一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法
【專利摘要】本發明涉及一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，該方法包括以下步驟：1)以固定的相對位置安裝相機和結構光，且結構光在相機的視場范圍內；2)建立相機坐標系；3)標定結構光在相機坐標系中的平面方程式；4)將標定過的結構光投射在物體上，結構光形成物體的輪廓線，相機采集結構光在物體輪廓上的圖像，提取輪廓線在成像面上的坐標；5)根據步驟4)得到的坐標計算物體輪廓的三維坐標。與現有技術相比，本發明具有操作簡單、造價低廉等優點。
【專利說明】一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種三維攝影測量方法，尤其是涉及一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法。
【背景技術】
[0002]物體的三維信息記錄方法主要有:直接測量、基于X射線的CT掃描法，基于計算機視覺的方法和激光三維掃描儀等方法。直接測量的方法耗費大量人力，工作量大；采用CT掃描的方法價格昂貴，專用儀器體積巨大，使用不夠方便，并且掃描耗時長；激光三維掃描儀數據處理復雜，設備造價高；計算機視覺的方法需要對數據進行三維重建，自動化處理困難，存在測量不精確，容易遺漏被遮擋位置的問題。
[0003]目前廣泛應用的三維坐標測量主要有光學坐標測量和結構光照明的主動光學三維坐標測量技術。
[0004]光學坐標測量技術主要是采用校正好的攝像機和一個輔助測量棒進行測量，輔助測量棒上有多個標記點和一個可以與被測物體接觸的測頭。測量前精密測定標記點和測頭在輔助測量棒坐標系中的坐標。通過計算輔助測量棒上測頭的坐標能夠得出被測點的三維坐標。近年來，已有多家公司研制出較為成熟的產品，例如瑞士 Leica公司推出的T2 pro通用坐標測量機和德國AICON 3D Systems公司的Procam便攜式坐標測量機。
[0005]采用結構光照明的主動光學三維坐標測量技術具有非接觸、速度快和測量精度高等優點，被大多數實用的三維面形測量儀使用。通過標定結構光和光學傳感元件之間的位置關系，即可計算出結構光和物體交線上點的三維坐標。但是由于線結構光測量一次只能得到物體表面某一截面上的輪廓線，為了得到完成的物體表面必須附加一維掃描。該技術應用上的困難主要是標定結構光和旋轉中心的過程繁瑣和復雜，這些標定方法都需要使用經過精密加工的標準模型，而且模型的定位精度也要求很高。專業人員需要使用高精度的輔助設備對線結構光和旋轉中心進行精密的調節，并且通過測量標準件來保證其誤差在允許的范圍內才能得到滿意的標定結果。當結構光與相機的相對位置發生改變時，則需要重新進行上述復雜的標定，會耗費大量的精力。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種操作簡單、造價低廉的相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法。
[0007]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0008]一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，該方法包括以下步驟:
[0009]I)以固定的相對位置安裝相機和結構光，且結構光在相機的視場范圍內；
[0010]2)建立相機坐標系；
[0011]3)標定結構光在相機坐標系中的平面方程式；
[0012]4)將標定過的結構光投射在物體上，結構光形成物體的輪廓線，相機采集結構光在物體輪廓上的圖像，提取輪廓線在成像面上的坐標ki(x，y，id)，成像面到相機中心的垂直距離為id ；
[0013]5)根據步驟4)得到的坐標Ici (X，y, id)計算物體輪廓的三維坐標。
[0014]所述的相機和結構光通過安裝支架剛性連接。
[0015]所述的步驟2)中，建立相機坐標系時，取相機中心為坐標系原點，相機的相機光軸為Z軸，成像面的水平方向為X軸，成像面的豎直方向為Y軸，其中Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心。
[0016]所述的步驟3)具體為:
[0017]301)計算結構光和靶標平面A的交線
[0018]在相機與結構光的交線處放置靶標，調整靶標位置，使靶標和結構光同時在相機的視場范圍內，記錄該位置為A處，該位置處靶標的平面方程為Sa ；
[0019]相機拍攝靶標和結構光在A處的圖像，通過圖像閾值分割技術，分別提取靶標上的4個靶點和結構光在像平面上的坐標信息；
[0020]由4個靶點的坐標信息計算出Sa的方程式，結構光在像平面上的所有點和相機坐標系原點構成一個平面Pa，根據透射投影模型，Pa與Sa的交線即是結構光和靶標在位置A處的交線在相機坐標系中的實際位置；
[0021]計算Pa和Sa相交，得到結構光和靶標在位置A處的交線在相機坐標系中的方程La ;
[0022]302)計算結構光和靶標平面B的交線
[0023]調整靶標位置到B處，重復步驟301)的過程，計算出結構光和靶標在位置B處的交線方程Lb ；
[0024]303)計算結構光的平面方程式
[0025]La和Lb都在結構光平面上，由直線方程La和Lb計算出結構光在相機坐標系中的平面方程式S。
[0026]所述的靶標在位置A處和位置B處時的夾角在60°?90°之間。
[0027]所述的步驟5)具體為:
[0028]501)作射線Oki, O為相機中心；
[0029]502)根據透射投影關系，求解Oki和S的交點，即得到物體輪廓的三維坐標fi (xf,
YfJ Zj) ο
[0030]與現有技術相比，本發明提供了簡單的結構光和相機標定技術方案，可方便結構光對物體輪廓進行三維測量，與計算機視覺技術結合能夠適應于大規模、快速的工業三維測量過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為相機坐標系示意圖；
[0032]圖2為靶標示意圖；
[0033]圖3為標定結構光平面過程示意圖；
