一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，包括以下步骤：S1)在构件上设置标记点；S2)照片采集装置从多个设定角度拍摄构件的照片；S3)将照片导入计算机，生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断是否在设定误差范围内进行尺寸检验，与现有技术相比，本发明专利技术具有检验精度高且效率高等优点。

A dimension inspection method and system of special structure based on 3D reconstruction

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统
本专利技术涉及公路工程构筑物的测量，尤其是涉及一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统。
技术介绍
公路工程预制构件的制造精度水平是影响构筑物结构拼装、控制建造质量的关键因素，对预制构件的尺寸进行测量验收是检验预制质量的关键。传统的公路工程构筑物形状大都比较规则，细部构造特征不明显，对其测量的精度要求也不高，适合于人工对构筑物上的某几个预先设定的位置进行测量并取平均值的方法。由于制造工艺的进步和实际需求的变化，公路工程构筑物的外形变得越来越复杂，细部构造越来越多，对其进行测量的精度要求也越来越大。针对这种具有复杂细部构造的异形公路工程构筑物，使用传统的人工测量方法将很难满足测量的精度要求。中国专利CN201610367071.4公开了一种矩形体的自动化检测与三维重构系统及方法，包括驱动位移模块、用于采集待测矩形体表面激光点云的激光扫描模块、用于采集待测矩形体表面纹理图像的纹理采集模块和中央处理模块，其中驱动位移模块包括多轴步进电机驱动器、X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台、旋转台和载物台，中央处理模块连接多轴步进电机驱动器、激光扫描模块和纹理采集模块。该专利在激光点云获取分析、图像拍摄与处理、三维模型重建上实现了自动化，可快速实现矩形体的自动化检测和三维纹理重构。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，解决异形公路工程构筑物利用传统人工测量方法很难满足测量精度要求的问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法及系统，包括以下步骤：S1)在构件上设置标记点；S2)照片采集装置拍摄多个角度的构件照片；S3)导入构件照片，生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断该误差是否在设定误差范围内，若是，则该构件尺寸合格，若否，则该构件尺寸不合格。进一步地，所述的步骤S4)具体包括以下步骤：S401)取第一点集P中的一个点作该点的法向量；S402)获取该法向量与三维设计模型表面的交点，作为第二点集Q中该点的对应点；S403)重复步骤S401)和步骤S402)，遍历第一点集P中的全部点，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q。进一步地，在利用标记点粗略匹配后，为了使计算结果更加精确，利用对齐算法，对第一点集P和第二点集Q进行迭代，进行进一步精准匹配，所述的步骤S5具体包括以下步骤：S501)构建匹配目标函数；S502)将第一点集P代入匹配目标函数，并求解其变换参数；S503)将求解所得的变换参数分别应用于第一点集P，得到新的第一点集P’；S504)作新的第一点集P’中各点的法向量，获取各点法向量与三维设计模型表面的交点，形成与新的第一点集P’中的点一一对应的新的第二点集Q’；S505)计算新的第一点集P’和新的第二点集Q’之间的均方差误差d，并将新的第一点集P’作为第一点集P，令新的第二点集Q’为第二点集Q，若均方差误差d小于等于设定阈值，或迭代的次数大于设定的最大迭代数，则完成第一点集P和第二点集Q的匹配调整，否则，重复执行步骤S502)～步骤S504)进行迭代；S506)计算第一点集P到第二点集Q中对应点之间的距离代数值，并根据该代数值生成误差云图。进一步优选地，所述的目标函数的表达式为：其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，qi为第二点集Q中的第i个点，pi为第一点集P中的第i个点，NP为第一点集P中点的个数；所述的变换参数包括旋转矩阵R和平移向量t，其应用于第一点集P的表达式分别为：P'＝R·P+t。进一步优选地，所述的步骤S505)中，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以外时，该点对应的距离代数值为正值，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以内时，该点对应的距离代数值为负值，所述的第一点集P与第二点集Q中对应点距离代数值最大的点的色值设为红色，距离代数值最小的点的色值设为蓝色，距离代数值为0的点色值设为绿色，其余点的色值按照距离代数值大小线性插值，得到误差云图。进一步地，所述的标记点为环状编码点，包括第一标记点、第二标记点和第三标记点，所述的设置标记点具体包括以下步骤：S101)在构件底座任一直角顶点处设置第一标记点；S102)以第一标记点为原点，以竖直向上为z轴正方向，按照右手螺旋准则建立标记坐标系；S103)在标记坐标系x轴方向的另一顶点处，设置第二标记点；S104)在标记坐标系y轴方向的另一顶点处，设置第三标记点；S105)利用全站仪测量三个标记点的实际坐标。进一步优选地，所述的标记点匹配具体包括以下步骤：S201)识别点云模型中分别与第一标记点、第二标记点和第三标记点对应的第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点，并记录其坐标；S202)平移和旋转点云模型，直到第一对应标记点、第二对应标记点和第三对应标记点坐标与第一标记点、第二标记点和第三标记点的坐标之间的距离均方误差值最小时停止，完成标记点匹配。一种实现如所述的基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法的系统，包括相互连接的照片采集装置和数据处理单元，所述的照片采集装置包括相互连接的移动组件和照相机，所述的照相机在竖直面内上下改变镜头俯仰角度，并通过移动组件绕待检验构件做圆周运动，在圆周上的不同位置拍摄多个不同角度的构件照片，所述的数据处理单元利用构件照片生成重构点云模型后与设计模型匹配，得到误差云图并判断该构件尺寸是否合格。进一步地，所述的移动组件包括圆形滑轨、分别设置于圆形滑轨上的滚轮和限位器以及设置于限位器上的竖向调节轴承，所述的照相机设置于竖向调节轴承上，所述的圆形滑轨的圆心与构件外接圆柱横截面的圆心位于同一竖直线上，高度高于构件中心的高度，半径为构件外接圆柱半径的2～3倍，所述的滚轮和限位器控制照相机沿圆形滑轨移动改变水平角度，所述的竖向调节轴承控制照相机改变镜头俯仰角度。更进一步地，当照片采集装置采集照片时，所述的可移动照相机组件在圆形滑轨上从任一起点开始沿圆形滑轨移动，转过设定水平角度后停止，开始执行拍照动作；所述的照相机执行拍照动作时，将照相机镜头平面调整至与圆形滑轨径向垂直后固定，所述的照相机通过竖向调节轴承从上至下每隔设定竖直角度拍摄一张照片，完成六张照片拍摄后，继续沿圆形滑轨移动，并在转过设定水平角度后停止，重复拍照动作，直至照相机回到初始位置。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1)在构件上设置标记点；/nS2)照片采集装置拍摄多个不同角度的构件照片；/nS3)导入构件照片，重构生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；/nS4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；/nS5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；/nS6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断该误差是否在设定误差范围内，若是，则该构件尺寸合格，若否，则该构件尺寸不合格。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)在构件上设置标记点；
S2)照片采集装置拍摄多个不同角度的构件照片；
S3)导入构件照片，重构生成点云模型，识别对应标记点并进行标记点匹配，得到包含点云中全部点的第一点集P；
S4)导入三维设计模型，将第一点集P中的点与三维设计模型相互关联，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q；
S5)将第一点集P和第二点集Q进行匹配调整，并得到误差云图；
S6)根据误差云图获取点云模型各部位与设计模型之间的误差，判断该误差是否在设定误差范围内，若是，则该构件尺寸合格，若否，则该构件尺寸不合格。


