于获取高质量的三维信息；第四方面，采用的控制器可以实现三维信息和测量信息的处理工作，可利于满足用户对二维和三维的测量任务；第五方面，本三维测量设备可将工业生产中的制造流程和检测流程结合在一起，使得三维测量过程可快速进行，还不对制造过程产生直接影响，可有效避免传统的非现场、事后测量的劣势，从而达到现场在线三维测量要求。

附图说明

图1为一种实施例的三维测量设备的简化结构图；

图2为一种实施例的三维测量设备的详细结构图；

图3为另一种实施例的三维测量设备的详细结构图；

图4为另一种实施例的三维测量设备的立体结构图；

图5为一种实施例的三维测量方法的流程示意图。

图6为相移图像和格雷码图像的结合比较图；

图7为本实施例中格雷码图像的投射示意图；

图8为本实施例中相移图像的投射示意图；

图9为相机模型的透视投影示意图；

图10为两个相机取像的立体几何结构示意图；

图11为立体视觉几何结构转换为标准外极线几何结构示意图；

图12为视差计算的原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本发明创造的构思在于，在多目视觉测量设备的基础上，增加投影装置来提供主动式的面结构光，使得本三维测量设备具备高集成度、小巧结构，还具有高速、高精度的实时在线非接触式光学三维测量效果，可使得待检测物体的三维形状从三维空间中映射到二维图像上时，依然保留一维的辅助信息，利于处理得到待检测物体的三维信息，从而保证了测量装置的高精度和稳定性。

参考图1，本申请公开一种便携的三维测量设备1，其包括投影装置11、至少两个图像采集装置(图中121和122的示意装置)和运算处理装置13，下面将分别说明。

投影装置11用于向待检测物体D1投射预设的条纹图像，并在投射条纹图像的同时发出触发信号至图像采集装置121和122。需要说明的是，投影装置 11优选地采用可编码型光栅投影装置，并采用DMD模块或者LCOS模块进行投影，为适应不同的应用场景，投影装置11可以投射多种不同颜色的结构光，例如白色结构光、蓝色结构光和红色结构光，其中，蓝色结构光可为405nm的波长，红色结构光可为660nm的波长。

至少两个图像采集装置，分别与投影装置11连接，用于在接收到投影装置 11发出的触发信号后对待检测物体D1进行同步取像，各个图像采集装置分别从各自的取像方向上获取条纹图像在待检测物体D1上投射形成的测量图像，其中各图像采集装置被设置以使得它们的取像方向都不相同。在一实施例中，优选地采用两个图像采集装置，分别为图像采集装置121和122，如此可形成双目视觉的图像采集效果，其中，图像采集装置121和122分别从不同的取像方向上对待检测物体D1进行同步取像，而且，应当保证图像采集装置121和122具有公共取像区域，使得各自获取的测量图像中有共同的图像区域，也使得后期处理时能够根据共同的图像区域进行图像匹配计算。在一具体实施例中，每个图像采集装置(如121或122)由相机和镜片组来构成，可见图4，镜片组包括多个镜片以组合优化进光路径，相机位于镜片组的后端，利用自身的感光芯片来采集图像；相机可以采用CCD或者CMOS类型，优选地，本实施例中采用 CCD相机来获取高分辨率图像。

运算处理装置13与各个图像采集装置连接，用于处理各个图像采集装置取像得到的测量图像，以进一步处理得到待检测物体的三维信息。在一实施例中，见图2，运算处理装置13包括相位计算单元131、图像匹配单元132和三维重构单元133，各个单元相互配合以处理得到待检测物体D1的三维信息。

相位计算单元131用于对图像采集装置121和122取像得到的测量图像进行绝对相位求解，得到对应的绝对相位图。相位计算单元131求解测量图像的绝对相位时可采用现有的解相位技术，也可采用未来出现的解相位技术，这里不进行限定。

