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结构光全景测量系统的测量方法技术方案

技术编号:14818707 阅读:177 留言:0更新日期:2017-03-15 12:09
本发明专利技术提供了一种结构光全景测量系统的测量方法,在根据本发明专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中,利用两个双曲面镜,即第一双曲面镜和第二双曲面镜,分别与相机和投影仪构成相机全景子系统和投影仪全景子系统进而组成结构光全景测量系统,鉴于双曲面镜的非线性导致精度损失而导致对硬件的要求高,设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片以降低对硬件的要求从而保证较高的精度,而后建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型,并结合移相法结构光测量原理对被测目标的三维坐标进行测量,从而在保证较高精度的前提下操作简单的实现全景测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构光全景测量系统,尤其涉及一种结构光全景测量系统的测量方法
技术介绍
结构光测量是视觉测量中一种重要的测量方法,利用相机捕捉投影仪投射的且在被测目标表面变形的模板图片,从而实现三维物体的重建和测量。由于相机只能拍摄视场范围内的场景而投影仪也只能投影图像到其视场范围内,它们的视场一般都小于180度,则要实现360度的全景测量,必须旋转投影仪和相机,测量后再进行配准,操作复杂且易损失精度。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的缺陷,本专利技术的目的在于提供一种结构光全景测量系统的测量方法,在保证较高精度的前提下操作简单的实现全景测量。为了实现上述目的,本专利技术提供了一种结构光全景测量系统的测量方法,包括步骤:S1:设计相机全景子系统的第一双曲面镜和投影仪全景子系统的第二双曲面镜;S2:设置相机全景子系统中的相机与第一双曲面镜的相对位置和投影仪全景子系统中的投影仪与第二双曲面镜的相对位置,使第一双曲面镜的双曲面的对称轴与相机的光轴在同一条直线上并使第一双曲面镜的外焦点与相机的光心重合,相机全景子系统的轴线定义为与相机的光轴和第一双曲面镜的对称轴在同一条直线上,使第二双曲面镜的双曲面的对称轴与投影仪的光轴在同一条直线上并使第二双曲面镜的外焦点与投影仪的光心重合,投影仪全景子系统的轴线定义为与投影仪的光轴和第二双曲面镜的对称轴在同一条直线上,相机全景子系统的轴线与投影仪全景子系统的轴线在同一条直线上以此直线作为结构光全景测量系统的轴线,轴向移动相机全景子系统和投影仪全景子系统以配置相机全景子系统和投影仪全景子系统的相对位置;S3:设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片,得到四个模板图片组,即高频环形条纹模板图片组、低频环形条纹模板图片组、高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组,用于投影仪投影;S4:建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型;S5:根据步骤S3得到的四个模板图片组利用Np步移相法结构光测量原理标定结构光全景测量系统,得到相机全景子系统的内参矩阵AC、投影仪全景子系统的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统和相机全景子系统之间的位置关系矩阵S6:将被测目标设置在结构光全景测量系统的视场中,结构光全景测量系统的视场为相机全景子系统和投影仪全景子系统形成的公共视场,根据步骤S4中建立的相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型和步骤S5中得到的相机全景子系统的内参矩阵AC、投影仪全景子系统的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统和相机全景子系统之间的位置关系矩阵利用Np步移相法结构光测量原理进行目标测量得到被测目标的三维坐标。本专利技术的有益效果如下:在根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中,利用两个双曲面镜,即第一双曲面镜和第二双曲面镜,分别与相机和投影仪构成相机全景子系统和投影仪全景子系统进而组成结构光全景测量系统,鉴于双曲面镜的非线性导致精度损失而导致对硬件的要求高,设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片以降低对硬件的要求从而保证较高的精度,而后建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型,并结合移相法结构光测量原理对被测目标的三维坐标进行测量,从而在保证较高精度的前提下操作简单的实现全景测量。