【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及点云处理领域，尤其涉及一种基于结构光三维重建的点云快速拼接方法。
技术介绍
1、近年来，随着工业自动化和智能化的发展，自动化技术也受到了广泛关注，尤其是基于视觉的自动化技术。作为三维视觉成像领域的典型技术之一，结构光三维成像技术已广泛应用于测量、工业、医疗诊断等领域。结构光三维成像技术可以兼顾系统灵活性和测量精度，是光学三维表面成像和测量的主流技术之一。结构光扫描设备在对环境进行扫描时，往往不能在同一坐标系下将环境的点云数据一次性测量。其原因是环境大小超过了扫描设备的测量范围，并且环境里的物体之间相互遮挡，点云扫描设备在一个角度不太可能扫描到物体的完整点云。得到多片点云数据后，我们需要一种技术将多片点云数据旋转平移到统一的坐标系下，使它们能够组成完整的环境点云数据，这种技术叫点云拼接。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，通过结构光原理对三维空间物体进行表面信息测量，并通过手眼标定后的点云粗拼接和精拼接，能够快速、有效地获取大场景的三维空间物体表面信息。
2、本专利技术所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，包括如下步骤：
3、步骤一，包裹相位的获取和展开，所述包裹相位的获取和展开包括了四步相移法和三频外插原理，通过投影四幅均匀步长的正弦条纹于物体表面；
4、i1(x，y)＝i′(x，y)+i″(x，y)cos(2πfx) (1)
5、i2(x，y)＝i′(x，
6、i3(x，y)＝i′(x，y)+i″(x，y)cos(2πfx+π) (3)
7、i4(x，y)＝i′(x，y)+i″(x，y)cos(2πfx+3π/2) (4)
8、公式(1)、(2)、(3)、(4)中，i1(x，y)、i2(x，y)、i3(x，y)、i4(x，y)依次为条纹图i1、i2、i3、i4的光强，其中i′(x，y)为图像直流分量，i″(x，y)为振幅，f为条纹图所包含的周期数，通过公式(1)、(2)、(3)、(4)可以求出包裹相位：
9、
10、公式(5)中，为求解出的包裹相位，由于在相位计算中使用了反正切函数，因此得到的相位值范围为[-π，π]。为了在图像中得到我们想要的连续相位分布，我们需要对相位进行进一步处理和扩展，以确保相位值在整个图像中的唯一性。
11、通过三频外插原理将两个不同周期的相位函数叠加融合，得到一个不同频率的相位函数，最终得到图像范围内周期为1的相位，在系统标定后得到物体表面点云。
12、步骤二，相机标定，所述相机标定包括获取相机图像像素与三维空间物体的坐标映射关系，所述坐标映射关系包括了内部参数矩阵和外部参数矩阵，将真实世界的物体的三维坐标通过旋转平移转换到相机坐标系中，根据传统针孔成像原理，可以得到所述相机坐标系和图像坐标系之间的转换关系，所述图像坐标系通过一定比例的展开和平移可以转换为像素坐标系。
13、步骤三，手眼标定，所述手眼标定包括获取机械臂末端坐标系和三维空间物体的坐标映射关系，机械臂法兰坐标系到基座坐标系的变换关系由机器人操作系统直接获取，相机坐标系与标定板坐标系的转换关系由摄像头外部参数获取，相机坐标系与机械臂法兰坐标系的变换关系在机械臂运动过程中保持不变，标定板坐标系到机械臂基坐标系的变换关系未知，校准过程中保持标定板坐标系和机械臂基坐标系静止。
14、在实际操作过程中，将相机固定与机械臂末端，将标定板置于相机视野内保持固定，移动机械臂拍摄不同高度和角度的标定板图像，同时保存机械臂法兰的坐标和姿态，总共需要获取18组图像和姿态，在18幅图像中，前后左右四个方向各拍摄四张图像，其余两张图像尽量在标定板上方拍摄，应该保证每张图像都有完整的标定板。通过计算相机与机械臂法兰之间的变换矩阵，将计算结果用欧拉角和平移向量表示可以得到3×3变换矩阵。
15、步骤四，点云粗拼接，将两次不同角度的所述物体表面点云进行旋转平移，通过计算所述相机坐标系与机械臂法兰坐标系之间的旋转平移矩阵，以及从机械臂操作系统中获取机械臂法兰坐标系与机械臂末端之间的旋转平移矩阵，将所述物体表面点云进行两次旋转平移后转换到机械臂基座标系上，可以表示为：
16、
17、在公式(6)中，表示机械臂法兰坐标系与机械臂末端之间的旋转平移矩阵，表示相机坐标系与机械臂法兰坐标系之间的旋转平移矩阵，(xc，yc，zc)表示旋转平移前所述物体表面点云坐标，(xw，yw，zw)表示旋转平移后所述物体表面点云坐标。
18、步骤五，点云精拼接，将所述物体表面点云按照约束条件找到最邻近点，在误差函数最小时，计算得到旋转平移矩阵，主要步骤包括了：
