一种无编码点的工业摄影测量方法技术

本发明专利技术公开一种无编码点的工业摄影测量方法，通过向被测物表面投射特定模式的散斑纹理图案，并在视野范围内放置标尺，接着利用单反相机围绕测量场景进行多角度自由拍摄，利用SIFT算子求解得到初始匹配点坐标和相机粗略的位姿矩阵信息后，根据RFDIC匹配方法计算图像序列间的高精度匹配点；再完成高精度的多视图结构重建，最后根据标尺的已知长度恢复多视图结构的实际尺度，从而得到精确的相机位姿信息和被测物表面的三维点云。本发明专利技术相较于传统布设编码点的工业摄影测量方式，无需布设编码点，节省了大量繁琐的人工布点工作，且测量精度高，测量速度快，适合工业现场的快速测量。

【技术实现步骤摘要】
一种无编码点的工业摄影测量方法
本专利技术属于工业摄影测量
，具体涉及一种无编码点的工业摄影测量方法。
技术介绍
工业摄影测量技术是测绘学科的一门分支，它是对由摄像机摄取的影像进行量测，测定物体在三维空间的位置、形状、大小，乃至物体的运动。在利用单相机围绕被测物进行自由拍照的过程中，通常需要借助多视图几何框架的基本原理，完成各次拍摄时相机位姿的求解和目标点三维重建的过程。目前，许多商用的工业摄影测量系统已发展的十分成熟，比如德国GOM公司开发的TRITOP系统，以及美国GSI公司研发的V-STARS系统。这些摄影测量系统都需要事先在被测物表面布置大量的编码点标志物，接着对拍摄的图像序列进行编码点的提取与识别，再根据SFM(StructureFromMotion)的理论采用增量式或全局式的重建算法求解出编码中心点的三维坐标和每次拍摄时的相机位姿。通过布设工业编码点，大部分的摄影测量系统能达到0.025mm/m以内的精度。然而人工在被测物表面布设编码点是十分耗时、繁琐的过程。尤其当被测物是飞机蒙皮之类的大型复杂的产品零件时，对编码点数量的要求可能多达几百个，且有些零件表面不允许粘贴标记点或不具备布点条件。例如，非铁磁性的金属材料无法使用磁吸附式的编码标志物，只能依靠粘贴的方式来固定编码点，可能对高精度的零件表面造成破坏。综上所述，现阶段的工业摄影测量系统几乎全部依赖于布设编码点的方式，对于无编码点的工业摄影测量方法却没有有效的解决方案。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种操作简单，测量精度高，省时省力的无编码点的工业摄影测量方法。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种无编码点的工业摄影测量方法，包括以下步骤：1)生成随机散斑纹理图案；2)利用光线投射装置向被测物投射散斑纹理，并在视野范围内放置标尺；3)利用相机围绕被测物进行多角度全局拍摄；4)利用SIFT算子建立图像序列间的初始匹配关系，采用多视图几何求解框架重建初始的多视图结构，求解出粗略的相机位姿信息；5)通过步骤4)中得到初始匹配点坐标和相机粗略的位姿矩阵后，利用带旋转补偿的数字图像相关(RotationFreeDigitalImageCorrelation,RFDIC)方法计算图像间高精度匹配点；6)通过步骤5)计算出的图像间高精度匹配点坐标，再次使用多视图几何求解框架完成高精度的多视图结构重建，最后根据标尺的已知长度恢复多视图结构的实际尺度，从而得到精确的相机位姿信息和被测物表面三维点云。作为优选，步骤1)中，利用数字散斑图案生成算法生成的随机散斑纹理能够有效增强被测物表面纹理信息，所述数字散斑图案生成算法的步骤包括：生成底色背景步骤和生成散斑颗粒步骤，所述数字散斑图案生成算法可对散斑颗粒的大小、数量、灰度值参数进行调控。作为优选，在生成底色背景步骤中，将图像的像素灰度值设置在较高的值域范围内，从而生成偏白色的底色背景，并利用随机函数Rnd()为每个大的像素块生成一个随机灰度值，即：gi＝Rnd(gmin,gmax)式中：gi表示每个像素块的灰度值，gmin,gmax表示设定灰度值的最小值和最大值；在生成散斑颗粒步骤中，采用随机生长法生成随机形状的散斑颗粒，让单个像素点在一个半径大小不固定的圆形区域内生长，而每次判断像素点是否生长到区域边界时，用随机数去设置该区域的半径大小，从而得到形状随机的散斑颗粒。