一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法与系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于光栅投影和双目偏振相机的光滑物体三维测量方法，包括如下步骤：步骤100、调整偏振片，获取高动态范围的物体图像；步骤200、标定双目相机，获取相机的内部参数和外部参数；步骤300、设置光栅投影，将条纹投影于光滑物体表面；步骤400、条纹提取与匹配，获取同名点；步骤500、三维模型重构，获取光滑物体的三维模型；本发明专利技术基于双目立体视觉空间交汇获得光滑物体表面的坐标信息，实现光滑物体表面的精确三维测量，本发明专利技术能够有效避免光滑物体表面镜面反射导致的饱和情况，提高系统的可适用动态范围，同时还可降低系统标定难度，降低系统的运行成本。

A Three-Dimensional Measurement Method and System Based on Grating Projection and Binocular Polarization Camera

【技术实现步骤摘要】
一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法与系统
本专利技术实施例涉及非接触测量
，具体涉及一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法与系统。
技术介绍
光学的三维测量技术可以在非接触的条件下，快速精确获取物体的三维信息，目前已被广泛应用于智能质检、三维重建、轮廓尺寸监测等领域。光栅投影的三维测量是光学三维测量技术中最重要的组成部分，其通过向测量物体表面投射光栅条纹，并对传感器获取的图像处理以提取条纹的相位信息，解算获得物体的三维信息。传统的光栅投影三维测量方法对于表面粗糙的物体效果较好，但是对于表面光滑物体却具有一定的局限性。这主要是因为镜面反射导致传感器获取的条纹图像饱和，传感器无法有效提取精确的相位信息，从而降低了三维建模精度。另外基于单传感器的光栅投影三维测量方法对系统标定要求极高，当需要更换传感器或者其他系统单元时，需要重新进行高精度标定，成本较高，提高了系统的运行成本。
技术实现思路
为此，本专利技术实施例提供一种基于变分方法的高效换热结构自适应优化设计方法与系统，可以根据成像几何设置合理的偏振成像条件，有效避免条纹图像饱和情况，提高系统的工作动态范围，双目相机的使用可以降低标定的复杂度，可在更换传感器或者其他系统单元时快速完成系统标定，降低系统运行成本，以解决现有技术中的问题。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，包括如下步骤：步骤100、调整偏振片，获取高动态范围的物体图像；步骤200、标定双目相机，获取相机的内部参数和外部参数；步骤300、设置光栅投影，将条纹投影于光滑物体表面；步骤400、条纹提取与匹配，获取同名点；步骤500、三维模型重构，获取光滑物体的三维模型。本专利技术实施例的特征还在于，偏振片的调整具体步骤为：当传感器处于镜面反射方向，镜面反射导致传感器获取的条纹图像饱和时，调整偏振片的透光轴，选择性遮蔽较强的纵向波或横向波，降低相机的入瞳光强。本专利技术实施例的特征还在于，在步骤200之前，首先对图像进行镜头径向畸变校正和对透镜曲面进行偏心畸变校正。本专利技术实施例的特征还在于，镜头径向畸变校正的具体步骤为：设定镜头纠正模型：δxr＝x(a1r2+a2r4+a3r6+…)δyr＝y(a1r2+a2r4+a3r6+…)其中，(x，y)表示像点在图像中像素坐标，a1，a2，a3…表示各次径向畸变系数，δxr，δyr为径向畸变校正后的像素坐标。本专利技术实施例的特征还在于，偏心畸变校正的具体步骤为：设定透镜纠正模型：δxd＝b1(3x2+y2)+2b2xy+…δyd＝2b1xy+b2(3x2+y2)+…其中，(x，y)表示像点在图像中的像素坐标，b1，b2…表示各次偏心畸变系数，δxd，δyd为偏心畸变校正后的像素坐标。本专利技术实施例的特征还在于，双目相机的标定具体步骤：在双目相机视场中放入平面标定板，并从不同方向随机移动标定板，获取不同位置的标定表图像，然后提取标定板中标定点坐标，利用透视变换矩阵求解相机参数初始值，即有：其中，[X，Y，Z，1]T为物体表面点的世界坐标，[x，y，1]T为对应的图像点坐标，M为透视变换矩阵，α11，α12，…，α34为矩阵M的元素，Zc为物体表面点在摄像机坐标系的Z轴坐标；消去Zc后，可得到下述方程：α11X+α12Y+α13Z+α14-xXα31-xYα32-xZα33＝xα34α21X+α22Y+α23Z+α24-yXα31-yYα32-yZα33＝yα34采用至少6个标定点完成方程求解，该方程的解即为相机参数的初始值；将上述初始值通过LM非线性优化方法，迭代获取两个相机内部参数和外部参数的全局最优解，完成相机的标定。本专利技术实施例的特征还在于，步骤300的具体步骤为：采用DeBruijin编码方式，生成M元N阶序列，然后确定彩色RGB特征与DeBruijin序列的映射关系，生成DeBruijin彩色条纹，并将其投影于光滑物体表面。本专利技术实施例的特征还在于，步骤400的具体步骤为：获取投影于光滑物体表面的DeBruijin彩色条纹，将彩色条纹转换为灰度条纹，转换方程为：Rgray＝0.30Rr+0.59Rg+0.11Rb其中，Rr，Rg，Rb分别为转换器彩色图像的红、绿、蓝三通道亮度值，Rgray为对应灰度值；通过亚像素提取条纹中心线，确定每条条纹的中心位置。