以计算激光散斑为纹理的立体视觉三维测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种以计算激光散斑为纹理的立体视觉三维测量方法及系统，该测量方法包括：首先模拟激光散斑的形成过程,并计算得到数字化的激光散斑图，然后将该激光散斑图输出到菲林或照相干板上，接着将菲林或照相干板上的激光散斑图投射到被测物体的表面；最后采集被测物体的左、右视图，并在左、右视图中找出所有相互对应的匹配点，然后重建出被测物面形的三维点云。这样，通过本发明专利技术所述测量方法可获得理想的激光散斑图案，并投射到被测物表面,在被测物表面形成激光散斑纹理,完全避免了现有测量方法中相互对应的匹配点找错或找不到的问题，误匹配的概率极低，而且对环境光的干扰有较强的对抗能力，采样速度快，成本低，易于普及推广。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】以计算激光散斑为纹理的立体视觉三维测量方法及系统
本专利技术属于三维数字成像、三维重建及三维造型
，尤其涉及一种以计算 激光散斑为纹理的立体视觉三维面形测量方法及系统。 【
技术介绍
】 三维形貌测量，其应用领域已涵盖诸如工业检测、文物保护、地理测绘、建筑建模、 逆向工程、医学整型、电影动画、体感娱乐、虚拟现实以及三维打印等领域。其中，主动光立 体视觉作为一种重要的三维测量方法，以其测量速度快、结构简单、精度较高的特点，被大 量应用于科学研究与商业仪器中；其基本流程是：（1)标定出左右相机的坐标关系；（2)投 影结构光到被测物表面，形成特征纹理；（3)左、右相机同时各采集一幅图像，得到左视图 和右视图；（4)匹配左、右视图中相互对应的匹配点，并计算视差；（5)根据视差和左右相机 坐标关系，计算得到被测物的三维点云。 【
技术实现思路
】 上述主动光立体视觉三维测量方法的第（4)步的计算效果往往最为影响最终的 三维点云的准确性，而第（2)步所投射的特征纹理，对第（4)步的计算效果影响非常大；因 此理想的纹理应该是它的每一个局部的光亮度分布特征都是独一无二的，即任意选取一个 观察点，其周围区域的纹理分布与自身之外的任意一个点周围区域的纹理分布都不一样， 这样才能确保上述第（4)步所找到的匹配点完全正确。 李美菊等提出了一种用市面上能买到的投影仪投影数字散斑到被测物体表面作 为纹理的双目视觉系统的立体匹配方法（文献：李美菊.投影数字散斑双目视觉系统的立 体匹配.四川大学，2005)。该方法所述的"数字散斑"是这样形成的：把一个屏幕分成 一定大小（该论文选用的是3X3个像素）的子图像，每个子图像都随机选取一个像素，将 其灰度设定为255 (最亮），其余像素灰度设定为零。这种方法产生的散斑固然有一定的随 机性，但不能保证任一区域纹理特征都具有唯一性。如果匹配窗口的大小为3X3个像素， 那么错误匹配的概率（简称"误配率"）将高达1/9 ;当然随着匹配窗口的增大，误配率会下 降，但原则上难以完全消除误配。 杭州先临三维科技股份有限公司提出了数字散斑投影和相位测量轮廓术相结合 的三维数字成像方法（参考文献：周劲，赵晓波.数字散斑投影和相位测量轮廓术相结合 的三维数字成像方法.浙江：CN101608908, 2009-12-23)。该方法中使用投影机向被测 物投射"散斑图案"以消除正弦条纹相位匹配的不确定性，该方法未指明散斑的形成方法及 具体参数。Schaffer等人提出了 一种用Nd:YAG激光器作为相干光源，照射到散射屏，再 通过一个透镜系统，将散射光投射到被测物的表面，形成激光散斑，从而进行立体视觉三 维成像的方法（参考文献：SchafferM，GrosseM，KowarschikR.High-speedpattern projectionforthree-dimensionalshapemeasurementusinglaserspeckles. Appliedoptics，2010, 49(18) :3622-3629)。该方法所述激光散斑是由激光束照射到粗糙 的物体表面，由该表面散射（透射或者反射）的光照射到观察面而形成的光斑。由于观察 面上的光强是由无数束散射光叠加而成，而任意一束散射光的位相都是随机的，相干叠加 的结果使得观察面上任意一处的光强都是随机的。因此激光散斑理论上可以成为理想的双 目视差三维测量纹理。为了获得足够的纹理亮度，他们选用的激光器功率达到200mW。该方 法的成本较高，装置的体积较大，系统比较脆弱，不宜做成民用、低成本的商品化仪器。 