[0034]圖4為方靶模型示意圖；
[0035]圖5為透射投影示意圖；[0036]圖6為測量物體三維坐標過程示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0038]一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，該方法通過標定后的結構光和相機位置關系計算出結構光在物體輪廓上的三維坐標，具體包括以下步驟:
[0039](I)固定結構光和相機的相對位置
[0040]為了保證結構光和相機在標定和測量過程中的相對位置不變，通過安裝支架將結構光元件和相機剛性綁定在一起。相機和結構光的位置關系要保證相機在視場范圍的合適角度內能夠觀測到結構光。
[0041](2)建立相機坐標系
[0042]如圖1所示，取相機中心為坐標系原點，相機的相機光軸為Z軸，成像面的水平方向為X軸，成像面的豎直方向為Y軸，其中Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心，成像面到相機中心的垂直距離為id。
[0043](3)標定結構光在相機坐標系中的平面方程式
[0044]如圖2所示，靶標平面上有4個靶點，4個靶點中心嚴格的構成一個邊長已知的正方形。如圖3所示，使結構光和靶標平面相交，通過方靶模型計算出靶標在相機坐標系中的平面方程，由透射投影模型計算出結構光和靶標平面的交線在相機坐標系中的直線方程。調整一次靶標的位置，重復上述計算過程，可以得到另外一條結構光平面上的直線方程。上述兩條直線均在結構光平面上，由上述兩個方程可以計算出相機坐標系中結構光的平面方程。該過程具體包括如下子步驟:
[0045]301)計算結構光和靶標平面A的交線
[0046]在相機與結構光的交線處放置靶標，調整靶標位置，使靶標和結構光同時在相機的視場范圍內，記錄該位置為A處，該位置處靶標的平面方程為SA。相機拍攝靶標和結構光在A處的圖像，通過圖像閾值分割技術，分別提取靶標上的4個靶點和結構光在像平面上的坐標信息，根據4個靶點的信息，通過方靶模型計算出Sa的方程式:SA:IA *x+JA *y+KA*z+LA=O0
[0047]如圖4所示，這里的方靶模型是指實物平面上的4個正方形靶點(A1, A2, A3, A4)在成像過程中，由于成像面和物平面不平行，造成圖像上的四個靶點(a1; a2，a3，a4)并不是正方形。固定在兩條對角線的中心點O，在OA1, OA2, OA3, OA4射線上將a1; a2，a3, a4點調整到a/ , a2' , a3' , a/ ,使得a/ , a2' , a3' , a/構成一個正方形,進而計算出B1' , a2',
a3'，a/的坐標信息。通過三角形Oa/ a2'和OA1A2的相似關系，得到= 由于
A1A2 = d為已知條件，從而可以計算出線段OA1的長度。由于W和的方向與￥和
?ξ的方向平行，計算出向量
【權利要求】
1.一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)以固定的相對位置安裝相機和結構光，且結構光在相機的視場范圍內； 2)建立相機坐標系； 3)標定結構光在相機坐標系中的平面方程式； 4)將標定過的結構光投射在物體上，結構光形成物體的輪廓線，相機采集結構光在物體輪廓上的圖像，提取輪廓線在成像面上的坐標ki(x，y, id)，成像面到相機中心的垂直距離為id; 5)根據步驟4)得到的坐標ki(x,y,id)計算物體輪廓的三維坐標。
2.根據權利要求1所述的一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，所述的相機和結構光通過安裝支架剛性連接。
3.根據權利要求1所述的一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，所述的步驟2)中，建立相機坐標系時，取相機中心為坐標系原點，相機的相機光軸為Z軸，成像面的水平方向為X軸，成像面的豎直方向為Y軸，其中Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心。
4.根據權利要求1所述的一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，所述的步驟3)具體為: 301)計算結構光和靶標平面A的交線 在相機與結構光的交線處放置靶標，調整靶標位置，使靶標和結構光同時在相機的視場范圍內，記錄該位置為A處，該位置處靶標的平面方程為Sa ； 相機拍攝靶標和結構光在A處的圖像，通過圖像閾值分割技術，分別提取靶標上的4個靶點和結構光在像平面上的坐標信息； 由4個靶點的坐標信息計算出Sa的方程式，結構光在像平面上的所有點和相機坐標系原點構成一個平面PA，根據透射投影模型，Pa與Sa的交線即是結構光和靶標在位置A處的交線在相機坐標系中的實際位置； 計算Pa和Sa相交，得到結構光和靶標在位置A處的交線在相機坐標系中的方程La ； 302)計算結構光和靶標平面B的交線 調整靶標位置到B處，重復步驟301)的過程，計算出結構光和靶標在位置B處的交線方程Lb ； 303)計算結構光的平面方程式 La和Lb都在結構光平面上，由直線方程La和Lb計算出結構光在相機坐標系中的平面方程式S。
5.根據權利要求4所述的一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，所述的靶標在位置A處和位置B處時的夾角在60°?90°之間。
6.根據權利要求4所述的一種相機與結構光源結合獲取物體輪廓三維坐標的方法，其特征在于，所述的步驟5)具體為: 501)作射線Oki,O為相機中心； 502)根據透射投影關系，求解Oki和S的交點，即得到物體輪廓的三維坐標fi(xf, yf,Zf) O
【文檔編號】G01B11/00GK103697811SQ201310698124
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】袁勇, 艾青, 王輝, 王旭東 申請人:同濟大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