附图说明图1是根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中的结构光全景测量系统的示意图;图2是根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中的设计的条纹模板图片经过投影仪全景子系统反射后在以第二双曲面镜的内焦点为球心的球体表面均匀分布的示意图;图3是图2的圆圈部分的放大图;图4是根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中的设计的模板图片示意图,其中,左图为变频的环形条纹模板图片,右图为恒频的伞状条纹模板图片;图5是根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中的建立的相机全景子系统成像模型的示意图;图6是图1的简化示意图,以便清楚地示出结构光全景测量系统的视场;图7是图6的结构光全景测量系统的构件的位置变化的示意图;图8是图6的结构光全景测量系统的构件的另一位置变化的示意图。其中,附图标记说明如下:1相机全景子系统M被测目标11第一双曲面镜C标定板12相机A1结构光全景测量系统的视场2投影仪全景子系统21第二双曲面镜P0被测目标表面上形成的图像22投影仪O1相机的光心P第二双曲面镜表面上形成的图像O2投影仪的光心F1第一双曲面镜的外焦点X1世界坐标系F2第一双曲面镜的内焦点X2相机全景子系统坐标系V相机的虚拟成像平面X3相机的图像物理坐标系F01第二双曲面镜的外焦点X4相机的图像像素坐标系F02第二双曲面镜的内焦点具体实施方式下面参照附图来详细说明根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法。参照图1至图8,本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法包括步骤:S1:设计相机全景子系统1的第一双曲面镜11和投影仪全景子系统2的第二双曲面镜21;S2:设置相机全景子系统1中的相机12与第一双曲面镜11的相对位置和投影仪全景子系统2中的投影仪22与第二双曲面镜21的相对位置,使第一双曲面镜11的双曲面的对称轴与相机12的光轴在同一条直线上并使第一双曲面镜11的外焦点F1与相机12的光心O1重合,相机全景子系统1的轴线定义为与相机12的光轴和第一双曲面镜11的对称轴在同一条直线上,使第二双曲面镜21的双曲面的对称轴与投影仪22的光轴在同一条直线上并使第二双曲面镜21的外焦点F01与投影仪22的光心O2重合,投影仪全景子系统2的轴线定义为与投影仪22的光轴和第二双曲面镜21的对称轴在同一条直线上,相机全景子系统1的轴线与投影仪全景子系统2的轴线在同一条直线上以此直线作为结构光全景测量系统的轴线,轴向移动相机全景子系统1和投影仪全景子系统2以配置相机全景子系统1和投影仪全景子系统2的相对位置;S3:设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片,得到四个模板图片组,即高频环形条纹模板图片组、低频环形条纹模板图片组、高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组,用于投影仪22投影;S4:建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型;S5:根据步骤S3得到的四个模板图片组利用Np步移相法结构光测量原理标定结构光全景测量系统,得到相机全景子系统1的内参矩阵AC、投影仪全景子系统2的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统2和相机全景子系统1之间的位置关系矩阵S6:将被测目标M设置在结构光全景测量系统的视场A1中,结构光全景测量系统的视场A1为相机全景子系统1和投影仪全景子系统2形成的公共视场,根据步骤S4中建立的相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型和步骤S5中得到的相机全景子系统1的内参矩阵AC、投影仪全景子系统2的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统2和相机全景子系统1之间的位置关系矩阵利用Np步移相法结构光测量原理进行目标测量得到被测目标M的三维坐标。在根据本专利技术的结构光全景测量系统的测量方法中,利用两个双曲面镜,即第一双曲面镜11和第二双曲面镜21,分别与相机12和投影仪22构成相机全景子系统1和投影仪全景子系统2进而组成结构光全景测量系统,鉴于双曲面镜的非线性导致精度损失而导致对硬件的要求高,设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片以降低对硬件的要求从本文档来自技高网...
结构光全景测量系统的测量方法

【技术保护点】
一种结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,包括步骤:S1:设计相机全景子系统(1)的第一双曲面镜(11)和投影仪全景子系统(2)的第二双曲面镜(21);S2:设置相机全景子系统(1)中的相机(12)与第一双曲面镜(11)的相对位置和投影仪全景子系统(2)中的投影仪(22)与第二双曲面镜(21)的相对位置,使第一双曲面镜(11)的双曲面的对称轴与相机(12)的光轴在同一条直线上并使第一双曲面镜(11)的外焦点(F1)与相机(12)的光心(O1)重合,相机全景子系统(1)的轴线定义为与相机(12)的光轴和第一双曲面镜(11)的对称轴在同一条直线上,使第二双曲面镜(21)的双曲面的对称轴与投影仪(22)的光轴在同一条直线上并使第二双曲面镜(21)的外焦点(F01)与投影仪(22)的光心(O2)重合,投影仪全景子系统(2)的轴线定义为与投影仪(22)的光轴和第二双曲面镜(21)的对称轴在同一条直线上,相机全景子系统(1)的轴线与投影仪全景子系统(2)的轴线在同一条直线上以此直线作为结构光全景测量系统的轴线,轴向移动相