19、1)计算所述物体表面点云与匹配点云的距离，并使得距离最小；
20、2)计算旋转矩阵和平移矩阵，使得点云之间的均方差最小；
21、3)将所述物体表面点云根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵进行旋转和平移。
22、本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
23、1)本专利技术通过四步相移法和三频外插原理，投影四幅正弦条纹图案在物体表面，计算包裹相位和进行相位展开，在系统标定后，能够快速、准确地得到物体表面点云。
24、2)本专利技术通过拍摄18幅不同位姿下的标定板图像，同时记录机械臂法兰坐标系到机械臂基坐标系的转换矩阵，通过计算得到相机坐标系到机械臂基坐标系之间的转换矩阵。
25、3)本专利技术通过将物体表面点云在机械臂基坐标系下进行粗拼接，再计算粗拼接后点云之间的距离，在距离最小时，计算旋转矩阵和平移矩阵，并使得均方根最小。与现有技术相比，本专利技术能够快速的完成点云粗拼接，并在均方根最小时计算转换矩阵，能够得到准确的旋转平移矩阵。
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1.一种基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，包裹相位的获取和展开，所述包裹相位的获取和展开包括了四步相移法和三频外插原理，所述四步相移法包括投影四幅均匀步长的正弦条纹于物体表面：
3.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，相机标定，所述相机标定包括获取相机图像像素与三维空间物体的坐标映射关系，所述坐标映射关系包括了内部参数矩阵和外部参数矩阵，将真实世界的物体的三维坐标通过旋转平移转换到相机坐标系中，根据传统针孔成像原理，可以得到所述相机坐标系和图像坐标系之间的转换关系，所述图像坐标系通过一定比例的展开和平移可以转换为像素坐标系。
4.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，手眼标定，所述手眼标定包括机械臂末端坐标系和三维空间物体的坐标映射关系，将相机固定与机械臂末端，将标定板置于相机视野内保持固定，移动机械臂拍摄不同高度和角度的标定板图像，同时保存机械臂法兰的坐标和姿态，总共需要获
5.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，点云拼接，所述点云拼接包括了点云粗拼接和点云精拼接，所述点云粗拼接包括将两次不同角度的所述物体表面点云进行旋转平移，通过计算所述相机坐标系与机械臂法兰坐标系之间的旋转平移矩阵，以及从机械臂操作系统中获取机械臂法兰坐标系与机械臂末端之间的旋转平移矩阵，将所述物体表面点云进行两次旋转平移后转换到机械臂基座标系上，可以表示为：
6.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，点云拼接，所述点云拼接包括了点云粗拼接和点云精拼接，所述点云精拼接包括将所述物体表面点云按照约束条件找到最邻近点，在误差函数最小时，计算得到旋转平移矩阵，主要步骤包括了：
...【技术特征摘要】
1.一种基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，包裹相位的获取和展开，所述包裹相位的获取和展开包括了四步相移法和三频外插原理，所述四步相移法包括投影四幅均匀步长的正弦条纹于物体表面：
3.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，相机标定，所述相机标定包括获取相机图像像素与三维空间物体的坐标映射关系，所述坐标映射关系包括了内部参数矩阵和外部参数矩阵，将真实世界的物体的三维坐标通过旋转平移转换到相机坐标系中，根据传统针孔成像原理，可以得到所述相机坐标系和图像坐标系之间的转换关系，所述图像坐标系通过一定比例的展开和平移可以转换为像素坐标系。
4.根据权利要求1所述的基于结构光三维重建的点云快速拼接方法，其特征在于，手眼标定，所述手眼标定包括机械臂末端坐标系和三维空间物体的坐标映射关系，将相机固定与机械臂末端，将标定板置于相机视野内...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁海森，黄扬，高兴宇，张志强，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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