基于多线激光和非对称布置多相机的三维测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多线激光和非对称布置多相机的三维扫描测量装置包括多线激光器、面阵工业相机以及用于放置被测物体的电动平移台，多线激光器投射n组多线平行激光作为光源照射被测物体表面，所述的n组多线平行激光，每组间夹角为360/n度，所述多线平行激光由m条平行线激光组成，n台面阵工业相机作为图像采集装置；所述的n台工业相机光轴与测量基准面相交于一点，光轴在测量基准面上的投影均匀分布，所述的n台工业相机在垂直测量基准面的方向采用非对称布置。本发明专利技术能够满足高反光物体，大曲率物体表面等复杂场景的三维轮廓测量，能有效缓解单线激光扫描测量的遮挡问题，精度高、鲁棒性好、抗干扰能力强、适应场景丰富。富。富。

【技术实现步骤摘要】
基于多线激光和非对称布置多相机的三维测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及精密测量
，具体为一种基于多线激光和非对称布置多相 机的三维测量装置及方法。

技术介绍

[0002]激光三维扫描测量作为一种物体表面轮廓三维测量方法，因其结构简单、成 本较低和精度高等优势在大型机械设备装配、高端装备制造、新能源汽车和智能 制造等国家重点发展产业领域有着广泛应用。但是随着先进制造和先进测量技术 的快速发展，对激光三维扫描测量的适应性、精确度、测量效率和可靠性等方面 也提出了更高的要求。
[0003]激光三维扫描测量主要通过对经物体表面调制过的激光光条图像的采集和 处理，利用激光三角法原理，完成物体三维轮廓测量的过程。然而针对复杂表面 特性的被测物体，现有的激光三维扫描测量的有效性和准确性都难以取得较理想 的结果，比如表面反射率的不均匀、被测表面材质的较大反差、不连续的被测表 面及复杂曲面等利用现有的激光扫描测量装置，会发生相机采集图像过曝、光条 图像缺失等现象，从而造成测得数据丢失、数据偏差大等现象，影响三维测量的 有效性和精度。
[0004]另外，遮挡的问题也是激光三维扫描测量中的常见问题，为此基于双相机和 多相机的激光扫描测头应运而生，它们一般利用极线约束、距离约束等方法对不 同相机中图像进行特征匹配，来解决遮挡的问题。但是由于遮挡的问题，相机图 像中常出现特征的缺失，即被遮挡部分表面特征难以被所有相机采集，这与上述 解决方法是矛盾的，从而造成测量的可靠性缺乏保障，同时该类算法需要大量的 图像搜索计算，处理速度难以满足实时性。另一种常用的匹配方法是粘贴标志点， 利用标志点的位姿不变来完成特征匹配和融合，但是标志点的设置和粘贴需要经 过严格的设计和验收，增加了测量的难度，降低了测量的效率。此外，现有的基 于双相机和多相机的激光扫描测头一般采用对称布置，没有根据复杂物体表面特 性的测量情况进行针对性设计。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种基于多线激光和非对称布置多相 机的三维测量装置以及三维测量方法，从而能够满足高反光物体，大曲率物体表 面等复杂场景的三维轮廓测量，能有效缓解单线激光扫描测量的遮挡问题，该方 法精度高、鲁棒性好、抗干扰能力强、适应场景丰富。
[0006]本专利技术提供的技术方案是：一种基于多线激光和非对称布置多相机的三维测 量装置，包括多线激光器、面阵工业相机以及用于放置被测物体的电动平移台， 其中，
[0007]多线激光器投射n组多线平行激光作为光源照射被测物体表面，其中n为 大于等于3的整数；所述的n组多线平行激光，每组间夹角为360/n度，即圆 周方向均匀布置，测量开始后每组多线平行激光依次亮灭，即任意时刻只有一组 多线平行激光处于点亮状态；
[0008]所述多线平行激光由m条平行线激光组成，m为大于等于3的整数；
[0009]n台面阵工业相机作为图像采集装置；所述的n台工业相机光轴与测量基准 面相交于一点，光轴在测量基准面上的投影均匀分布，即光轴投影间夹角为360/n度，所述的n台工业相机在垂直测量基准面的方向采用非对称布置，即 每台相机光轴与测量基准面法向量间夹角各不相同；
[0010]所述的电动平移台用来实现被测物的移动。
[0011]本专利技术还提出一种基于多线激光和非对称布置多相机的三维测量装置的测 量方法，包括以下步骤：
[0012]步骤S1，测量开始，每组多线平行激光依次亮灭，即任意时刻只有一组多 线平行激光处于点亮状态；每组激光器点亮时，同步触发三台工业相机对被物体 表面调制过的多线平行激光进行图像采集；
[0013]步骤S2，对每组平行激光以及各台相机进行标定，得到每条激光光平面和 每个相机之间的转换关系；
[0014]所述的步骤S2中，具体为：
[0015]建立系统测量模型，利用相机透视投影模型，建立i组像素坐标系 (u
i
,v
i
),i＝[1,2,3
……
n]、图像坐标系(x
i
,y
i
),i＝[1,2,3
……
n]、相机坐标系 (X
ci
,Y
ci
,Z
ci
),i＝[1,2,3
……
n]、世界坐标系(X
w
,Y
w
,Z
w
)和光平面方程，利用张正友 标定法对各台相机进行标定和光平面进行标定，得到每条激光光平面和每个相机 之间的转换关系；
