【技术实现步骤摘要】
基于结构光测量物体表面形状的方法及其测量装置
[0001]本申请涉及三维测量领域，具体地涉及一种基于结构光测量物体表面形状的方法及其测量装置。
技术介绍
[0002]线结构光检测技术是测量物体几何参数，实现三维重建最普遍的方法之一。因其具有非接触、大量程、速度快、精度高、算法稳定、结构简单等特点，在工业检测中得到了广泛的应用。
[0003]常用的线结构光三维测量系统的结构光发射器和相机的相对位姿固定。在相机采集到的图像中，通过提取结构光与待测件相交表面的激光条纹中心点，结合相机的内参和结构光的光平面方程，从而求出相交表面形状在相机坐标系下的三维坐标。相机的标定已经有了一套成熟的方案。因此，整套三维测量系统标定的核心问题是在相机坐标系中确认线结构光的光平面方程。
[0004]传统的线结构光三维测量系统中，结构光发射器在相机坐标系下的位置固定，而对于线结构光发射器可以有单线，三线或者多线等结构。但无论哪种结构因为结构光发射器相对相机是固定的，在相机坐标系相对世界坐标系不同的情况下，只能完成对待测物表面进行单行或者有限多行的三维数据测量，得到的表面形状较为稀疏。为了能完成更稠密的测量，传感器和待测物间至少需要有一个在相对运动。
[0005]线结构光三维测量系统采用待测物固定、传感器作相对运动时，通过调整结构光发射器在相机坐标系下的相对位姿，实现对待测件表面的测量。在实际测量过程中均需要通过高精度编码器、固定靶标或者待测件本身的特征得到结构的运动参数才能通过已知变换关系求出对应的变换矩阵，完成整个测量...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于结构光测量物体表面形状的方法，其特征在于，使用多线结构光辅助确定单线结构光的光平面参数，其包括以下步骤：步骤1：搭建用于物体表面形状三维测量的测量装置；所述测量装置包括相机、单线结构光发射器、多线结构光发射器和直线模组；步骤2：确定测量装置中单线结构光发射器的光轴设定角；所述光轴设定角为单线结构光发射器光轴与基线间的夹角；步骤21：确定设定角对深度分辨率的影响；建立单线结构光投射至待测面上的点在相机坐标系下的坐标和相机成像平面上的投影点在相机坐标系下的坐标的转换关系，对z求取关于x'的偏导数获得的深度分辨率如下所示：式中：表示深度分辨率；f表示相机的焦距；d表示单线结构光发射器光心与相机光心间的距离；θ表示单线结构光发射器光轴与基线之间的夹角；表示单线结构光投射至待测面上的点于相机成像平面上的投影点在相机坐标系中的横坐标偏导数；cot表示余切函数；x'表示单线结构光投射至待测面上的点于相机成像平面上的投影点在相机坐标系中的横坐标；步骤22：确定设定角对激光条纹中心提取精度的影响；分析提取激光条纹中心的理论导数计算值与实际差分计算值间的偏差e
u
＝u
c
‑
u'，激光条纹中心提取误差e
u
的获取方法如下所示：式中：e
u
表示激光条纹中心提取误差；u
c
表示激光条纹中心的理论导数计算值；u'表示激光条纹中心的实际差分计算值；G
u
表示光强分布规律一阶导数；G
uu
表示光强分布规律二阶导数；u0表示激光条纹宽度方向上光强最大像素点的横坐标；g'(u0)表示光强最大位置处的一阶差分；g”(u0)表示光强最大位置处的二阶差分；步骤23：确定单线结构光的光轴设定角对测量装置精度的影响，获得设定角的数值；获取步骤1确定的深度方向的分辨率和步骤22确定的激光条纹中心提取误差e
u
，测量装置综合误差e的获取方法如下所示：式中：e表示测量装置综合误差；计算机以单线结构光的光轴设定角θ为横坐标，测量装置综合误差e为纵坐标绘制综合误差曲线图，从图中取综合误差曲线最小值时对应的夹角θ作为测量系统安装时使用的值；步骤3：对测量装置进行标定，使用测量装置获取物体表面激光条纹图像；调整测量系统的结构参数；使用测量装置获取平面靶标的图像，标定结构光的光平面参数；开启测量装置对待测物进行扫描，获取物体表面激光条纹图像；步骤4：提取图像中的激光条纹中心点，通过坐标变换获待测物表面的三维点云数据；
