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基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種，尤其是一種基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法。該方法不僅能利用線結(jié)構(gòu)光的原理快速獲取物體表面上的三維數(shù)據(jù)，同時(shí)還能獲取空間物體的精確的邊緣輪廓數(shù)據(jù)；同時(shí)，該方法步驟簡(jiǎn)單，在硬件上，只需在現(xiàn)有的三維影像測(cè)量?jī)x上增加環(huán)形LED光源即可實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種，尤其是一種基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，線結(jié)構(gòu)光測(cè)頭已經(jīng)在逆向工程和質(zhì)量控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。該線結(jié)構(gòu)光測(cè)頭與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)量相比大大提高了測(cè)量速度。這類測(cè)頭通常是由一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)或兩個(gè)電荷稱合器件(Charge Coupled Device,簡(jiǎn)稱CCD)攝像機(jī)組成。其中激光發(fā)射器發(fā)出一條激光線，投射到物體表面；CCD攝像機(jī)可以接收被測(cè)物體上的漫反射光。通過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定就可將CCD攝像機(jī)像面上的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為光平面內(nèi)的二維坐標(biāo)。通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)物體或移動(dòng)測(cè)頭就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的三維掃描測(cè)量，所獲取的三維數(shù)據(jù)就是投射到物體上的光條的數(shù)據(jù)。這類測(cè)頭的特點(diǎn)是一次可得到一條激光線上的數(shù)據(jù)，通常是幾百個(gè)，具有較高的效率，光條上兩個(gè)點(diǎn)之間的最小距離是由沿光條方向的像素大小決定的。這類測(cè)頭的主要缺點(diǎn)是不能清晰準(zhǔn)確地測(cè)量物體的邊緣輪廓，物體的邊緣通常對(duì)應(yīng)光條斷開的地方，這使得該測(cè)頭無法獲取物體邊緣輪廓的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
[0003]另外，傳統(tǒng)的二維影像測(cè)量是利用一個(gè)CXD攝像機(jī)檢測(cè)二維平面上物體的邊緣輪廓，具有很高的清晰度和精度，在精密檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但該方法只能檢測(cè)同一個(gè)平面內(nèi)的邊緣特征，不能檢測(cè)三維特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出了一種將線結(jié)構(gòu)光和影像測(cè)量相結(jié)合的三維影像測(cè)量方法，不僅能利用線結(jié)構(gòu)光的原理快速獲取物體表面上的三維數(shù)據(jù)，同時(shí)還能獲取空間物體的精確的邊緣輪廓數(shù)據(jù)。
[0005]本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0006](I)關(guān)閉環(huán)形LED光源，打開線結(jié)構(gòu)光投射器，線結(jié)構(gòu)光投射器發(fā)出的平面與被測(cè)物體相交產(chǎn)生一條很亮的激光光條，攝像機(jī)拍攝該光條的圖像，對(duì)該光條的圖像進(jìn)行處理從而獲得激光光條的中心位置，該中心位置通過O" Uv坐標(biāo)系的像素坐標(biāo)U，V)表示；
[0007](2)關(guān)閉線結(jié)構(gòu)光投射器，打開環(huán)形LED光源，攝像機(jī)獲取被測(cè)物體的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行亞像素邊緣提取，得到物體特征的精確的圖像信息；
[0008](3)將步驟(I)的激光光條中心和步驟(2)中物體的亞像素邊緣相交得到兩個(gè)點(diǎn)P和Q，P點(diǎn)和Q點(diǎn)既在激光光條內(nèi)，又在物體的邊緣上，即P點(diǎn)和Q點(diǎn)是在光條上的邊緣點(diǎn)，只有在光條上的點(diǎn)才能通過最終轉(zhuǎn)換為空間三維坐標(biāo)，重復(fù)上述三個(gè)步驟即可得到獲取物體邊緣輪廓的二維像面坐標(biāo)；
[0009](4)通過線結(jié)構(gòu)光“內(nèi)參數(shù)”標(biāo)定可以根據(jù)二維像面坐標(biāo)得到光平面中的二維坐標(biāo)，OsXsYs是光平面中的二維坐標(biāo)系；
[0010](5)通過三維影像測(cè)量?jī)x的“外參數(shù)”標(biāo)定可以將光平面中的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)三維掃描測(cè)量，OmXmYmZm是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維坐標(biāo)系。