图像匹配单元132用于对绝对相位图进行匹配运算，得到匹配图像。图像匹配单元132对相位图进行匹配运算的过程可采用现有的图像匹配技术，也可采用未来出现的图像匹配技术，这里不进行限定。

三维重构单元133用于对匹配图像进行视差计算，得到视差图像，得到的视差图像将包括待检测物体D1的三维信息。三维重构单元133对匹配图像进行视差计算的过程可采用现有的视差计算方法，也可采用未来出现的视差计算方法，这里不进行限定。

在一个实施例中，图像采集装置121和122可将取像得到的测量图像实时地传输至运算处理装置13来进行处理，如此可节省硬件资源，达到信息快速传输及处理的应用效果。

进一步地，为保证三维测量设备1在图像采集及处理时的运行稳定性，还可包括传感器控制装置14，见图2，传感器控制装置14与投影装置11、图像采集装置121和122连接，及与运算处理装置13连接，用来控制投影装置11、图像采集装置121和122、运算处理装置13之间的工作过程。在一实施例中，传感器控制装置14包括条纹投射单元141和时序控制单元142，分别说明如下。

条纹投射单元141与投影装置和各个图像采集装置连接，用于生成并将条纹图像发送至投影装置以进行投射，条纹图像包括格雷码图像和/或相移图像。

需要说明的是，格雷码图像和相移图像为光学领域中常见的图像形式，其中，相移图像可参考图6中的下半部分，下半部分由四幅相移图像，它们在投影时相对发生相位偏移，每幅相移图像均有均匀分布的亮暗条纹组成，每个亮条纹或者暗条纹在渐变过程中都符合正弦变化规律，可认为最亮处的灰度值为 255，最暗处的灰度值为0。格雷码图像可参考图6中的上半部分，上半部分示意的格雷码图像分布有亮暗条纹，亮条纹和暗条纹之间不存在颜色渐变，即亮条纹的灰度值为255，暗条纹的灰度值为0。

时序控制单元142与条纹投射单元141通信连接，用于控制投影装置11和各个图像采集装置的工作时序。在一种实施情形之下，时序控制单元142控制投影装置11对格雷码图像和相移图像进行交替投影，例如，在当前时刻，时序控制单元142控制条纹投射单元141发送格雷码图像至投影装置11进行投射，通过触发信号来触发图像采集装置121和122进行同步取像，在图像采集装置 121和122同步采集到第一组测量图像之后，时序控制单元142控制条纹投射单元141发送相移图像至投影装置11进行投射，在图像采集装置121和122同步采集到第二组测量图像之后，时序控制单元142控制条纹投射单元141改变格雷码图像和相移图像的相位，然后继续交替投射，以获得更多组的测量图像。在另一种实施情形之下，时序控制单元142控制投影装置11对格雷码图像或相移图像进行单独投影，例如，在当前时刻，时序控制单元142控制条纹投射单元141发送格雷码图像(或相移图像)至投影装置11进行投射，通过触发信号来触发图像采集装置121和122进行同步取像，在图像采集装置121和122同步采集到第一组测量图像之后，时序控制单元142控制条纹投射单元141改变格雷码图像(或相移图像)的相位，然后控制条纹投射单元141发送改变相位后的格雷码图像(或相移图像)至投影装置11进行投射，以此来获得更多组的测量图像。需要说明的是，时序控制单元142控制投影装置11和图像采集装置 (包括121和122)的工作时序可采用常规的控制策略，也可采用未来出现的控制策略，这里不进行限定。

