融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法技术

本发明专利技术所涉及一种融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法。该方法主要包括如下步骤：建模用标定板图像序列采集，图像空间网格数据获取，图像空间实际平面网格数据矩阵缩放矫正，建立物空间网格数据和图像空间网格数据映射关系，网格划分规则，输出模型参数、输出横、纵深度坐标。该发明专利技术是与光切法相机结合下的单目深度测量，主要应用在宏观物体光切测量环境中建立的深度数据测量模型，重点解决二维宏观光切测量的方法，无论是在应用环境、测量原理、硬件结构简单，成本优势，并且还避免了双目立体视觉边缘检测和匹配困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法
本专利技术涉及一种融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法，该方法使用步进平移装置标定相机和建立定位模型，通过计算机运动控制卡控制步进电机平移台等间隔距离移动并同步采集物空间上标定格点的图像，并跟踪识别、定位标定格点位置变化，向计算机输入序列图像，同时合并保存标记点图像和对应的物空间坐标；系统主要包括旋转台、步进平移台和CCD相机，并采用光切基础数据矩阵建模方法实现特征点横、纵向深度信息的精确测量，以基础数据矩阵实现物空间和图像空间的对应关系，输出目标物体表面的世界坐标。
技术介绍
近年来，随着社会的发展和工业生产水平的不断提高，自动化行业内对物体的三维信息进行测量的需求越来越大，传统的测量设备已经渐渐不能满足生产的需要，因此三维测量设备正在蓬勃迅速的发展。结构光三维测量法主要用结构光投射系统将光源投射到物体表面，结构光三角测量法是目前应用较广泛、技术相对成熟的非接触式表面测量技术之一，采用线状结构光三角测量又称为光切法，形象的把线结构光面看成一把光刀投射到物体表面，在物体表面形成激光条纹，激光受到物体表面调制发生变形，这也体现了物体表面的不规则性，再通过相机采集激光条纹图像，特别对那些表面平滑的、对比度低、纹理形状复杂的宏观物体，采用线激光器投射可以在物体表面形成对比度明显的特征点，更便于后期进行图像分析与处理提取特征点，应用光切三角测量模型解析图像计算就可以得到物体表面的三维形貌信息。现有的关于光切法的空间坐标计算的三维测量模型主要基于光学图样法和相机两种。光学图样法如结构光法、莫尔条纹法、相位法等三维投影测量模型，这类模型都要需要光栅投影包含条纹的精确定位，标定参数多过程烦琐，而且光栅投影设备成本比较高。基于相机如单目立体视觉、双目立体视觉等三维针孔测量模型及投影模型，这类模型首先要建立一种理想情况下的投影模型，然后考虑光学系统的畸变，通过畸变分析矫正理想模型的定位误差，依赖于优化方法标定参数，这类方法标定繁琐，且优化过程往往存在奇异问题，容易造成数据重构结果的不稳定。本专利技术针对现有光切扫描系统存在的问题，提出了一种融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法，对系统进行改进，配合步进平移台、旋转台、标定样板、线激光器和工业CCD相机等控制协调运动进行采集序列图像和图像分析处理，建立物空间二维数据和图像空间数据的对应关系，计算出物体表面横、纵向深度信息。该建模方法依据网格数据建立图像空间和物空间坐标的空间坐标的映射关系，避开了传统测量中通过畸变矫正进行数据优化的步骤，采用网格数据进行拟合、对比得到一系列参数，从而得到光切系统量化模型。我们研究小组先前申报了一项专利技术专利“用于SLM微操作高精度定位的基础数据矩阵建模方法”，提出了采用基础数据解决光学体视显微镜系统的数据重构问题，其主要特点表现在：(1)针对光学体视显微镜构建的双目显微立体视觉系统建立显微成像模型；(2)用于三维的高精度显微测量环境；(3)利用空间三维网格建立显微环境中的物像映射关系。我们拟申报的这项专利与“用于SLM微操作高精度定位的基础数据矩阵建模方法”有着本质上的区别，主要表现在：(1)该专利技术建立了一种应用于光切环境的定位模型，而先前申请的专利与光切无关；(2)该专利技术应用于宏观测量环境，两者考虑的建模条件和参数有着明显的区别；(3)该专利技术利用单目的相机建立模型，而体视显微镜构建的是双目的立体视觉环境；(4)宏观单目视觉系统有明显的远近变化过程中的缩放问题，在模型中必须考虑这一因素，而光学体视显微镜环境中的建模不存在这个问题。该专利技术是与光切法相机结合下的单目深度测量，主要应用在宏观物体光切测量环境中建立的深度数据测量模型，重点解决二维宏观物体光切测量的方法。无论是在应用环境、测量原理、硬件结构简单，系统成本都具有优势，并且还避免了双目立体视觉边缘检测和匹配困难的问题。
