一种多角度三维轮廓测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多角度三维轮廓测量系统及测量方法，1)通过立体标定技术，获得三个区域重建出模型的坐标变换关系，用于点云的拼接；2)投影编码的结构光，采集经被测物体调制的结构光图片；3)匹配求视差；4)三维重建，获得被测物体的正表面和左右两侧面的三维轮廓；5)点云低精度拼接，得到被测物的低精度的多角度三维轮廓；6)用ICP进行高精度拼接，最终得到被测物的高精度的多角度三维轮廓。本发明专利技术可以在被测物体和测量角度固定的条件下，得到被测物体的360度的精确三维模型，系统装置结构简单，测量精度高，视场大，速度快。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的多角度光学检测系统及检测方法，特别是一种大景深、多角度、大视场的结构光三维测量方法。
技术介绍
：三维扫描技术应用越来越广泛，为了实现物体快速精确的三维测量，通常采用多摄像机拍摄的立体视觉方法和条纹投影的结构光方法。传统的相移轮廓术法能够测量任何曲面形状的物体，测量范围广，但该方法存在标定困难，反射率问题；双目立体视觉法测量系统简单但是存在匹配困难的问题。若将这两种方法结合起来，利用相移轮廓术法测量出的绝对相位值辅助立体视觉法进行特征匹配，不仅解决了立体视觉“匹配难”的问题，而且还简化了系统结构，提高测量精度。目前，由于双目立体视觉测量系统相机夹角的限制，只能得到一个物体90度以内的精确三维模型。在实际使用中，通常需要对同一测量对象进行多次不同角度的测量，再将得到的三维轮廓模型进行拼接，费时费力。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多角度三维测量系统及测量方法，该装置采用激光MEMS(Micro-electromechanicalSystems)投影装置来提高投影景深；采用两面反射镜来提高测量范围；采用一个或多个相机来捕捉视场范围内的变形条纹图，使用单目或双目立体视觉匹配重建模型；通过自由拼接方法的到多角度融合模型。本专利技术可以在被测物体和测量角度固定的条件下，得到被测物体的360度的精确三维模型，测量精度高，视场大，速度快。本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的：一种多角度三维轮廓测量系统，系统由一个或多个相机、一台激光MEMS投影装置和两面反射镜组成，激光MEMS投影装置放置在被测物体正上方，反射镜对称放置在被测物体两侧并与被测物成一定夹角，使被测物体的左右两侧面在反射镜中成像，相机通过左右两反射镜采集到被测物体的左右两侧面，同时也采集到被测物体的正表面，即采集到被测物体的360度的轮廓特征；将激光MEMS投影装置的投影视场分为A区域、B区域和C区域三个区域，A区域为激光MEMS投影装置投射在右反射镜上的视场，B区域为投射在被测物体正表面的视场，C区域为投射在左反射镜上的视场。编码的结构光依次投射在投影视场的三个区域内并通过相机采集图片，根据结构光三维测量技术实现多角度快速扫描、三维重建和拼接。两面反射镜的夹角为60度到150度；镜面的高度为0.01米到1米；被测物体中心到相机光心的距离为0.01米到1米。所述的多角度三维轮廓测量系统的测量方法，按照如下步骤：1)通过立体标定技术，获得三个区域重建出模型的坐标变换关系，用于点云的拼接；三维点云拼接的实质就是空间坐标变换，以A区域、B区域重建的到的三维点云拼接为例，设点云A内任意一点的坐标为Pa(xa,ya,za)，点云B内任意一点的坐标为Pb(xb,yb,zb)，则A，B内对应点满足如下关系：Pa＝RPb+T所以,A，B之间的坐标变换可以通过R＝R(α，β，γ)和T＝(tx,ty,tz)T中的六个参数来描述，α，β，γ分别为绕x，y，z轴旋转的欧拉角，先后以x，y，z旋转进行坐标变换；设Pa(xa,ya,za)和Pb(xb,yb,zb)对应的齐次坐标为pa(xa,ya,za,1)和pb(xb,yb,zb,1)，则写成：pa＝Mpb，其中，通过基于特殊编码的立体标定块完成对点云之间坐标变换矩阵的M的求解；首先，建立基于特殊编码的立体标定块，基于特殊编码的立体标定块是在标准正方体块六个面上印有标准的棋盘格标定板图案，标定板图案上方印有编码用标准圆图案，用于区分每个面；对于立体标定板上棋盘格标定板的角点，通过测量其对应点的坐标变换矩阵T1，其两个面上对应点满足pac＝T1pbc，其中pac与pbc为重建的标定板的角点对应的齐次坐标是形式；通过重建立体标定块上角点完成对不同区域测量点云模型的拼接；以A区域重建的标定板为基准，其与B区域重建的标定板对应点坐标满足pa＝M1T1pb，M1是不同区域对应点之间的坐标变换矩阵；通过图像识别技术区分不同的标定板面，测量出T1，而pa与pb我们可以通过双目测量原理重建得到其坐标，通过求解非线性方程组求得M1；则可求两个模型之间拼接的坐标变换矩阵M＝M1T1；2)投影编码的结构光，采集经被测物体调制的结构光图片；3)匹配求视差；4)三维重建，获得被测物体的正表面和左右两侧面的三维轮廓；5)点云低精度拼接，得到被测物的低精度的多角度三维轮廓；只要知道坐标变换矩阵M，便可以进行点云的低精度拼接。在步骤一中已经求出坐标变换矩阵M，因此，直接使用坐标变换矩阵M对点云数据进行坐标变换，便可以完成被测物体的低精度的多角度三维轮廓拼接。