在另一个实施例中，时序控制单元142控制投影装置11以预设颜色的结构光对格雷码图像和/或相移图像进行投射，所采用的结构光可包括白色光、红色光或蓝色光，以使得在对格雷码图像和/或相移图像进行投射时形成白色条纹、红色条纹或蓝色条纹。例如，控制投影装置11产生白色光，则投射格雷码图像时将在待检测物体D1上呈现黑白相间条纹，投射相移图像时将在待检测物体 D1上呈现黑白渐变条纹，所呈现条纹的最亮处为255值的白色，最暗处为0值的黑色；控制投影装置11产生红色光，则投射格雷码图像时将在待检测物体 D1上呈现黑红相间条纹，投射相移图像时将在待检测物体D1上呈现黑红渐变条纹，所呈现条纹的最亮处为255值的红色，最暗处为0值的黑色；控制投影装置11产生蓝色光，则投射格雷码图像时将在待检测物体D1上呈现黑蓝相间条纹，投射相移图像时将在待检测物体D1上呈现黑蓝渐变条纹，所呈现条纹的最亮处为255值的蓝色，最暗处为0值的黑色。本领域的技术人员应当理解，红色的结构光和蓝色的结构光可加强物体表面的成像效果，且可有效避免白色结构光照射在物体表面容易造成的反光情形，利于图像采集装置获得质量更高的测量图像；此外，通过多次投影获得多组测量图像时，利于对两组测量图像进行融合和异常点剔除(若两组测量图像中像素点数据的差值大于给定的阈值，则可以认为该像素点为异常点)。

进一步地，三维测量设备1还包括存储器15，存储器15与运算处理装置 13连接，用于将运算处理装置处理得到的测量图像、视差图像或待检测物体的三维信息进行存储。此外，存储器15还可以与传感器控制装置14连接，用于将传感器控制装置14传输过来的各组测量图像进行存储，以使得运算处理装置 13能够从存储器15中调取测量图像后进行图像处理工作。

进一步地，见图2，三维测量设备1还包括控制器17，控制器17与运算处理装置13和传感器控制装置14连接，用于设置工作参数及获得待检测物体D1 的测量信息。在一实施例中，控制器17包括测量设置单元171、异常像素处理单元172和三维测量单元173；测量设置单元171用于设置并生成投影装置11 和图像采集装置121、122的工作参数，例如投影装置11的投射亮度、投射频率、投影区域大小、结构光颜色、触发频率、触发时间等参数，及图像采集装置121和122的曝光时间、分辨率、增益、动态范围等参数，使得传感器控制单元14按照设置的工作参数进行工作时序调整；异常像素处理单元172用于对运算处理装置13处理的视差图像进行去除凸起干扰和无效像素控制的处理方法中的一者或多者，得到待检测物体D1的高度图像，具体的，可以将两幅同步采集的测量图像中的各个像素点进行比较，当相对像素点间的差值大于给定的阈值时则可以认为该像素点为异常像素，从而对其进行剔除或拼接；三维测量单元173用于获得高度图像上任意区域对应的测量信息，这里的测量信息包括高度差、平面度、粗糙度、表面积、体积、距离、宽度、深度、和字符内容中的一者或多者。需要说明的是，控制器17可以是计算机等电子设备，方便用户进行操作。

进一步地，三维测量设备1还包括通信装置16，通信装置16与控制器17、存储器15以及传感器控制装置14连接，用于控制存储器15和控制器17之间的信息传输以及控制传感器控制装置14和控制器17之间的信息传输。例如，通信装置16采用RS232的通信协议或者USB通信协议，可按照协议格式将运算处理装置13处理得到的测量图像发送至控制器17中的异常像素处理单元172 和三维测量单元173，也可按照协议格式将测量设置单元141生成的工作参数发送至传感器控制装置14。

进一步地，三维测量系统1还包括显示装置18，显示装置18与控制器17 连接，用于对所述测量图像、所述高度图像、所述视差图像、所述三维信息和/ 或所述测量信息进行显示，优选地，采用触摸功能的显示器，方便用户和控制器17之间进行互动操作。

在一实施例中，将投影装置11、图像采集装置121和122、运算处理装置 13、传感器控制装置14、存储器15和通信装置16进行集成，形成如图3的集成结构，进而形成如图4所示的一体化集成装置。如此，可使得该一体化集成装置与控制器17和显示装置18进行分离，方便用户将该一体化集成装置装设在工业流水线上，而将控制器17和显示装置18设置在远程的监控室内，从而实现对产品的现场三维测量工作及远程的实时监控管理工作。此外，该一体化集成装置的结构小巧，方便用户进行携带和拆装，具有较高的实用价值。