作为优选，步骤2)中，若被测物较大，则采用多台光线投射装置同时投射出相同模式的散斑纹理，以覆盖整个被测物，在一次测量过程中要保证物体表面的散斑纹理不发生变化，即确保光线投射装置和被测场景保持绝对静止；标尺放置一把或数把，标尺上设置定位标记点。作为优选，步骤3)中，多角度全局拍摄时，采用单反相机在不同的位置以不同的姿态进行多角度自由拍摄，同时确保拍摄的图像之间存在部分重叠区域以便建立图像匹配点。作为优选，步骤4)和步骤6)中的多视图几何求解框架均采用增量式SFM(StructureFromMotion)重建算法如Bundler、VisualSFM或者OpenMVG等开源多视图几何算法库来完成。步骤5)中，带旋转补偿的数字图像相关(RFDIC)方法包括以下步骤：5.1)当图像之间存在较大旋转角度时，将图像间绕光轴方向的旋转角度分解出来，根据该旋转角度计算出仿射变换矩阵，将存在大旋转的待匹配图像校正为无大旋转角度的校正图像；5.2)利用数字图像相关(DigitalImageCorrelation,DIC)算法计算参考图像与校正后的图像之间的匹配点；但在计算相关系数时，以待匹配图像的灰度值代替校正后的图像上对应坐标的灰度值，减少因仿射变换而导致的校正后的图像产生的灰度失真；5.3)再根据仿射变换矩阵的逆变换计算出待匹配图像上的图像坐标，将校正后的图像上的亚像素坐标变换到待匹配图像上，最终获得图像间高精度匹配点对，即可完成图像序列间高精度匹配点建立的过程。步骤5.1)中，仿射变换矩阵计算方法如下：通过权利要求1中步骤(4)获得相机内参K和旋转矩阵对进行欧拉角分解，即：其中，下标C0表示参考图像I0所在的相机坐标系{C0}，上标C1表示待匹配图像I1所在的相机坐标系{C1}，表示{C0}坐标系下的三维点变换到{C1}坐标系下的旋转变换矩阵；θx,θy,θz分别为按顺序绕{C0}的x轴、y轴和z轴的旋转角度；因此θz可视为图像I0和I1之间绕主点坐标的面内旋转角度，主点坐标可从相机内参K的主点坐标(u0,v0)获得；5.1.2)绕主点坐标的面内旋转可表达为在I1图像坐标系下的仿射变换矩阵A，计算如下：其中α＝cosθz，β＝sinθz；5.1.3)利用仿射变换矩阵A将图像I1校正为无旋转角度的图像I′1。步骤5.2)中，在图像I′1上使用常规的数字图像相关(DIC)算法计算相应的匹配点，此时，图像I′1和I0之间已不存在大的旋转角度，可以使用数字图像相关(DIC)方法计算对应的匹配点的图像坐标(x′1,y′1)。但在DIC求解的过程中以待匹配图像I1的灰度值代替校正后的图像I′1对应像素点的灰度值，因为待匹配图像具有原始的灰度分布，校正过后的图像灰度值是经过插值计算得到的，会有一定的灰阶损失，从而影响匹配精度，经过DIC求解过后的的图像坐标为：x′1＝x0+u，y′1＝y0+v其中，(u,v)为参考图像子区中心到校正后图像子区中心的偏移量。步骤5.3)中，根据仿射变换矩阵Α的逆变换Α-1计算出I1的对应图像点有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的无编码点的工业摄影测量方法通过数字散斑图案生成算法来生成特定模式的散斑图案，并利用光线投射装置向被测物投射该纹理图案以增强表面的纹理信息，只需要在被测物旁放置标尺，进行单相机多角度自由拍摄。借助多视图几何求解框架，本专利技术对被测场景的图像序列进行“由粗到精”的两次多视图结构重建，最后根据场景中标称距离已知的标尺长度恢复几何尺度，从而得到高精度的相机位姿参数和三维点云。本专利技术提出的不受旋转角度影响的RFDIC匹配方法，有效地解决了利用传统DIC方法仅大旋转图像间匹配的退相关问题。