技术实现思路
本专利技术实现了通过物空间平面网格数据和图像空间平面网格数据的对应关系计算物体表面横、纵向深度信息并进行三维数据重构，根据图像空间平面网格内的特征点的图像坐标，进行坐标转换，确定物空间深度坐标信息。本专利技术主要包括六大模块(如图1)：控制模块(M1)、图像采集模块(M2)、图像处理模块(M3)、网格矩阵输出模块(M4)、模型封装和深度坐标输出模块(M5)、光切三维重构模块(M6)。本专利技术的实现流程(如图2)：通过控制模块(S1)打开线激光器投射系统，使光切面垂直标定板(如图4)平面进行投射，控制步进平移台等间隔带动标定样板在光切面上进行移动并结合图像采集模块(S2)同步完成建模用标定板图像序列采集(S3)；再通过图像处理提取图像上特征点像素坐标(S4)；根据图像序列上特征点坐标建立图像空间实际平面网格数据矩阵(S5)；由于图像空间实际平面网格数据矩阵的不规则性，对其进行缩放矫正后得到图像空间矫正后平面网格数据矩阵(S6)；结合控制模块平台等间隔运动记录数据及标定板规格数据建立物空间平面网格数据矩阵(S7)。根据图像空间矫正平面网格数据矩阵(S6)和物空间平面网格数据矩阵(S7)建立物空间和图像空间数据映射关系(S8)；分析物空间数据和图像空间数据的量化关系，建立网格划分规则(S9)，由此确定模型参数(S10)；根据模型参数建立平面网格横、纵深度数据计算模型(S11)；此时输入特征点图像坐标(S12)通过模型计算输出物体表面特征点横、纵深度数据(S13)；为实现三维重构，结合控制模块控制旋转电机完成光切三维重构(S14)。本专利技术所涉及的融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法，是由光切扫描系统采集标定图像序列并保存对应的物空间坐标，建立图像空间平面网格数据模型。当已知物空间特征点图像时，即可以根据图像空间特征点图像像素坐标计算出对应物空间特征点横、纵深度数据，所述的平面网格深度计算的光切数据方法包括以下步骤：1、建模用标定板图像序列采集光切三维扫描视觉系统的主体(如图3)主要包括：光学平台1，固定在光学平台上的步进平移台2和固定在步进平移台上的旋转台3，将标定样板固定在旋转电机载物台3的中心轴上，通过控制模块控制步进平移台2等间隔移动，同时使固定在线激光器固定架6上的线激光器5投射形成的光切面7始终垂直标定板平面且过旋转台中心轴，工业CCD相机8水平安装在相机固定座9上，整个系统的控制及显示计算机10，相机8通过USB2.0接口与计算机10连接，步进平移台2和步进旋转台3都通过串口通信与计算机10进行通信。首先将标定板4放置在步进旋转台4，定义此位置为初试旋转角度(即0°)所对应的光切面为第一深度平面，此时控制及显示计算机10通过串口控制步进平移台2输出脉冲信号，使平移台2等间隔距离a进行横向移动和控制相机8同步采集标定板上特征点图像序列(如图5-(a))I1、I2、I3、I4…IN，并保存到计算机10控制系统内存中。2、图像空间网格数据获取通过图像处理提取上一步采集标定板序列特征点，并提取每张图像上标记点图像坐标创建矩阵(如图5-(b))Ic1、Ic2、Ic3、Ic4…IcN，合并到同一个图像坐标系ZCYC中，建立图像实际平面网格数据矩阵IC(如图7)。分析数据对每一列对应匹配的特征点进行拟合、对比得到数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法，其特征在于：通过物空间平面网格数据和图像空间平面网格数据的对应关系计算物体表面横、纵向深度信息并进行三维数据重构，根据图像空间平面网格内的特征点的图像坐标，进行坐标转换，确定物空间深度坐标信息；包括六大模块：控制模块、图像采集模块、图像处理模块、网格矩阵输出模块、模型封装和输出深度数据输出模块、光切三维重构模块；通过控制模块中的运动控制卡串口通信控制步进平移平台输出脉冲信号，控制载物台上物体平移、旋转和激光器的通断，同时记录平移数据和旋转数据；通过图像处理模块中打开激光器投射到标定板平面上，控制载物台带动标定板等间隔平动，用图像采集模块中的CCD相机同步采集图像序列，保存图像文件并在计算机上进行显示；通过对图像采集模块保存的图像序列进行图像处理，提起条纹中心线与标点板上黑白边缘线上交点，作为特征点，输出特征点图像坐标；结合控制模块记录的平移数据结合标点板规格建立物空间网格矩阵及基础数据结构，结合图像处理模块输出的特征点图像坐标建立图像空间网格矩阵；通过网格矩阵输出模块得到的物空间网格矩阵、基础数据结构、图像空间网格矩阵确定模型参数和映射关系，再通过分析数据量化关系确定网格划分规则进行模型封装，输出特征点横、纵深度数据；控制电机等角度转动并带动物体旋转周期运作，为每个光条上特征序列点不同角度信息记录角度信息，通过光切三维重构模块完成物体表面点的光切三维重构。...