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)以配置相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)的相对位置;S3:设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片,得到四个模板图片组,即高频环形条纹模板图片组、低频环形条纹模板图片组、高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组,用于投影仪(22)投影;S4:建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型;S5:根据步骤S3得到的四个模板图片组利用Np步移相法结构光测量原理标定结构光全景测量系统,得到相机全景子系统(1)的内参矩阵AC、投影仪全景子系统(2)的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统(2)和相机全景子系统(1)之间的位置关系矩阵S6:将被测目标(M)设置在结构光全景测量系统的视场(A1)中,结构光全景测量系统的视场(A1)为相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)形成的公共视场,根据步骤S4中建立的相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型和步骤S5中得到的相机全景子系统(1)的内参矩阵AC、投影仪全景子系统(2)的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统(2)和相机全景子系统(1)之间的位置关系矩阵利用Np步移相法结构光测量原理进行目标测量得到被测目标(M)的三维坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,包括步骤:S1:设计相机全景子系统(1)的第一双曲面镜(11)和投影仪全景子系统(2)的第二双曲面镜(21);S2:设置相机全景子系统(1)中的相机(12)与第一双曲面镜(11)的相对位置和投影仪全景子系统(2)中的投影仪(22)与第二双曲面镜(21)的相对位置,使第一双曲面镜(11)的双曲面的对称轴与相机(12)的光轴在同一条直线上并使第一双曲面镜(11)的外焦点(F1)与相机(12)的光心(O1)重合,相机全景子系统(1)的轴线定义为与相机(12)的光轴和第一双曲面镜(11)的对称轴在同一条直线上,使第二双曲面镜(21)的双曲面的对称轴与投影仪(22)的光轴在同一条直线上并使第二双曲面镜(21)的外焦点(F01)与投影仪(22)的光心(O2)重合,投影仪全景子系统(2)的轴线定义为与投影仪(22)的光轴和第二双曲面镜(21)的对称轴在同一条直线上,相机全景子系统(1)的轴线与投影仪全景子系统(2)的轴线在同一条直线上以此直线作为结构光全景测量系统的轴线,轴向移动相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)以配置相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)的相对位置;S3:设计变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片,得到四个模板图片组,即高频环形条纹模板图片组、低频环形条纹模板图片组、高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组,用于投影仪(22)投影;S4:建立相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型;S5:根据步骤S3得到的四个模板图片组利用Np步移相法结构光测量原理标定结构光全景测量系统,得到相机全景子系统(1)的内参矩阵AC、投影仪全景子系统(2)的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统(2)和相机全景子系统(1)之间的位置关系矩阵S6:将被测目标(M)设置在结构光全景测量系统的视场(A1)中,结构光全景测量系统的视场(A1)为相机全景子系统(1)和投影仪全景子系统(2)形成的公共视场,根据步骤S4中建立的相机全景子系统成像模型和投影仪全景子系统成像模型和步骤S5中得到的相机全景子系统(1)的内参矩阵AC、投影仪全景子系统(2)的内参矩阵Ap以及投影仪全景子系统(2)和相机全景子系统(1)之间的位置关系矩阵利用Np步移相法结构光测量原理进行目标测量得到被测目标(M)的三维坐标。2.根据权利要求1所述的结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,步骤S1中的相机全景子系统(1)的第一双曲面镜(11)的设计是利用相机(12)的光心(O1)的位置、相机(12)的镜头尺寸和相机(12)的视场角来确定第一双曲面镜(11)的底面圆直径和顶点位置以设计第一双曲面镜(11),步骤S1中的投影仪全景子系统(2)的第二双曲面镜(21)的设计是利用投影仪(22)的光心(O2)的位置、投影仪(22)的镜头尺寸和投影仪(22)的视场角来确定第二双曲面镜(21)的底面圆直径和顶点位置以设计第二双曲面镜(21)。3.