一种基于结构光4维成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于结构光4维成像方法，适用不同波段的结构光激光器，与摄像机成一定夹角。由激光器照射物体表面，经物体反射在摄像机投影平面上。通过摄像机搜索激光线位置，通过计算得到激光线中心线各点在图像坐标系的坐标及灰度信息；根据各点图像坐标系坐标得到摄像机坐标系坐标，随后结合各点灰度信息便可得出物体的4维信息。本发明专利技术的优点为：可适用于不同的反射表面的物体，实现物体的4维成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁路车辆外观故障检测领域，具体涉及一种基于结构光4维成像方法 及装置，适用于铁路等领域内车辆或者其他领域物体的外观信息采集。
技术介绍
随着我国铁路事业的迅猛发展，采用自动检测系统进行列车检修的应用越来越广 泛，相机传感器得到越来越多的应用，然而相机传感器只能得到拍摄物体的二维信息，无法 得到物体的三维信息，而市场上的3D采集装置虽然能收集物体的三维信息，但无法同时采 集到物体的灰度信息。本专利技术能够兼容上述两者的优势，在采集物体的三维信息的同时，收 集物体的灰度信息，使得采集到的信息更加丰富。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出一种适用于不同波段的激光器的4维数据采集系统，用 于成像物体的测量，收集成像物体外观的灰度信息与三维信息，实现成像物体的4维成像。 本专利技术一种基于结构光4维成像方法，通过下述步骤实现： 步骤1 :通过线性激光器向成像物体表面投影结构光。 步骤2 :调节摄像机的镜头与线性激光器的投影光轴间的夹角，使摄像机可获取 结构光与成像物体相交的激光线。 步骤3 :建立公无?角定线结构光平面上任意一点P在摄像 机坐标系下的三维坐标：；式中：Ρ为比例系数，Α为摄像机内参矩阵，匕= 为点P在摄像机坐标系0。(X。，yy。）下的齐次坐标；/My」），为点p在图像坐标系0u(xu，yu)下的齐次坐标；a，b，c，d分别表示结构光平面5的平面方程的四个系数。 步骤4:调整线性激光器的亮度与摄像机的曝光时间，使摄像机能够提取激光线 轮廓。 步骤5:通过摄像机拍摄激光线，获取包含激光线的图像。 步骤6 :对步骤5获取的图像进行二值化，提取激光线轮廓。 步骤7:定位激光线轮廓的中心线位置，并得到激光线的中心线上各点在图像坐 标系上的坐标以及灰度信息。 步骤8 :将步骤7中激光线的中心线上各点在图像坐标系上的坐标带入步骤3中 式（3)，计算得到激光线的中心线上各点在摄像机坐标系下的三维坐标（X'，y'，z');进 一步将灰度信息g与深度信息z'融合成4维坐标（X'，y'，z'，g)。 通过摄像机对成像物体表面激光线进行连续拍摄，从而获取成像物体上不同位置 的三维信息，然后通过拼接即可实现整个成像物体的三维轮廓成像。 针对上述基于结构光4维成像方法的成像装置，包括外壳、连接支架、摄像机与线 性激光器。其中，连接支架用于实现摄像机与线性激光器间的连接；使摄像机的镜头轴线与 线性激光器的投影光轴共面A。上述激光器与摄像机通过外壳进行封装。 本专利技术的优点在于： 1、本专利技术基于结构光4维成像方法及装置，可适用于不同的反射表面的物体，实 现物体的4维成像； 2、本专利技术基于结构光4维成像方法及装置，可同时采集物体的三维信息和灰度信 息； 3、本专利技术基于结构光4维成像方法及装置，采用线性激光器，根据不同需求可以 选择不同的波段的线性激光器； 4、本专利技术基于结构光4维成像方法及装置，采用L型与外部保护壳的方式，在抗震 动和防雨性较好。【附图说明】 图1为基于结构光4维成像方法流程图； 图2为摄像机参数和线性激光器发射的线结构光平面标定示意图； 图3为基于结构光4维成像装置整体结构示意图； 图4为基于结构光4维成像装置中线性激光器与摄像机间的连接方式示意图。 图中： 1-线性激光器 2-摄像机 3-成像物体 4-投影平面 5-结构光平面 6-外壳 7-连接支架 8-激光器支架 9-摄像机支架 10-转轴【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。 本专利技术基于结构光4维成像方法及装置，如图1、图2所示，具体通过下述步骤实 现： 步骤1 :通过线性激光器1向成像物体3表面投影结构光。 步骤2 :根据成像物体3的大小，以及需求的摄像机2拍摄范围和拍摄精度，调节 摄像机2的镜头与线性激光器1的投影光轴间的夹角，使摄像机2可获取结构光与成像物 体3相交的激光线；若成像物体3表面无高低变化，则激光线为一条直线；反之，若成像物 体3表面存在高低变化，则激光线为曲线。 步骤3 :标定摄像机2参数和结构光平面5。 