相应地，本申请还公开一种应用于上文实施例中三维测量设备1的优选地三维测量方法，请参考图5，该三维测量方法包括步骤S210-S290，下面将结合图2对该三维测量方法进行说明。

步骤S210，预设条纹图像及工作参数。控制器17中的测量设置单元171 根据用户的操作获得预设条纹图像，条纹图像包括相移图像和/或格雷码图像，测量设置单元171通过通信装置16将条纹图像以及工作参数发送至传感器控制装置14。

需要说明的是，工作参数包括投影装置11的投射亮度、投射频率、投影区域大小、结构光颜色、触发频率、触发时间等参数，及图像采集装置121和122 的曝光时间、AOI设置、增益、动态范围等参数。

此外，此步骤中还可对图像采集装置121和122进行双目结构光系统标定，利用标定板标定图像采集装置中相机的内参和外参，以及两个相机的相对位置关系，该标定过程只需要三维测量设备1在出厂前离线完成一次即可，标定后将参数作为系统参数保存在控制器17或存储器15中，只在系统启动时加载该参数即可。具体的标定过程如下：

图9显示了一个相机模型的透视投影关系，世界坐标系(x_w,y_w,z_w)的中点P_w通过镜头投射中心投射到成像平面上的点为p。可见图中虚线，如果使用的镜头没有畸变，点p应该在点P_w与投影中心连线的延长线上，镜头的畸变将造成点 p的位置发生偏移。成像平面位于投影中心后端，与投影中心之间的间距为f。f 表示相机常量或主距，并不是镜头的焦距。图中，(x_w,y_w,z_w)为世界坐标系，(x_c,y_c,z_c) 为相机坐标系，(r,c)为图像坐标系，(u,v)为成像平面坐标系。

现在，开始描述三维世界坐标系中的物体如何投影到二维成像平面，并且介绍相关的相机参数。首先点P_w在世界坐标系中，为了将其投影到成像平面上，首先需要将其转换到相机坐标系中，相机坐标系的x轴和y轴分别平行于图像的 c轴和r轴，z轴垂直于成像平面并且z轴的方向的设置将使相机前所有点的z坐标为正数。从世界坐标系到相机坐标系的变换属于刚性变换，也就是由平移和旋转构成。因此，在世界坐标系中点P_w＝(x_w,y_w,z_w)^T在相机坐标系中的坐标为 P_c＝(x_c,y_c,z_c)^T，他们之间的关系为：

P_c＝RP_w+T (1-1)

式中，T＝(t_x,t_y,t_z)^T是一个平移向量，R＝R(α,β,γ)是一个旋转矩阵，这个旋转矩阵由三个旋转角度确定，分别是绕相机坐标系z轴旋转角度γ，绕y轴旋转角度β，绕x轴旋转角度α。

在R和T中6个参数(α,β,γ,t_x,t_y,t_z)被称为相机外参，因为它们决定了相机坐标系与世界坐标系之间的相对位置关系。

投影的下一步是将三维空间点P_c从相机坐标系中投影到成像平面坐标系中。对于相机模型来讲，可以表示为

在投影到成像平面后，镜头的畸变导致坐标(u,v)^T发生了变化，这个变化可以单独在成像平面上建立模型，也就是这里不需要三维信息。对于大多数镜头而言，它们的畸变都可以充分地近似为径向畸变，可表示为