[0016]步骤S3，对步骤S2中每台工业相机采集的图像进行处理，首先生成每根 光条的掩膜；根据光条图像在光条方向的投影重合度生成不同的簇；分析每个簇 内，垂直于光条方向的分布情况，辨别光条是否为m条；若是，利用顺序原则， 将光条掩膜与各激光光平面对应进行编号；若否，利用极限约束，在其余相机对 应的图像中进行搜索，利用多目匹配方法对光条掩膜进行编号；
[0017]步骤S4，利用步骤S3中获得的已编号光条掩膜，逐条提取每条激光光条 图像的亚像素灰度峰值点作为特征值，并通过步骤S3匹配算法与多线平行激光 每个光平面对应；
[0018]步骤S5，将步骤S4中每台工业相机提取的特征值，结合步骤S2的标定结 果，转化为统一坐标系下的三维坐标特征值；
[0019]步骤S6，将同时拍摄的n台相机获得的三维坐标特征值进行融合；
[0020]步骤S7，利用精密位移台、精密旋转台或机器人等方式，使被测物和测头 间发生相对运动，从而完成整个物体表面的扫描，并生成3D点云模型，完成被 测物体的表面测量和扫描。
[0021]所述的步骤S3具体为：
[0022]步骤S3a，利用图像滤波、图像形态学和连通域分析生成每根光条的掩膜；
[0023]步骤S3b，将每根光条掩膜投影到光条方向上，设i和j根光条的投 影长度为R
i
和R
j
，投影重合部分记为RR
ij
,若满足,若满足为 阈值系数，min()表示求最小值的函数则将光条i和j归为一个簇；遍历 所有光条，生成的簇；存在一种投影长度小于设定阈值小光条，与两个 不重合的光条均满足上述约束条件，将该类光条划归为特殊簇；
[0024]步骤S3c，分析每个正常簇内，垂直于光条方向的分布情况，利用顺序原则， 将光
条掩膜与各激光光平面对应进行编号，并将无法对应编号的光条筛选出；
[0025]步骤S3d，将步骤S3b中的特殊簇和步骤S3c中筛选出的无法编号的光条， 利用双目匹配搜索的方法进行编号；
[0026]步骤S3e，根据光条编号，生成单根光条的掩模。
[0027]所述的步骤S3d中，所述的双目匹配搜索的方法具体为：
[0028]首先在其中第一个相机图像中需匹配的每个光条一端选取一点；
[0029]利用标定出的双目图像间的基础矩阵F本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多线激光和非对称布置多相机的三维测量装置，其特征在于，包括多线激光器、面阵工业相机以及用于放置被测物体的电动平移台，其中，多线激光器投射n组多线平行激光作为光源照射被测物体表面，其中n为大于等于3的整数；所述的n组多线平行激光，每组间夹角为360/n度，即圆周方向均匀布置，测量开始后每组多线平行激光依次亮灭，即任意时刻只有一组多线平行激光处于点亮状态；所述多线平行激光由m条平行线激光组成，m为大于等于3的整数；n台面阵工业相机作为图像采集装置；所述的n台工业相机光轴与测量基准面相交于一点，光轴在测量基准面上的投影均匀分布，即光轴投影间夹角为360/n度，所述的n台工业相机在垂直测量基准面的方向采用非对称布置，即每台相机光轴与测量基准面法向量间夹角各不相同；所述的电动平移台用来实现被测物的移动。2.一种如权利要求1所述的一种基于多线激光和非对称布置多相机的三维测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，测量开始，每组多线平行激光依次亮灭，即任意时刻只有一组多线平行激光处于点亮状态；每组激光器点亮时，同步触发三台工业相机对被物体表面调制过的多线平行激光进行图像采集；步骤S2，对每组平行激光以及各台相机进行标定，得到每条激光光平面和每个相机之间的转换关系；所述的步骤S2中，具体为：建立系统测量模型，利用相机透视投影模型，建立i组像素坐标系(u
i
,v
i
),i＝[1,2,3
……
n]、图像坐标系(x
i
,y
i
),i＝[1,2,3
……
n]、相机坐标系(X
ci
,Y
ci
,Z
ci
),i＝[1,2,3
……
n]、世界坐标系(X
w
,Y
w
,Z
w
)和光平面方程，利用张正友标定法对各台相机进行标定和光平面进行标定，得到每条激光光平面和每个相机之间的转换关系；步骤S3，对步骤S2中每台工业相机采集的图像进行处理，首先生成每根光条的掩膜；根据光条图像在光条方向的投影重合度生成不同的簇；分析每个簇内，垂直于光条方向的分布情况，辨别光条是否为m条；若是，利用顺序原则，将光条掩膜与各激光光平面对应进行编号；若否，利用极限约束，在其余相机对应的图像中进行搜索，利用多目匹配方法对光条掩膜进行编号；步骤S4，利用步骤S3中获得的已编号光条掩膜，逐条提取每条激光光条图像的亚像素灰度峰值点作为特征值，并通过步骤S3匹配算法与多线平行激光每个光平面对应；步骤S5，将步骤S4中每台工业相机提取的特征值，结合步骤S2的标定结果，转化为统一坐标系下的三维坐标特征值；步骤S6，将同时拍摄的n台相机获得的三维坐标特征值进行融合；...

【专利技术属性】
技术研发人员：于连栋，万茂森，王帅东，张翔，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：