基于法线检测的三维重建方法、装置、检测装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光学测量技术领域，具体公开了一种基于物体表面法线检测的三维重建方法，其中，包括：获取待测物体表面的入射光线图像；对入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程；获取待测物体表面的反射光线图像；对反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程；根据入射光线方程和反射光线方程计算得到待测物体表面光斑的梯度信息；根据获取到的待测物体表面多个光斑的梯度信息对待测物体进行三维重建。本发明专利技术还公开了一种基于物体表面法线检测的三维重建装置、物体表面法线检测装置及物体表面法线检测系统。本发明专利技术提供的基于物体表面法线检测的三维重建方法能够提高三维重建的精度和效率。

3D reconstruction method, device, detection device and system based on normal detection

【技术实现步骤摘要】
基于法线检测的三维重建方法、装置、检测装置及系统
本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种基于物体表面法线检测的三维重建方法、基于物体表面法线检测的三维重建装置、物体表面法线检测装置及物体表面法线检测系统。
技术介绍
通常人们所接触的世界是三维的，相比距离、角度等一维、二维数据对世界的管窥蠡测，三维数据更贴近于实际，可以更完整地描述待测物体。目前，三维数据已广泛应用于测量、虚拟现实等多种领域，是认识环境、感知世界的重要工具。三维数据需要通过三维重建技术获得。广义三维重建是指通过测量工具与解算方法，获取目标局部点三维坐标、面三维结构乃至整体三维模型；狭义三维重建指通过重建技术，获取包括结构、纹理、尺度等的目标完整三维信息，其是广义三维重建的最高形式。获取三维数据后，对目标进行各类测量是其最重要的应用之一，即三维重建测量。其分为接触式测量和非接触式测量。其中接触式测量具有测量速度慢，效率低；测量非刚体可能因接触使表面变形，导致测量数据不准等问题。目前广泛使用的是非接触式测量。非接触式三维重建测量是指在不接触待测目标的前提下，获得目标三维空间结构并进行测量的方法。具有精度高，速度快的特点。基于结构光测量法是非接触式测量中的主动测量方法。其采用了外界人为、指定分布的照明光，在物体表面形成光场，结合三角测距原理将光场信息解算为深度信息，从而获得物体表面三维结构。其中的三角测量基本原理是由结构光投射器向待测物体表面投射可控制的光结构形成特征点，由电荷耦合器件(CCD)摄像机对物面进行拍摄，标定得到投射器及相机的位置、姿态等参数，利用三角测量原理交会计算特征点深度信息。目前大部分三维测量系统采用的都是三角测量法。直接三角法运算量小，测量系统便携，便于安装和维护，被广泛应用于工业级三维测量中。但是该方法测量精度受特征提取精度的约束，测量精度与速度难以同时得到提高；与所有光学非接触三维测量一样，存在遮挡问题；同时，受环境光源影响较大，一些形态的结构光的光强随测量距离的增大迅速衰减，并且高精度的测量设备成本也会相应较高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种一种基于物体表面法线检测的三维重建方法、基于物体表面法线检测的三维重建装置、物体表面法线检测装置及物体表面法线检测系统，解决相关技术中存在的三维重建精度低的问题。作为本专利技术的第一个方面，提供一种基于物体表面法线检测的三维重建方法，其中，包括：获取待测物体表面的入射光线图像，其中所述待测物体表面的入射光线图像为面阵相机对待测物体表面被激光器照射后形成的光斑的成像；对所述入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程；获取所述待测物体表面的反射光线图像，其中所述待测物体表面的反射光线图像为面阵相机对经被测物体表面反射在全息膜上的光斑的成像；对所述反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程；根据所述入射光线方程和所述反射光线方程计算得到待测物体表面光斑的梯度信息；根据获取到的待测物体表面多个光斑的梯度信息对待测物体进行三维重建。进一步地，所述对所述入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程，包括：获取面阵相机的内参数和外参数，其中所述面阵相机的内参数和外参数为通过对面阵相机标定获得；根据所述面阵相机的内参数和外参数计算待测物体的表面的光斑在相机坐标系下的坐标；根据光斑在相机坐标系下的坐标拟合得到所述入射光线方程。进一步地，所述根据所述面阵相机的内参数和外参数计算待测物体的表面的光斑在相机坐标系下的坐标，包括：获取棋盘标定板的图像，其中所述棋盘标定板的图像为通过将棋盘标定板设置在待测物体所在的位置并被面阵相机拍摄后得到的图像；通过重心法提取光斑在棋盘标定板的图像上的中心位置，并确定激光器发出的入射光线与棋盘标定板的焦点，其中所述光斑为所述激光器照射在所述棋盘标定板上形成；分别获取多个位于不同于前一位姿的棋盘标定板在相机坐标系下的图像，并重复上述步骤以获得多个激光器的入射光线与棋盘标定板的交点；根据对面阵相机进行标定获得的旋转和平移矩阵，计算棋盘标定板上的光斑在世界坐标系下的坐标；计算棋盘标定板上的光斑从世界坐标系到相机坐标系下的坐标。进一步地，所述对所述反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程，包括：获取圆形标定板的图像，并确定圆形标定板的特征点中心坐标，其中所述圆形标定板与所述全息膜紧贴设置，所述圆形标定板的图像为通过所述面阵相机拍摄所述圆形标定板得到；建立圆形标定板的世界坐标系和圆形标定板的像素坐标的对应关系，并通过位姿测量方法确定圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵；根据所述圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵计算全息膜上的光斑在相机坐标系下的坐标；根据全息膜上的光斑在相机坐标系下的坐标以及棋盘标定板上的光斑在相机坐标系下的坐标拟合得到反射光线方程。进一步地，所述根据所述相机坐标系的旋转和平移矩阵计算全息膜上的光斑在相机坐标系下的坐标，包括：通过重心法提取光斑在所述全息膜上的重心，得到重心在像素坐标系下的坐标，并通过所述圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵计算重心从像素坐标系到世界坐标系下的坐标；根据所述圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵计算全息膜上的光斑从世界坐标系到相机坐标系下的坐标。进一步地，所述根据所述入射光线方程和所述反射光线方程计算得到待测物体表面光斑的梯度信息，包括：根据所述入射光纤方差和所述反射光纤方差计算得到待测物体表面光斑的法线信息；将所述待测物体表面光斑的法线信息进行转换得到待测物体表面光斑的梯度信息。进一步地，所述根据获取到的待测物体表面多个光斑的梯度信息对待测物体进行三维重建，包括：获得待测物体表面多个光斑的梯度信息；根据所述待测物体表面的多个光斑的梯度信息获得泽尼克多项式系数；根据所述泽尼克多项式系数获得面形函数；根据所述面形函数重建待测物体的三维曲线。作为本专利技术的另一个方面，提供一种基于物体表面法线检测的三维重建装置，其中，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行前文所述的基于物体表面法线检测的三维重建方法。作为本专利技术的另一个方面，提供一种物体表面法线检测装置，其中，包括：移动机构、法线检测机构、遮光板和底板，所述移动机构包括平台底座和机械臂，所述机械臂的一端设置在所述平台底座上，所述机械臂的另一端与所述底板连接，所述法线检测机构固定在所述底板上，所述遮光板与所述底板连接，待测物体位于所述法线检测机构的设定区域，所述设定区域为所述法线检测机构的面阵相机的视场和法线检测机构的激光发射器的发射区域形成的交汇区域，且所述待测物体与法线检测机构的全息膜的距离能够使得所述面阵相机拍摄到所述待本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物体表面法线检测的三维重建方法，其特征在于，包括：/n获取待测物体表面的入射光线图像，其中所述待测物体表面的入射光线图像为面阵相机对待测物体表面被激光器照射后形成的光斑的成像；/n对所述入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程；/n获取所述待测物体表面的反射光线图像，其中所述待测物体表面的反射光线图像为面阵相机对经被测物体表面反射在全息膜上的光斑的成像；/n对所述反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程；/n根据所述入射光线方程和所述反射光线方程计算得到待测物体表面光斑的梯度信息；/n根据获取到的待测物体表面多个光斑的梯度信息对待测物体进行三维重建。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于物体表面法线检测的三维重建方法，其特征在于，包括：
获取待测物体表面的入射光线图像，其中所述待测物体表面的入射光线图像为面阵相机对待测物体表面被激光器照射后形成的光斑的成像；
对所述入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程；
获取所述待测物体表面的反射光线图像，其中所述待测物体表面的反射光线图像为面阵相机对经被测物体表面反射在全息膜上的光斑的成像；
对所述反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程；
根据所述入射光线方程和所述反射光线方程计算得到待测物体表面光斑的梯度信息；
根据获取到的待测物体表面多个光斑的梯度信息对待测物体进行三维重建。