式中，参数κ为径向畸变量级，最后将点(u,v)^T从成像平面坐标转换到图像坐标系中为：

式中，s_x和s_y是缩放比例因子，相机中的6个参数(f,κ,s_x,s_y,c_x,c_y)为相机的内参。

相机标定后我们知道相机的内参，其中包括两个相机的主点、主距、像素尺寸和畸变系数。如图10所示，图像的主点分别表示为C₁和C₂，另外相机中心表示为O₁和O₂。投影中心与主点之间的虚线为两个相机的主距。两个相机之间的相对位置以及相对方位表示为相机之间的相对位姿，这个位姿是一个旋转矩阵R_r和平移向量T_r构成的刚性三维转换。这个转换可以认为是第一个相机坐标系到第二个相机坐标系的转换，也可以认为第二个相机坐标系中某点的坐标到第一个相机坐标系中相应点的坐标转换：P_c1＝R_rP_c2+T_r。我们定义两个投影中心间的平移为平移向量T_r，也被称为基线，可以看出世界坐标系中的一点P_w投影为第一个图像中的P₁点与第二个图像中P₂点，如果假设镜头没有畸变，点P_w、O₁、O₂、 P₁、P₂在同一平面上。

由于标准的外极线几何计算简单，但是实际中将相机按该几何结构对齐非常困难，将图像转换为外极线标准几何结构的过程称为图像校正。为了校正图像我们需要将两个新的平面放置在同一平面上。为了保持三维几何结构的一致性，两个投影中心的空间位置不能变，也就是O_r1＝O₁、O_r2＝O₂。需要注意的是我们需要旋转相机坐标系使他们的x轴与基线方向相同。另外，我们需要创建两个新的主点C_r1和C_r2，它们之间的连接向量必须与基线平行，另外从主点到各自投影中心的向量必须垂直于基线。见图11，从而可将一个立体视觉几何结构转换为标准的外极线几何结构，达到相机标定效果。

步骤S220，传感器控制装置14以预设频率、预设亮度和预设结构光颜色控制投影装置11向待检测物体D1投射相移图像或格雷码图像，此过程中，传感器控制装置14中的时序控制单元142应当控制投影装置11进行相移图像和格雷码图像的交替投射，并保持较高的投射频率，优选地以匹配于取像频率为准。

在本实施例中，所投射的条纹图像为32个像素宽度的格雷码图像和相移图像，请见图7和图8，图7中行序号1-4的图像序列代表格雷码光栅，图8中行序号为5-8的图像序列为相移图像光栅。

步骤S230，获取测量图像。在一实施例中，在投影装置11投射一种条纹图像之后，触发图像采集装置121和122对待检测物体D1进行同步取像以获得相移图像对应的一组测量图像，然后，在该投影装置11投射格雷码图像之后，触发图像采集装置121和122对待检测物体D1进行同步取像以获得格雷码图像对应的一组测量图像。需要说明的是，每次投射相移图像或格雷码图像之后，传感器控制装置14中的条纹投射单元141改变相移图像或者格雷码图像的相位，使得图像的各个条纹在下一次投射时产生预定方向上的空间移动。

步骤S240，计算绝对相位图。计算测量图像的绝对相位时，需要得到各像素点处的深度信息，从而根据相移测量图像中的相位信息和格雷码测量图像中的空间编码信息对各像素点进行解相位处理，通常采用相移法来获得相位值。

在相移法中，获得相位的过程包括：(1)先通过相移法公式获得锯齿形的相位值，值域在[-π,π]，称为截断相位；(2)然后将锯齿形相位值恢复成连续的相位值，称为绝对相位，过程称为解相位(相位展开或相位解包裹)。

这里采用N步相移法求解。假如所投射的相移图像的投影光强是标准余弦分布，则相移图像每次移动2π/N的相位，产生一个新的光强函数I_n(x,y)，平移 N-1次，获得N幅相移图像的测量图像。由于，四步相移法具有能消除检测器的非线性影响，因此这里采用四步相移法对相移图像进行处理，将投射的相移图像每次平移π/2，平移三次，可见图6的下本部分所示的四幅相移图像。那么四幅相移图像的条纹灰度值可分别表示为：