步骤41：提取图像中的激光条纹交点，对图像中的激光条纹交点进行光平面匹配；构建激光条纹交点和单线结构光的光平面之间的距离矩阵，设置阈值并循环查找，匹配每一个激光条纹交点所属的多线结构光的光平面；步骤42：使用匹配好的激光条纹交点确定单线结构光的光平面方程，通过坐标转换获取待测物形状的三维数据；步骤43：获得图像中的单线结构光投影激光条纹中心点在相机坐标系中的三维坐标，即获得被测物表面所有被单线结构光扫描过区域的稠密点云数据，完成待测物的表面形状三维测量。2.根据权利要求1所述的基于结构光测量物体表面形状的方法，其特征在于，所述步骤21中的建立单线结构光投射至待测面上的点在相机坐标系下的坐标和相机成像平面上的投影点在相机坐标系下的坐标的转换关系，具体为：根据相机成像的坐标转换关系，单线结构光投射至待测面上的点在相机坐标系下的坐标为x,y,z，相机成像平面上的投影点在相机坐标系下的坐标为x',y',f，两个坐标系的转换关系如下所示：式中：x、y和z分别表示单线结构光投射至待测面上的点在相机坐标系中的横坐标、纵坐标和光轴方向上的坐标；x'和y'分别表示单线结构光投射至待测面上的点于相机成像平面上的投影点在相机坐标系中的横、纵坐标。3.根据权利要求1所述的基于结构光测量物体表面形状的方法，其特征在于，所述步骤22中的分析提取激光条纹中心的理论导数计算值与实际差分计算值间的偏差e
u
＝u
c
‑
u'，具体为：所述激光条纹中心的理论导数计算值u
c
的具体计算流程如下：当被投影平面垂直于单线结构光发射器光轴时，激光条纹上的光强分布在宽度方向上呈现标准的高斯分布，如下所示：式中：G(t)表示单线结构光的光强值；I'表示单线结构光的光强幅值；σ表示单线结构光的光强值的标准差；t表示相对激光条纹中心的偏置值；e表示自然对数；当被投影平面与单线结构光发射器光轴不垂直且所夹锐角为θ时，经几何分析和坐标系转换，得该投影平面上的激光条纹在宽度方向上与夹角θ相关的光强分布规律G(u,θ)；先对激光条纹在宽度方向上的光强分布规律G(u,θ)求取一阶导数G
u
(u,θ)和二阶导数G
uu
(u,θ)；进而得到图像中激光条纹宽度方向上光强最大的像素点处的光强分布泰勒展开式，如下所示：
式中：u表示激光条纹任意位置在图像中的横坐标；对上式的u求偏导得：式中：表示光强分布泰勒展开式关于u的一阶偏导数；光强最大处等于0，由上式推导出第一光强最大位置获取方法如下所示：所述激光条纹中心的实际差分计算值u'的具体计算流程如下：光强最大位置处的一阶差分g'(u0)、二阶差分g”(u0)表达式如下所示：分别使用g'(u0)和g”(u0)代替G
u
(u0)和G
uu
(u0)，u0处的光强分布泰勒展开式如下所示：式中：G(u)表示图像中任意位置的光强值；G(u0)表示图像所有像素点中的光强最大值；将G(u)对u求导，并使得激光条纹中心的实际差分计算值u'的计算方法如下所示：4.根据权利要求1所述的基于结构光测量物体表面形状的方法，其特征在于，所述步骤3中的对测量装置进行标定，使用测量装置获取物体表面激光条纹图像，具体为：步骤31：采集平面靶标的图像；首先，将包括直线模组、相机、多线结构光发射器、单线结构光发射器的测量装置固定在一个支架上；其次，在合适的位置固定放置平面靶标，使相机能够完整的采集到平面靶标的图像，且多线结构光和单线结构光均能投射在平面靶标上；然后，打开多线结构光发射器，在单线结构光发射器关闭的状态下使用相机进行图像采集；之后在多线结构光关闭，单线结构光打开的状态下使用相机再次进行图像采集；最后，关闭多线结构光发射器和单线结构光发射器，用相机进行第三次图像采集，完成这一轮图像采集工作；通过上述的步骤改变J次平面靶标的位姿并采集到J组不同位姿的平面靶标图像，每组包含3张图像，分别为多线结构光在平面靶标上的投影图、单线结构光在平面靶标上的投影图和平面靶标背景图；其中位于不同位姿的标定板相对相机的位姿定义为T
j
(j＝1,2,...,
J)；其中对于第j个姿态下的三张图像为一组图像定义如下所示：式中：IMG
j
表示标定板姿态处于T
j
状态下的三张图像为一组图像定义；IMG
m,j
表示标定板姿态处于T
j
状态下拍摄的多线结构光在平面靶标上的投影图；IMG
s,j
表示标定板姿态处于T
j
状态下拍摄的单线结构光在平面靶标上的投影图；IMG
b,j
表示标定板姿态处于T
j
状态下拍摄的平面靶标背景图；j表示每组图像的序号；J表示图像组数量；T
j
表示不同位姿的标定板相对相机的位姿定义；步骤32：使用平面靶标的图像标定结构光的光平面参数：从图像IMG
s,j
和图像IMG
m,j
中提取单线结构...
【专利技术属性】
技术研发人员：李艳文，刘建鑫，霍伟豪，王雨山，祝义浩，刘晓钰，陈子明，庚士涵，栗智民，彭宏鑫，杨毅，王登奎，王华玮，程凯，罗子茂，姜森威，刘子轩，陈念龙，张政，徐宗国，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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