2.根据权利要求1所述的基于物体表面法线检测的三维重建方法，其特征在于，所述对所述入射光线图像进行标定以及计算处理，得到入射光线方程，包括：
获取面阵相机的内参数和外参数，其中所述面阵相机的内参数和外参数为通过对面阵相机标定获得；
根据所述面阵相机的内参数和外参数计算待测物体的表面的光斑在相机坐标系下的坐标；
根据光斑在相机坐标系下的坐标拟合得到所述入射光线方程。


3.根据权利要求2所述的基于物体表面法线检测的三维重建方法，其特征在于，所述根据所述面阵相机的内参数和外参数计算待测物体的表面的光斑在相机坐标系下的坐标，包括：
获取棋盘标定板的图像，其中所述棋盘标定板的图像为通过将棋盘标定板设置在待测物体所在的位置并被面阵相机拍摄后得到的图像；
通过重心法提取光斑在棋盘标定板的图像上的中心位置，并确定激光器发出的入射光线与棋盘标定板的焦点，其中所述光斑为所述激光器照射在所述棋盘标定板上形成；
分别获取多个位于不同于前一位姿的棋盘标定板在相机坐标系下的图像，并重复上述步骤以获得多个激光器的入射光线与棋盘标定板的交点；
根据对面阵相机进行标定获得的旋转和平移矩阵，计算棋盘标定板上的光斑在世界坐标系下的坐标；
计算棋盘标定板上的光斑从世界坐标系到相机坐标系下的坐标。


4.根据权利要求3所述的基于物体表面法线检测的三维重建方法，其特征在于，所述对所述反射光线图像通过位姿测量以及计算处理，得到反射光线方程，包括：
获取圆形标定板的图像，并确定圆形标定板的特征点中心坐标，其中所述圆形标定板与所述全息膜紧贴设置，所述圆形标定板的图像为通过所述面阵相机拍摄所述圆形标定板得到；
建立圆形标定板的世界坐标系和圆形标定板的像素坐标的对应关系，并通过位姿测量方法确定圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵；
根据所述圆形标定板所在的世界坐标系到相机坐标系的旋转和平移矩阵计算全息膜上的光斑在相机坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：金韵，李晨，张旭，葛峰，
申请(专利权)人：江苏集萃华科智能装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32