其中，I_i(i＝1,2,3,4)为第i幅相移图像的条纹灰度值，I′(x,y)为条纹光强的背景值，I″(x,y)为调制光强值，

为所求的相位值。进而可得：

通过相移法计算出的相位只是相位的主值，含有一个反正切函数，其值域为[-π,π]，相位不连续。针对这个问题，可知由相移法公式得到的相位与真实值之间还有2kπ的差异。为此，必须求出k，才能将相位的主值恢复到真正的绝对相位。面结构光技术能否成功的关键是解相位，因此完整的相位值即绝对相位公式应为：

式中，k(x,y)为整数，表示像素点(x,y)对应的2π的整数倍，则知解相位的关键就是确定解码周期k(x,y)；k(x,y)表示像素点(x,y)所处的光栅条纹图案的周期次数，即是像素点(x,y)到底属于光栅条纹场中的哪条条纹。

采用格雷码图像可对待检测物体进行分级标识，划分的每一级对应一个离散值，即每一级内所有的测量点都具有相同的格雷码值。对于物体高精度三维测量，一般采用相移法。对每一级条纹用相移图案分别进行相位测量，就可以计算出每个被测点的相位，相位是连续唯一的。因此格雷编码与相移法结合的组合编码方法在理论上精度能够达到无限划分，获得绝对相位。投射的格雷编码光栅图案和相移光栅图案必须满足如下关系:格雷码图案的最小栅距应为相移光栅图案相移量的4倍，并且应当满足格雷编码周期与相移周期变化相一致，从而有效的提高了三维测量质量，具体可见图6所示的格雷码图像与相移图图像结合对应的图像。

为了实现解相位，就需要对格雷码图案进行二值化处理，应使得二值化后的格雷码图像的周期与相移周期变化保持一致。将格雷码图像对应的测量图像与相移图像对应的测量图像进行结合，就可获得测量图像的绝对相位。

步骤S250，计算匹配图像。在一实施例中，通过立体匹配实现在左右的测量图像(由图像采集装置121和122分别取像获得)中寻找匹配的像素点，这一过程只能在亮相即成像的重叠区域完成。已知视差，通过三角测量法即可计算深度值，通过计算小窗口内的“绝对误差累计值”，搜索左右测量图像中对应于统一物体的匹配像素点。

匹配的过程通过滑动SAD窗口完成，对于左图中的任一像素，在左右的测量图像对应行中搜索匹配像素。例如，对于左测量图像图某像素(x_i,y_i)，其在右图对应的像素一定在相同的行上，一般出现在x_i的左边。立体匹配算法的参数主要包括最小视差和最大搜索范围，如果在该范围内找不到匹配点，即认为视差难以计算，遮挡和噪声会造成一些特征只在一张测量图像中出现，但其他特征出现的顺序在左右的测量图像中保持一致。

步骤S260，获取绝对相位图后，根据极线约束条件进行相位图像的匹配运算，根据匹配结果计算视差图像，最后根据标定关系生成三维点云。

可见图12所示的视差计算图，一个点的深度值是该点在相机坐标系中的z 坐标，通过相似三角形O₁O₂P_w和P₁P₂P_w，可以看出点P_w的深度只取决于点P₁和P₂的列坐标的差值。通过三角形相似可得：

因此，深度z＝bf/d_w，式中b为基线长度，d_w为点P₁到C₁与点P₂到C₂的有符号的距离的总和。由于主点的坐标是以像素为单位的，而d_w单位是世界单位(如：米)，因此需要通过x方向的像素尺寸缩放d_w将其转换到像素坐标系中： d_p＝d_w/s_x。此时我们可以很容易的看出d_p＝(c_c1-c₁)+(c₂-c_c2)，式中c₁和c₂表示点P₁和P₂的列坐标，c_c1和c_c2表示主点的列坐标。

需要说明的是，这里的三维点云是指待检测物体D1的三维信息(三维数据) 的点数据集合，可将三维点云中的数据保存在存储器15中。

步骤S270，处理得到高度图像。在一实施例中，控制器17通过通信装置 16从存储器15读取三维信息，由于遮挡或反光，三维信息对应的数据与真实数据可能存在很大偏差，因此需要三维信息进行预处理(去除凸起干扰和无效像素控制)以得到高度图像。