6)用ICP(interativeclosedpoint)进行高精度拼接，最终得到被测物的高精度的多角度三维轮廓。本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过自由拼接方法的到多角度融合模型。本专利技术可以在被测物体和测量角度固定的条件下，得到被测物体的360度的精确三维模型，测量精度高，视场大，速度快。附图说明：图1为本专利技术的系统结构图；图2激光MEMS投影装置的视场；图3激光MEMS投影装置的视场的俯视图；图4立体标定块；图5投影视场的A区域；图6投影视场的B区域；图7投影视场的C区域；图8相机采集被测物体在右反射镜中成的像；图9相机采集被测物体正表面的图片；图10相机采集被测物体在左反射镜中成的像；图11相机三次分别采集被测物体的轮廓范围；图12实例分析；其中：其中，1为左侧反射镜；2为右侧反射镜；3为被测物体；4为相机；5为激光MEMS投影装置；A为激光MEMS投影装置投影视场的A区域；B为激光MEMS投影装置投影视场的B区域；C为激光MEMS投影装置投影视场的C区域。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1-12，一种多角度三维测量系统，系统由一个或多个相机、一台激光MEMS(Micro-electromechanicalSystems)投影装置和两面反射镜组成，激光MEMS投影装置放置在被测物体正上方，反射镜对称放置在被测物体两侧并与被测物成一定夹角，使被测物体的左右两侧面在反射镜中成像，相机可以通过左右两反射镜采集到被测物体的左右两侧面，同时也可以采集到被测物体的正表面，即可以采集到被测物体的360度轮廓特征。将激光MEMS投影装置的投影视场分为A、B、C三个区域，A区域为激光MEMS投影装置投射在右反射镜上的视场，B区域为投射在被测物体正表面的视场，C区域为投射在左反射镜上的视场。编码的结构光依次投射在投影视场的三个区域内并通过相机采集图片，根据结构光三维测量技术实现多角度快速扫描、三维重建和拼接。图1中，1为左侧反射镜；2为右侧反射镜；3为被测物体；4为相机；5为激光MEMS投影装置。图2中，A为激光MEMS投影装置投影视场的A区域；B为激光MEMS投影装置投影视场的B区域；C为激光MEMS投影装置投影视场的C区域。具体测量步骤如下：步骤1、通过立体标定技术，获得三个区域重建出模型的坐标变换关系，用于点云的拼接。三维点云拼接的实质就是空间坐标变换，以A、B区域重建的到的三维点云拼接为例，设点云A内任意一点的坐标为Pa(xa,ya,za)，点云B内任意一点的坐标为Pb(xb,yb,zb)，则A，B内对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多角度三维轮廓测量系统，其特征在于，系统由一个或多个相机、一台激光MEMS投影装置和两面反射镜组成，激光MEMS投影装置放置在被测物体正上方，反射镜对称放置在被测物体两侧并与被测物成一定夹角，使被测物体的左右两侧面在反射镜中成像，相机通过左右两反射镜采集到被测物体的左右两侧面，同时也采集到被测物体的正表面，即采集到被测物体的360度的轮廓特征；将激光MEMS投影装置的投影视场分为A区域、B区域和C区域三个区域，A区域为激光MEMS投影装置投射在右反射镜上的视场，B区域为投射在被测物体正表面的视场，C区域为投射在左反射镜上的视场。编码的结构光依次投射在投影视场的三个区域内并通过相机采集图片，根据结构光三维测量技术实现多角度快速扫描、三维重建和拼接。

【技术特征摘要】
1.一种多角度三维轮廓测量系统，其特征在于，系统由一个或多个相机、一台激光MEMS投影装置和两面反射镜组成，激光MEMS投影装置放置在被测物体正上方，反射镜对称放置在被测物体两侧并与被测物成一定夹角，使被测物体的左右两侧面在反射镜中成像，相机通过左右两反射镜采集到被测物体的左右两侧面，同时也采集到被测物体的正表面，即采集到被测物体的360度的轮廓特征；将激光MEMS投影装置的投影视场分为A区域、B区域和C区域三个区域，A区域为激光MEMS投影装置投射在右反射镜上的视场，B区域为投射在被测物体正表面的视场，C区域为投射在左反射镜上的视场。编码的结构光依次投射在投影视场的三个区域内并通过相机采集图片，根据结构光三维测量技术实现多角度快速扫描、三维重建和拼接。2.基于权利要求1所述的多角度三维轮廓测量系统，其特征在于，两面反射镜的夹角为60度到150度；镜面的高度为0.01米到1米；被测物体中心到相机光心的距离为0.01米到1米。3.基于权利要求1所述的多角度三维轮廓测量系统的测量方法，其特征在于，按照如下步骤：1)通过立体标定技术，获得三个区域重建出模型的坐标变换关系，用于点云的拼接；三维点云拼接的实质就是空间坐标变换，以A区域、B区域重建的到的三维点云拼接为例，设点云A内任意一点的坐标为Pa(xa,ya,za)，点云B内任意一点的坐标为Pb(xb,yb,zb)，则A，B内对应点满足如下关系：Pa＝RPb+T所以,A，B之间的坐标变换可以通过R＝R(α，β，γ)和T＝(tx,ty,tz)T中的六个参数来描述，α，β，γ分别为绕x，y，z轴旋转的欧拉角，先后以x，y，z旋转进行坐标变换；R=Rα,β,&gamm...

【专利技术属性】
技术研发人员：金瑞，王超，李欢欢，车玉彩，郭迪，姚东，
申请(专利权)人：西安知象光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61