一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法。其步骤为:对相机和显示器组成的测量装置进行参数标定，获取两者坐标系之间的转换关系；使用标定板代替待测镜面，对其所在曲面进行初始化；使用显示器投射编码条纹，相机通过镜面反射拍摄所有条纹的图像，对图像解码获得像点的唯一编码值；从相机原点出发经像平面上的像点生成一条模拟入射光线，计算该光线经参数曲面反射后与显示器的交点；调整曲面的参数，使得所有交点与实际像素点之间的偏差值之和最小，此时得到的参数曲面与镜面体表面面型一致，从而完成对镜面体表面的三维测量。该测量方法简单，易于操作，测量精度高，解决了理想镜面体在使用计算机视觉方法时测量精度差的难题。量精度差的难题。量精度差的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法


[0001]本专利技术涉及计算机视觉测量
,具体的说是对理想镜面体表面的精确三维测量方法。

技术介绍

[0002]在物体三维外形测量需求中，玻璃、经抛光的金属制品、喷漆后的汽车车体等物体由于表面光滑，能像镜子一样反射周围的环境光线，因此被称为镜面体。该类物体在使用基于计算机视觉的测量方法时，由于其表面较强的反光特性，容易形成高反光区域而无法获得准确的表面特征信息，因此对镜面体的精确三维测量一直是计算机视觉领域研究的难点。
[0003]为了实现镜面体表面的三维测量，不能直接向其表面投射亮度较高的结构光等常用的辅助光源，而是通过分析其反射的周围环境光线的变化来进行曲面重建。为了获得稳定的环境光线，目前通常使用具有易于识别的特征的规则物体作为参照物，通过相机获取经镜面体反射的参照物图像。但是现有的测量方法普遍存在计算复杂，测量效率低，无法获得满足要求的精度。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术要解决的技术问题是镜面体表面高精度的测量方法，本方法采用LCD显示器作为参照物，根据需要投射不同形式的条纹图案，并且可以根据需要调整亮度，避免在镜面体表面产生强光反射。使用参数曲面模拟镜面体反射成像的过程，采用最小二乘法进行参数优化最终获得逼近被测物体的面型，从而实现对物体的三维测量。该方法能实现理想镜面体的表面面型的高精度三维稠密点云的精确获取。该方法实施方便、测量精度高。
[0005]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0006]一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，根据参数曲面与理想镜面在几何结构上的相似性对镜面体面型进行逼近重构，实现三维测量，包括：
[0007]S1、设定相机与显示器位置不变，在目标位置设置模拟曲面镜，控制相机以模拟曲面镜为反射介质拍摄显示器上的画面图像；
[0008]S2、标定相机的内参、畸变参数以及相机与显示器之间的外参；
[0009]S3、设定待求取曲面镜的模拟曲面S
′
模型，控制相机以模拟曲面S
′
为介质拍摄显示器画面，图像处理并解码，建立显示器上的像素点与像平面上像点P
m
的一一对应关系，获取显示器上实际像素点P
s
；
[0010]S4、从相机原点出发经像平面上的像点P
m
生成一条与成像光路反向的模拟反向光线，根据几何光学的原理计算该反向光线经参数曲面S
′
反射后与显示器的交点P
′
S
；
[0011]S5、计算该交点P
′
s
与显示器上实际像素点P
s
的偏差；
[0012]S6、调整参数曲面的参数，遍历所有像素点，以最小化所有像素点该偏差之和为目
标函数，获取与镜面体表面面型一样的模拟曲面S
′
，完成对理想镜面体的三维测量。
[0013]所述显示器画面为一组给定的沿水平方向显示的二进制格雷码编码条纹。
[0014]所述相机的内参标定、畸变参数标定是通过视觉标定板对相机进行的标定。
[0015]所述相机与显示器之间的外参标定为,在目标位置设置平面镜，根据平面镜成像及几何光学原理，使用平面镜对相机和显示器进行参数标定，获得相机坐标系与显示器坐标系之间的转换关系：旋转矩阵R和平移向量T。
[0016]所述S3包括：
[0017]a.图像处理包括图像滤波、图像增强、阈值分割、图像二值化；
[0018]b.对二值化后的像素点逐个进行编码获取对应的编码值：若某点处像素值为0，则编码值设为0；若像素值为255，则编码值设为1；
[0019]c.按顺序排列编码值组成二进制的格雷码值，转换为十进制获得该图像的唯一编码；
[0020]d.根据给定的二进制格雷码编码条纹图像，建立像素点与像平面上像点P
m
的一一对应关系，从而获取显示器上实际像素点P
s
。
[0021]在步骤S4之前还包括：在目标模拟曲面镜位置先设置标定板，相机获取其图像后进行标志点识别，使用PnP算法并结合相机的内参、畸变参数，计算标定板平面在相机坐标系下的位置参数，作为模拟曲面S
′
的初始化参数曲面。
[0022]所述模拟曲面S
′
的计算包括：
[0023]使用均匀三次B样条曲面模拟实际待测的曲面镜面，设B样条曲面的控制顶点为P
ij