(1)去除凸起干扰：干扰去除分为X方向、Y方向和XY方向，去除对象分为高、低和高低三种，若检测方向为X，去除对象为高，则在该像素为中心的给定窗口范围内，左侧和右侧均存在与该中心像素高度差大于给定阈值高度差，则认为该中心像素为无效像素。若检测方向为XY，则在X方向或者Y方向其中一个满足上述要求，则认为无效像素。

(2)无效像素控制：主要根据周围有效的高度信息，插值出来无效像素的高度值，该部分根据设置强度大小在1-9范围内，根据高斯曲面进行插值滤波，默认情况下强度为1，采用下述滤波模板：

此外，控制器17可将包括待检测物体D1的高度图像存储在存储器15中，该存储器15可采用大容量存储器件，可存储每个待检测物体对应的测量图像和高度图像，以方便控制器17随时调用当前或者以往的处理数据。

步骤S280，获取测量信息。在一实施例中，控制器17根据步骤S270中的高度图像获得高度图像上任意区域对应的测量信息。具体过程为：

(1)控制器17获取用户在高度图像上的选定区域；

(2)控制器17对选定区域内的各像素点的三维坐标信息进行比较，得到选定区域对应的三维信息，这里的三维信息包括高度差、平面度、粗糙度、表面积、体积、距离、宽度、深度、和字符内容中的一者或多者。

(3)控制器17将高度图像映射为灰度图，优选地映射为8位灰度图；

(4)控制器17获取用户在灰度图上的两选定点；

(5)控制器17对两选定点的三维坐标信息进行比较，得到两选定点对应的二维信息(可认为二维信息是三维信息的一个表示部分)，这里的二维信息包括距离、二维宽度中的一者或多者。

步骤S290，信息显示。在一实施例中，控制器17控制显示器18对得到的测量图像、高度图像和/或三维信息进行显示，使得用户可通过显示器查看待检测物体D1的三维测量结果。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种便携的三维测量设备,其特征在于，包括：

投影装置，用于向待检测物体投射预设的条纹图像，并在投射条纹图像的同时发出触发信号；

至少两个图像采集装置，分别与所述投影装置连接，用于在接收到所述触发信号后对所述待检测物体进行同步取像，各个所述图像采集装置分别从各自的取像方向上获取所述条纹图像在所述待检测物体上投射形成的测量图像，其中各图像采集装置被设置以使得它们的取像方向都不相同；

运算处理装置，与各个所述图像采集装置连接，用于处理各个所述图像采集装置取像得到的测量图像以获得所述待检测物体的三维信息。

2.如权利要求1所述的便携的三维测量设备，其特征在于，还包括传感器控制装置；所述传感器控制装置与所述投影装置连接，用于生成所述条纹图像并发送至所述投影装置以进行投射；所述条纹图像包括格雷码图像和/或相移图像。

3.如权利要求2所述的便携的三维测量设备，其特征在于，所述投影装置采用预设颜色的结构光对所述格雷码图像和/或所述相移图像进行投射；所述结构光包括白色光、红色光或蓝色光，以使得在对所述格雷码图像和/或所述相移图像进行投射时形成白色条纹、红色条纹或蓝色条纹。

4.如权利要求1所述的便携的三维测量设备，其特征在于，还包括存储器，所述存储器与所述运算处理装置连接，用于将所述测量图像或所述待检测物体的三维信息进行存储。

5.如权利要求4所述的便携的三维测量设备，其特征在于，还包括通信装置，所述通信装置与所述存储器连接，用于控制所述存储器与外部进行信息传输。

6.如权利要求1所述的便携的三维测量设备，其特征在于，所述图像采集装置由相机和镜片组构成；所述镜片组包括多个镜片以组合优化进光路径；所述相机位于所述镜片组的后端，用于利用自身的感光芯片来采集图像。

Images