经过具体工业零件的摄影测量实验，可以验证本专利技术提出的无编码本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成随机散斑纹理图案；2)利用光线投射装置向被测物投射散斑纹理，并在视野范围内放置标尺；3)利用相机围绕被测物进行多角度全局拍摄；4)利用SIFT算子建立图像序列间的初始匹配关系，采用多视图几何求解框架重建初始的多视图结构，求解出粗略的相机位姿信息；5)通过步骤4)中得到初始匹配点坐标和相机粗略的位姿矩阵后，利用带旋转补偿的数字图像相关方法计算图像间高精度匹配点；6)通过步骤5)计算出的图像间高精度匹配点坐标，再次使用多视图几何求解框架完成高精度的多视图结构重建，最后根据标尺的已知长度恢复多视图结构的实际尺度，从而得到精确的相机位姿信息和被测物表面三维点云。

【技术特征摘要】
1.一种无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成随机散斑纹理图案；2)利用光线投射装置向被测物投射散斑纹理，并在视野范围内放置标尺；3)利用相机围绕被测物进行多角度全局拍摄；4)利用SIFT算子建立图像序列间的初始匹配关系，采用多视图几何求解框架重建初始的多视图结构，求解出粗略的相机位姿信息；5)通过步骤4)中得到初始匹配点坐标和相机粗略的位姿矩阵后，利用带旋转补偿的数字图像相关方法计算图像间高精度匹配点；6)通过步骤5)计算出的图像间高精度匹配点坐标，再次使用多视图几何求解框架完成高精度的多视图结构重建，最后根据标尺的已知长度恢复多视图结构的实际尺度，从而得到精确的相机位姿信息和被测物表面三维点云。2.根据权利要求1所述的无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于：步骤1)中，利用数字散斑图案生成算法生成随机散斑纹理，所述数字散斑图案生成算法的步骤包括：生成底色背景步骤和生成散斑颗粒步骤，所述数字散斑图案生成算法可对散斑颗粒的大小、数量、灰度值参数进行调控。3.根据权利要求2所述的无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于：在生成底色背景步骤中，生成偏白色的底色背景，并利用随机函数Rnd()为每个大的像素块生成一个随机灰度值，即：gi＝Rnd(gmin,gmax)式中：gi表示每个像素块的灰度值，gmin,gmax表示设定灰度值的最小值和最大值；在生成散斑颗粒步骤中，采用随机生长法生成随机形状的散斑颗粒，让单个像素点在一个半径大小不固定的圆形区域内生长，而每次判断像素点是否生长到区域边界时，用随机数去设置该区域的半径大小，从而得到形状随机的散斑颗粒。4.根据权利要求1或3所述的无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于：步骤2)中，若被测物较大，则采用多台光线投射装置同时投射出的散斑纹理，以覆盖整个被测物，在一次测量过程中保证物体表面的散斑纹理不发生变化，即确保光线投射装置和被测场景保持绝对静止；标尺放置一把或数把，标尺上设置定位标记点。5.根据权利要求1所述的无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于：步骤3)中，全局拍摄时，采用单反相机在不同的位置以不同的姿态进行多角度自由拍摄，同时确保拍摄的图像之间存在部分重叠区域以便建立图像匹配点。6.根据权利要求1所述的无编码点的工业摄影测量方法，其特征在于：步骤4)和步骤6)中的多...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶南，严俊，李廷成，史传飞，祝鸿宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32