设线结构光平面5上任意一点P在摄像机2的投影平面xu0uyu上的投影点为p， 点P在图像坐标系〇u(xu，yu)下的齐次坐标为/)=(y,l)*点p在摄像机坐标系(^(Xyy^z。） 下的齐次坐标为(X。，y。，z。，1)τ，点p在世界坐标系Ow(xw，yw，zw)下的齐次坐标为Pw= Yw，Zw，1 〇由此，根据摄像机2成像模型可得：(1) 式⑴中，P为比例系数，A为摄像机2内参矩阵，R，t分别为世界坐标系到摄像 机坐标系的旋转矩阵与平移矢量，Μ为摄像机2投影矩阵。 Ρ点同时还满足所在结构光平面5的平面方程，设结构光平面5在摄像机坐标系 0c(xc，yc、zc)下满足方程： axc+byc+czc+d= 0 (2) 式（2)中a，b，c，d分别表示结构光平面5的平面方程的四个系数。 联立式（1)、式（2)可得：\3) 在世界坐标系0W(xw，yw，zw)中，由摄像机2成像模型确定射线的方程，由式（2) 确定结构光平面5的平面方程，由此，由0j)和结构光平面5的交点可以唯一确定点P在摄 像机坐标系下的三维坐标。 步骤4 :调整线性激光器1的亮度与摄像机2的曝光时间，避免激光线成像过曝， 使得激光线能在测量范围内清晰成像。由此在二值化图像时，摄像机2能够稳定的提取出 激光线轮廓； 步骤5 :通过摄像机2拍摄激光线，获取包含激光线的图像； 步骤6 :对步骤5获取的图像进行二值化，提取激光线轮廓； 步骤7 :由于激光线具有一定宽度，本专利技术中通过图像处理定位激光线轮廓的中 心线位置，并得到激光线的中心线上各点在图像坐标系上的坐标以及灰度信息（g); 步骤8:将步骤7中激光线的中心线上各点在图像坐标系上的坐标带入步骤3中 式（3)，计算得到激光线的中心线上各点在摄像机坐标系下的三维坐标（X'，y'，z'); 其中，^即为成像物体的深度信息；进一步将灰度信息g与深度信息^融合成4维坐标 (X，y，z，g) 〇 由此，通过摄像机2对成像物体3表面激光线进行连续拍摄，从而获取成像物体3 上不同位置的三维信息，然后通过拼接即可实现整个成像物体3的三维轮廓成像。 针对上述方法，本专利技术还提出一种基于结构光4维成像装置，包括外壳6、连接支 架7、摄像机2与线性激光器1 ;其中，连接支架7采用L型结构，用于实现摄像机2与线性 激光器1间的连接。连接支架7 -侧边固定安装激光器支架8,线性激光器1安装在激光器 支架8上；连接支架7另一侧边通过转轴10轴接摄像机支架9,摄像机2安装在摄像机支 架9上。上述摄像机2的镜头轴线与线性激光器1的投影光轴共面A，且摄像机支架9可转 动，进而实现摄像机2镜头轴线与线性激光器1的投影光轴间夹角的调节。 上述激光器支架8固定安装在外壳6内，通过外壳6实现激光器与摄像机2的封 装；且在激光器的镜头朝向一侧，位于激光器镜头对应位置处开有开口，并通过透明玻璃密 封；且在摄像机2镜头对应位置处开有开口，同样通过透明玻璃密封。 本专利技术基于结构光4维成像装置，可采用不同波段的激光器（包括808nm±20nm， 650nm±20nm等波段），且可采用摄像机（ccd，cmos芯片等）及滤光片组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于结构光4维成像方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：通过线性激光器向成像物体表面投影结构光；步骤2：调节摄像机的镜头与线性激光器的投影光轴间的夹角，使摄像机可获取结构光与成像物体相交的激光线；步骤3：建立公式确定线结构光平面上任意一点P在摄像机坐标系下的三维坐标；式中：ρ为比例系数，A为摄像机内参矩阵，Pc＝(xc,yc,zc,1)T，为点p在摄像机坐标系Oc(xc，yc、zc)下的齐次坐标；为点p在图像坐标系Ou(xu，yu)下的齐次坐标；a，b，c，d分别表示结构光平面5的平面方程的四个系数。步骤4：调整线性激光器的亮度与摄像机的曝光时间，使摄像机能够提取激光线轮廓；步骤5：通过摄像机拍摄激光线，获取包含激光线的图像；步骤6：对步骤5获取的图像进行二值化，提取激光线轮廓；步骤7：定位激光线轮廓的中心线位置，并得到激光线的中心线上各点在图像坐标系上的坐标以及灰度信息；步骤8：将步骤7中激光线的中心线上各点在图像坐标系上的坐标带入步骤的公式中，计算得到激光线的中心线上各点在摄像机坐标系下的三维坐标(x′，y′，z′)；进而将灰度信息g与深度信息z′进行融合后，得到成像物体的4维坐标(x′，y′，z′，g)。通过摄像机对成像物体表面激光线进行连续拍摄，从而获取成像物体上不同位置的三维信息，然后通过拼接即可实现整个成像物体的三维轮廓成像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩涛，李侠，王洪志，崔朝辉，张亨，高建龄，
申请(专利权)人：北京康拓红外技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11