最后依据双目相机的条纹中心位置及对应的颜色信息，获取条纹码字序列，双目图像序列对比，完成同名点匹配。本专利技术实施例的特征还在于，在步骤500中构建三维模型的具体步骤为：双目立体视觉空间交汇获得光滑物体表面点云。对于上述获取的匹配点，可以依据双目立体视觉交汇技术获取匹配点的空间坐标信息，即有：其中(x1，y1)，(x2，y2)分别为双目相机图像同名点的坐标，M1和M2为对应相机的投影矩阵，由相机标定过程提供，通过上式获取同名点的空间坐标，Zc1，Zc2分别为物体表面点在双目相机坐标系Z轴的坐标；对点云进行滤波的预处理去除噪音，再提取点云数据；依据不规则三角网对点云数据进行处理，获取表面光滑物体的高精度三维模型。另外，本专利技术还提供了一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量系统，包括光栅投影单元、数据处理单元和两个双目偏振相机，所述光栅投影单元下方设置有光栅投影区，在所述光栅投影区内设置有平面标定板，所述平面标定板设置在两个双目偏振相机的共同视场内，所述数据处理单元与两个双目偏振相机均电性连接。本专利技术实施例具有如下优点：(1)高动态范围，光滑物体表面会镜面反射入射辐射，导致相机入瞳光强过大，出现饱和的情况，无法提取光滑物体表面的细节信息，通过引入偏振组件，调整偏振片的透光轴，选择性遮蔽较强的纵向波或横向波，降低相机的入瞳光强，这样可以增强系统的工作动态范围，在镜面反射方向仍可以获得光滑物体表面的细节信息；(2)低标定难度，单目相机建立物体表面的三维模型，需要高精度标定光栅投影和单目相机之间的相对位置关系，且在某一物件更换时，需要重新高精度标定，通过引入双目相机，提取特征点，建立空间立体几何关系，求取表面三维模型。这种方法的标定要求相对较低，且某一物件更换时，可快速标定，降低了系统的运行成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。图1为本专利技术整体流程示意图；图2为本专利技术系统结构框图；1-光栅投影单元；2-数据处理单元；3-双目偏振相机；4-光栅投影区；5-平面标定板。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100、调整偏振片，获取高动态范围的物体图像；步骤200、标定双目相机，获取相机的内部参数和外部参数；步骤300、设置光栅投影，将条纹投影于光滑物体表面；步骤400、条纹提取与匹配，获取同名点；步骤500、三维模型重构，获取光滑物体的三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100、调整偏振片，获取高动态范围的物体图像；步骤200、标定双目相机，获取相机的内部参数和外部参数；步骤300、设置光栅投影，将条纹投影于光滑物体表面；步骤400、条纹提取与匹配，获取同名点；步骤500、三维模型重构，获取光滑物体的三维模型。2.根据权利要求1所述一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，偏振片的调整具体步骤为：当传感器处于镜面反射方向，镜面反射导致传感器获取的条纹图像饱和时，调整偏振片的透光轴，选择性遮蔽较强的纵向波或横向波，降低相机的入瞳光强。3.根据权利要求1所述一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，在步骤200之前，首先对图像进行镜头径向畸变校正和对透镜曲面进行偏心畸变校正。4.根据权利要求3所述一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，镜头径向畸变校正的具体步骤为：设定镜头纠正模型：δxr＝x(a1r2+a2r4+a3r6+...)δyr＝y(a1r2+a2r4+a3r6+...)其中，(x，y)表示像点在图像中像素坐标，a1，a2，a3...表示各次径向畸变系数，δxr，δyr为径向畸变校正后的像素坐标。5.根据权利要求3所述一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，偏心畸变校正的具体步骤为：设定透镜纠正模型：δxd＝b1(3x2+y2)+2b2xy+...δyd＝2b1xy+b2(3x2+y2)+...其中，(x，y)表示像点在图像中的像素坐标，b1，b2...表示各次偏心畸变系数，δxd，δyd为偏心畸变校正后的像素坐标。6.根据权利要求1所述一种基于光栅投影和双目偏振相机的三维测量方法，其特征在于，双目相机的标定具体步骤：在双目相机视场中放入平面标定板，并从不同方向随机移动标定板，获取不同位置的标定表图像，然后提取标定板中标定点坐标，利用透视变换矩阵求解相机参数初始值，即有：其中，[X，Y，Z，1]T为物体表面点的世界坐标，[x，y，1]T为对应的图像点坐标，M为透视变换矩阵，α11，α12，...，α34为矩阵M的元素，Zc为物体表面点在摄像机坐标系的Z轴坐标；消去Zc后，可得到下述方程：α11X+α12Y+α13Z+α14-xXα31-xY...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彬，崔凯阳，朱岱，
申请(专利权)人：深度计算长沙信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43