根据权利要求1所述的结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,步骤S3中变频的环形条纹模板图片和恒频的伞状条纹模板图片的设计过程包括步骤:S31:在二维平面OPXPZP内设计变频的环形条纹模板图片,坐标系OP-XPZP以第二双曲面镜(21)的内焦点(F02)为原点OP,第二双曲面镜(21)的对称轴为ZP轴,假设将期望投影仪(22)投射的变频的环形条纹模板图片照射在第二双曲面镜(21)上,经过第二双曲面镜(21)反射,反射后在被测目标(M)表面上形成的图像(P0)是恒频率均匀的,期望频率为f0,灰度值为其中,为结构光全景测量系统的轴线与经过第二双曲面镜(21)反射的光线的夹角,双曲面镜为双叶双曲面且旋转对称,则第二双曲面镜(21)的镜面方程为在二维平面OPXPZP内的截面方程为式中,a和b分别为双叶双曲面的实轴和虚轴参数,c为第二双曲面镜(21)的内焦点(F02)到投影仪(22)的光心(O2)的距离的一半,由几何关系将形成在被测目标(M)表面上的期望频率为f0、灰度值为的图像(P0)映射到第二双曲面镜(21)的表面上形成的灰度值为Is=F(f0|x,z)的图像(P),根据截面方程则第二双曲面镜(21)的表面上形成的灰度值为Is=F(f0|x,z)的图像(P)在X轴上的投影Ix=F(f0,a,b,c|x),进一步根据小孔成像模型,得到投影仪(22)的虚拟成像平面上的光强分布IP=F(f0,a,b,c|f(r),r),式中,f(r)为变频的环形条纹模板图片中环形条纹的频率,r为变频的环形条纹模板图片中的一点[u,v]T到图片中心[u0,v0]T的像素距离;S32:根据步骤S31中得到的投影仪(22)的虚拟成像平面上的光强分布IP=F(f0,a,b,c|f(r),r)计算得到变频的环形条纹模板图片中的环形条纹的频率f(r);S33:根据步骤S32中得到的变频的环形条纹模板图片的频率f(r)设计高频环形条纹模板图片组和低频环形条纹模板图片组,环形条纹模板图片组的灰度值为其中,Np为环形条纹模板图片组中图片的数量;k为第k张图片;A和B为常数,用于调制图片的灰度值处于0-255的范围内,选择两个不同频率fh(r)和fl(r),值fh比值fl大,则可得到两组不同灰度值Ipk(r,fh(r))和Ipk(r,fl(r))的环形条纹模板图片,即高频环形条纹模板图片组和低频环形条纹模板图片组;S34:选择两个不同频率f′h和f′l,f′h的值比f′l的值大,恒频的伞状条纹模板图片组的灰度值为则可得到两组不同灰度值I'pk(θ,f′h)和I'pk(θ,f′l)的伞状条纹模板图片,即高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组,其中,高频伞状条纹模板图片组和低频伞状条纹模板图片组均有Np张图片。4.根据权利要求1所述的结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,步骤S4中相机全景子系统成像模型建立方法为:基于Scaramuzza的方法,将第一双曲面镜(11)和相机(12)看作一个整体,则相机全景子系统(1)可用多项式模型描述为:qc=λu′′a0+...+aNρ′′N=P·X,λ>0]]>其中,X=[X,Y,Z,1]T表示世界坐标系(X1)中任意空间点的齐次坐标;P为相机全景子系统(1)的外参矩阵,P=[R|T],分别表示世界坐标系(X1)和相机全景子系统坐标系(X2)之间的旋转转换矩阵和平移转换矩阵;u”=[u”,v”]T是图像的物理坐标,与图像的像素坐标u'=[u',v']T的仿射变换关系为u”=Au'+t,表达了图像的数字图像化过程;ai,i=0,1,2,…,N是多项式系数;ρ”是点u”=[u”,v”]T到相机(12)的光轴的物理距离,λ为系数与X=[X,Y,Z,1]T中的Z值有关,λ>0限制光向量qc只能来自于相机(12)的传感器的一侧;qc=[u”,v”,w”]T是相机全景子系统坐标系(X2)下与相机(12)的图像的像素坐标u'=[u',v']T对应的光向量;步骤S4中投影仪全景子系统成像模型建立方法为:基于Scaramuzza的方法,将第二双曲面镜(21)和投影仪(22)看作一个整体,则投影仪全景子系统(2)可用多项式模型描述为:qp=λ′up′′a0′+...+aN′ρp′′N=P′·X′,λ′>0]]>其中,X'=[X',Y',Z',1]T表示世界坐标系(X1)中任意空间点的齐次坐标;P'为投影仪全景子系统(2)的外参矩阵,P'=[R'|T'],分别表示世界坐标系(X1)和投影仪全景子系统坐标系OP-XPYPZP之间的旋转转换矩阵和平移转换矩阵;u″p=[u″p,v″p]T是图像的物理坐标,与图像的像素坐标u'p=[u'p,v'p]T的仿射变换关系为u″p=A'u'p+tp,表达了图像的数字图像化过程;ai',i=0,1,2,…,N是多项式系数;ρ\p是点u″p=[u″p,v″p]T到投影仪(22)的光轴的物理距离,λ'为系数与X'=[X',Y',Z',1]T中的Z'值有关,λ'>0限制光向量qp只能来自于投影仪(22)的传感器的一侧;qp=[u″p,v″p,w″p]T是投影仪全景子系统坐标系OP-XPYPZP下与投影仪(22)的图像像素坐标u'p=[u'p,v'p]T对应的光向量。5.根据权利要求1所述的结构光全景测量系统的测量方法,其特征在于,步骤S5中利用移相法结构光测量原理对结构光全景测量系统的标定包括标定相机全景子...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐静刘顺涛王朋陈恳陈雪梅郑林斌何凤涛郭喜锋刘大鹏
申请(专利权)人:清华大学成都飞机工业集团有限责任公司
类型:发明
国别省市:北京;11

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