为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种采用低成本、高可靠性 的理想激光散斑图投射方案，使被测物表面形成激光散斑纹理，完全避免了现有测量方法 中要么匹配点找错或找不到、要么装置的成本较高，难以普及推广的问题，而且误匹配的几 率极低，对环境光干扰的对抗能力强，成像速度快，成本低，易于普及推广的立体视觉三维 面形测量方法及系统。 本专利技术解决现有技术问题所采用的技术方案为： -种以计算激光散斑为纹理的立体视觉三维面形测量方法，包括：首先模拟激光 散斑的形成过程，并计算得到数字化的激光散斑图，然后将该激光散斑图输出到菲林或照 相干板上，接着将菲林或照相干板上的激光散斑图投射到被测物体的表面；最后采集被测 物体的左、右视图，并在左、右视图中找出被测物体表面所有相互对应的匹配点，且根据匹 配点的视差数据，重建得到被测物表面的三维点云。 进一步地，所述"计算得到数字化的激光散斑图"为模拟相干光被粗糙表面散射， 形成多束散射光，该多束散射光传播到观察面，相干叠加形成激光散斑图，观察面上各点的 光强数值是经数值计算得到的。 进一步地，所述"数值计算"具体为：设从粗糙表面任意一点散射到观察面点P的 光线的振幅均为1或为随机数，则观察面点P的光强公式为： 所述11/为从散射点（i，j)散射到观察面点P的光线的位相，其公式为 所知为散射点S(Xl，y])到观察面点P(u，v)的距离， 所述"hy"为散射点的相对高度，即某散射点高度对所有散射点平均高度的偏离量，所述Xl 和yj分别为序号为（i，j)散射点的坐标，，当中 的和一^分别为散射面上mXn个间隔均勾的散射点中横向和纵向相邻散射点之间的 前.n 间隔，m、n取值为： 其中Z。是散射平面到观察平面的距离，A是激光的波长，Lx为散射面的长度，Ly 为散射面的宽度，Lpx为接收平面的长度，Lpy为接收平面的宽度；各个散射点的高度是相互 独立的随机数，记为h(i，j);其数值用计算机的随机数生成器生成，正负双向取值，平均值 为〇,方均根值大于等于二分之一波长入； 通过控制1^、1^、波长A以及散射面与观察面间的距离Z。，可以改变散斑在x方向 与y方向的自相关长度1^和L。,，即散斑尺寸；它们之间的关系是： 进一步地，所述散斑的水平及垂直自相关长度1^和1^可根据被测物面形特征、测 量系统参数和匹配精度最优原则进行调整。 进一步地，所述"采集被测物体的左、右视图，并在左、右视图中找出被测物体表面 所有相互对应的匹配点，且根据匹配点的视差数据，重建得到被测物表面的三维点云"，具 体为：首先根据左右图像采集设备之间由旋转矩阵R和平移向量T确定的相对位置，进行 左、右视图行对齐；接着使用匹配算法搜寻左、右视图中相互对应的匹配点，直至左、右视图 中所有相互对应的匹配点均被找出，从而得到左、右视图间的视差图；最后根据立体视觉三 维重建公式，对视差图进行计算，得到三维点云数据，完成数字三维成像；该三维重建公式 为： 其中，（Up 是左、右视图彳丁对齐后，左视图上某点的坐标；d是该点与其在右视 图上对应的匹配点之间的视差；Q矩阵，通过双目立体视觉标定得到。 进一步地，所述"使用匹配算法搜寻左、右视图中相互对应的匹配点"，具体为：在 行对齐后，使用SAD匹配算法，当SAD窗口大小为2m+l时，通过以下计算公式得到同一行中 SAD值最小处的点，即为匹配点的位置； 式中，（i，j)是左视图中的一个点，d是该点与右视图中对应的匹配点间的视差， 匕和PR分别是当前像素位置上的灰度值。 进一步地，所述"使用匹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以计算激光散斑为纹理的立体视觉三维面形测量方法，其特征在于，包括：首先模拟激光散斑的形成过程，并计算得到数字化的激光散斑图，然后将该激光散斑图输出到菲林或照相干板上，接着将菲林或照相干板上的激光散斑图投射到被测物体的表面；最后采集被测物体的左、右视图，并在左、右视图中找出被测物体表面所有相互对应的匹配点，且根据匹配点的视差数据，重建得到被测物表面的三维点云。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张福根，李云鹏，
申请(专利权)人：珠海真幻科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44