(1≤i≤m,1≤j≤n)，m、n分别为u、v两个方向上定点的个数，节点向量为U＝(u1,u2,
…
,u
m
)和为V＝(v1,v2,
…
,v
n
)，则曲面方程为：
[0024][0025]图像区域I(x,y)内每一点都对应参数曲面上一点，因此过相机原点与相平面上一点确定的射线与参数曲面交于一点，则该点的坐标可以表示为：
[0026]P0＝WC[x,y,1]t
ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]其中，W为1
×
mn的基函数向量，当(x,y)已知时，该向量可唯一确定；C为mn
×
1的控制顶点向量，为未知参数；
[0028]若显示器在相机坐标系中的位置用旋转矩阵R和平移向量T表示，且R＝[r1,r2,r3]，r
k
为3
×
1的列向量，k＝1,2,3，那么显示器的平面可以表示为t代表转至；
[0029]于是P0P
s
与显示器平面的交点为：
[0030][0031]其中，l为沿P0P
s
的方向向量；把公式(2)带到公式(7)得到关于未知变量“控制顶点向量C”的方程；
[0032]对于像平面区域I(x,y)内的每一点(x
i
,y
i
,1)
t
,(i＝1,2,
…
,M)，均有其反射线与显示器交点P
′
si
，计算当所有误差值之和最小时得到控制顶点向量矩阵C；再结合公式(1)得到均匀三次B样条曲面S
′
的三维点云，实现对模拟镜面的三维测量。
[0033]所述最小化该偏差为目标函数的计算是采用最小二乘法来计算的。
[0034]所述该方法用于表面光滑且连续的理想镜面体。
[0035]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0036]1.本专利技术所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法能有效的实现镜面体表面面型的三维测量。
[0037]2.本专利技术所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，方法简单，易于操作和实现。
[0038]3.本专利技术所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法具有较高的测量精度。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，其特征在于，根据参数曲面与理想镜面在几何结构上的相似性对镜面体面型进行逼近重构，实现三维测量，包括：S1、设定相机与显示器位置不变，在目标位置设置模拟曲面镜，控制相机以模拟曲面镜为反射介质拍摄显示器上的画面图像；S2、标定相机的内参、畸变参数以及相机与显示器之间的外参；S3、设定待求取曲面镜的模拟曲面S
′
模型，控制相机以模拟曲面S
′
为介质拍摄显示器画面，图像处理并解码，建立显示器上的像素点与像平面上像点P
m
的一一对应关系，获取显示器上实际像素点P
s
；S4、从相机原点出发经像平面上的像点P
m
生成一条与成像光路反向的模拟反向光线，根据几何光学的原理计算该反向光线经参数曲面S
′
反射后与显示器的交点P
′
s
；S5、计算该交点P
′
s
与显示器上实际像素点P
s
的偏差；S6、调整参数曲面的参数，遍历所有像素点，以最小化所有像素点该偏差之和为目标函数，获取与镜面体表面面型一样的模拟曲面S
′
，完成对理想镜面体的三维测量。2.根据权利要求1所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，其特征在于，所述显示器画面为一组给定的沿水平方向显示的二进制格雷码编码条纹。3.根据权利要求1所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，其特征在于，所述相机的内参标定、畸变参数标定是通过视觉标定板对相机进行的标定。4.根据权利要求1所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，其特征在于，所述相机与显示器之间的外参标定为,在目标位置设置平面镜，根据平面镜成像及几何光学原理，使用平面镜对相机和显示器进行参数标定，获得相机坐标系与显示器坐标系之间的转换关系：旋转矩阵R和平移向量T。5.根据权利要求1所述的一种基于参数曲面的镜面体表面三维测量方法，其特征在于，所述S3包括：a.图像处理包括图像滤波、图像增强、阈值分割、图像二值化；b.对二值化后的像素点逐个进行编码获取对应的编码值：若某点处像素值为0，则编码值设为0；若像素值为255，则编码值设为1；c.按顺序排列编码值组成二进制的格雷码值，转换为十进制获得该图像的唯一编码；d.根据给定的二进制格雷码编码条纹图像，建立像素点与像平面上像点P
m
的一一对应关系，从而获取显示器上实际像素点P
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：付生鹏，夏仁波，赵吉宾，于彦凤，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：