[0011]本發(fā)明中，激光光條中心的提取采用重心法，即投射到物體上的激光光條的亮度近似高斯分布，中間最亮，向兩邊逐漸變暗，隊(duì)_2到Ni+2是光條上像素位置，Vi_2到Vi+2是對(duì)應(yīng)像素的灰度值，則重心法公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟: (1)關(guān)閉環(huán)形LED光源(4)，打開線結(jié)構(gòu)光投射器(3)，線結(jié)構(gòu)光投射器(3)發(fā)出的平面與被測(cè)物體相交產(chǎn)生一條激光光條，攝像機(jī)(I)拍攝該光條的圖像，對(duì)該光條的圖像進(jìn)行處理從而獲得激光光條的中心位置，該中心位置通過O" Uv坐標(biāo)系的像素坐標(biāo)U，V)表示； (2)關(guān)閉線結(jié)構(gòu)光投射器(3)，打開環(huán)形LED光源(4)，攝像機(jī)(I)獲取被測(cè)物體的圖像，對(duì)該圖像進(jìn)行亞像素邊緣提取，得到物體特征的精確的圖像信息； (3)將步驟(I)的激光光條中心和步驟(2)中物體的亞像素邊緣相交得到兩個(gè)點(diǎn)P和Q，P點(diǎn)和Q點(diǎn)既在激光光條內(nèi)，又在物體的邊緣上，也就是說P點(diǎn)和Q點(diǎn)是在光條上的邊緣點(diǎn)，重復(fù)上述三個(gè)步驟即可得到獲取物體邊緣輪廓的二維像面坐標(biāo)； (4)通過線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)標(biāo)定可以根據(jù)二維像面坐標(biāo)得到光平面中的二維坐標(biāo)，OsXsYs是光平面中的二維坐標(biāo)系； (5)通過三維影像測(cè)量?jī)x的外參數(shù)標(biāo)定可以將光平面中的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)三維掃描測(cè)量，OmXmYmZm是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維坐標(biāo)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于:所述激光光條中心的提取采用重心法，即投射到物體上的激光光條的亮度近似高斯分布，中間最亮，向兩邊逐漸變暗 ，Ni-2到Ni+2是光條上像素位置，\_2到Vi+2是對(duì)應(yīng)像素的灰度值，則重心法
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于:所述所述圖像亞像素邊緣提取采用基于灰度差重心的亞像素算法，設(shè)邊緣處的灰度值為gi (i=-3, _2，…，3)，相應(yīng)的灰度差值表示為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于:所述內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定過程中，物體邊緣點(diǎn)的二維像面坐標(biāo)確定后，通過f (匕)=P2d公式得到光平面內(nèi)的二維坐標(biāo),其中Pr是物體邊緣點(diǎn)的二維像面坐標(biāo)，f是該測(cè)量?jī)x內(nèi)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)，P2d是轉(zhuǎn)換后再光平面中的二維坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于:所述三維影像測(cè)量?jī)x的外參數(shù)共有6個(gè)分量，包括3個(gè)平移分量和3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量，其中三個(gè)平移分量為三維影像測(cè)量?jī)x工作原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置，3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量為三維影像測(cè)量?jī)x一維或二維坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)平移分量為M，旋轉(zhuǎn)分量為Q，世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)系為P3d，則從光平面二維坐標(biāo)到世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為P3d =QP2d+M0
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測(cè)量方法，其特征在于:所述三維影像測(cè)量?jī)x包括線結(jié)構(gòu)光投射器(3)和攝像機(jī)(I )，線結(jié)構(gòu)光投射器(3)和攝像機(jī)(I)固定在同一個(gè)水平基座上，線結(jié)構(gòu)光投射器(3)、攝像機(jī)(I)與水平基座一起封裝在機(jī)殼內(nèi)，線結(jié)構(gòu)光投射器(3)的投射方向與攝像機(jī)(I)的光軸方向的夾角為30°?35°，線結(jié)構(gòu)光投射器(3)的出光孔到攝像機(jī)像面中心的距離為90mm?IOOmm之間，攝像機(jī)鏡頭的前端安裝由LED制成的環(huán)形LE D光源(4)。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK103438832SQ201310390389
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】解則曉 申請(qǐng)人:解則曉