【技术特征摘要】
1.融合平面网格深度计算的光切数据建模重构方法，其特征在于：通过物空间平面网格数据和图像空间平面网格数据的对应关系计算物体表面横、纵向深度信息并进行三维数据重构，根据图像空间平面网格内的特征点的图像坐标，进行坐标转换，确定物空间深度坐标信息；包括六大模块：控制模块、图像采集模块、图像处理模块、网格矩阵输出模块、模型封装和输出深度数据输出模块、光切三维重构模块；通过控制模块中的运动控制卡串口通信控制步进平移平台输出脉冲信号，控制载物台上物体平移、旋转和激光器的通断，同时记录平移数据和旋转数据；通过图像处理模块中打开激光器投射到标定板平面上，控制载物台带动标定板等间隔平动，用图像采集模块中的CCD相机同步采集图像序列，保存图像文件并在计算机上进行显示；通过对图像采集模块保存的图像序列进行图像处理，提起条纹中心线与标点板上黑白边缘线上交点，作为特征点，输出特征点图像坐标；结合控制模块记录的平移数据结合标点板规格建立物空间网格矩阵及基础数据结构，结合图像处理模块输出的特征点图像坐标建立图像空间网格矩阵；通过网格矩阵输出模块得到的物空间网格矩阵、基础数据结构、图像空间网格矩阵确定模型参数和映射关系，再通过分析数据量化关系确定网格划分规则进行模型封装，输出特征点横、纵深度数据；控制电机等角度转动并带动物体旋转周期运作，为每个光条上特征序列点不同角度信息记录角度信息，通过光切三维重构模块完成物体表面点的光切三维重构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：共建立如下四个坐标系：物空间平面网格坐标系ZwOYw，建立在驱动组件上；图像坐标系ZcYc，建立在标定板图像中，建立图像坐标系均以像素为单位；由于相机配合标定板移动过程中，跟踪、识别、定位标定板上标记点在同一个图像坐标系ZcYc中偏移的特征，所以合成的图像空间实际平面网格基础数据矩阵的坐标系也为ZcYc，它是由标定板序列图像上特征标记点坐标构成；1)、建模用标定板图像序列采集通过计算机控制系统控制步进平移台等间隔移动并带动标定样板沿物空间光切面方向水平运动，每移动一个间隔距离在视场空间内采集一张标定板图像，依次采集得到图像序列I1、I2、I3、I4…IN，每一张标定板上都有一列标记点图像，共N列，每列分别定义为A1，A2，A3…AN，其中每一列有M个点；这些点的定义为：沿Zw轴方向上，有点共N列，沿Yw轴方向上，有点共M行；保存每列点在物空间对应的图像，保存图像系列视场内的每一列点分别在图像平面上成像，物空间的每列点都会形成一个图像，标定板每列特征点图像集合分别记为Ic；由此，完成了建模用标定板图像序列采集；2)、图像空间网格数据获取提取上一步采集标定板序列图像I1、I2、I3、I4…IN中通过图像处理分别提取标记点中心坐标后得到标记点坐标数据矩阵Ic1、Ic2、Ic3、Ic4…IcN，合并到同一个图像空间坐标系ZcYc中；每列分别定义为B1，B2，B3…BN，其中每一列有M个点；这些点的定义为：沿Zc轴方向上的点共N列，沿Yc轴方向上，有点共M行；由此，建立了图像空间实际平面网格基础数据矩阵Ic；分析数据可知每一列对应匹配的特征点偏移是线性存在量化关系；在物空间的三维坐标系ZwOYw，根据已知的标定样板及等间隔距离a，得到物空间平面网格数据矩阵Iw...

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃宗，张金波，郭梦飞，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11