2.根据权利要求1所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S4)具体包括以下步骤：
S401)取第一点集P中的一个点作该点的法向量；
S402)获取该法向量与三维设计模型表面的交点，作为第二点集Q中该点的对应点；
S403)重复步骤S401)和步骤S402)，遍历第一点集P中的全部点，得到与第一点集P中的点一一对应的第二点集Q。


3.根据权利要求1所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S5具体包括以下步骤：
S501)构建匹配目标函数；
S502)将第一点集P代入匹配目标函数，并求解其变换参数；
S503)将求解所得的变换参数分别应用于第一点集P，得到新的第一点集P’；
S504)作新的第一点集P’中各点的法向量，获取各点法向量与三维设计模型表面的交点，形成与新的第一点集P’中的点一一对应的新的第二点集Q’；
S505)计算新的第一点集P’和新的第二点集Q’之间的均方差误差d，并将新的第一点集P’作为第一点集P，令新的第二点集Q’为第二点集Q，若均方差误差d小于等于设定阈值，或迭代的次数大于设定的最大迭代数，则完成第一点集P和第二点集Q的匹配调整，否则，重复执行步骤S502)～步骤S504)进行迭代；
S506)计算第一点集P到第二点集Q中对应点之间的距离代数值，并根据该代数值生成误差云图。


4.根据权利要求3所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的目标函数的表达式为：



其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，qi为第二点集Q中的第i个点，pi为第一点集P中的第i个点，NP为第一点集P中点的个数；
所述的变换参数包括旋转矩阵R和平移向量t，其应用于第一点集P的表达式分别为：
P'＝R·P+t。


5.根据权利要求3所述的一种基于三维重构的异形构筑物尺寸检验方法，其特征在于，所述的步骤S505)中，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以外时，该点对应的距离代数值为正值，当第一点集P中的点在设计模型所围区域以内时，该点对应的距离代数值为负值，所述的第一点集P与第二点集Q中对应点距离代数值最大的点的色值设为红色，距离代数值最小的点的色值设为蓝色，距离代数值为0的点色值设为绿色，其余点的色值...

【专利技术属性】
技术研发人员：石雪飞，徐梓齐，朱荣，李小祥，刘志权，宋军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31