專利名稱：全場視覺自掃描測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量物體三維形貌的儀器，具體說是一種全場視覺自掃描測量裝置，其屬于光機電一體化技術領域。
背景技術：
在目前測量物體三維形貌的裝置和方法中，非接觸的激光測量方法已逐漸成為主流。在非接觸測量方法中，廣泛采用的方法主要有兩類線結構光傳感器與三坐標測量機(三坐標機)一類的外部驅動機構相結合的測量方法、光柵投影測量方法。其中，線結構光傳感器與三坐標機一類的外部驅動機構相結合的測量方法利用三坐標機一類的外部驅動機構驅動線結構光傳感器在其運動范圍內運動，使線結構光光平面掃描被測物體的整個表面，這種方法能達到很高的測量精度，可以測量復雜的物體表面，但是由于受到三坐標機一類的外部驅動機構運動范圍的限制，不能測量大尺寸物體，而且體積大、便攜性差；而光柵投影測量方法是將光柵圖樣投影在被測物體表面上，由變形的光柵圖像的形變量與高度的關系來確定被測物體的三維信息，這種方法一次光柵圖樣投影可以測量被測物體的一小部分表面，分別測量被測物體的各個小部分而得到若干小數據塊，再利用現有的數據拼合技術將小塊數據拼合得到整個被測物體的測量數據，這種方法因為沒有測量范圍限制，所以能測量大尺寸物體，但是由于每一部分的測量數據是由兩到三幅光柵圖像的信息計算得到的，因此精度不高，僅能測量簡單的物體表面。可見，目前尚存的上述兩種方法顯然不能兼顧大尺寸物體的測量和高精度，以及良好的便攜性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種全場視覺自掃描測量裝置。該測量裝置不僅能測量大尺寸物體，而且測量精度高、便攜性好。克服了現有的非接觸激光測量裝置不能測量大尺寸物體、精度低、便攜性差的不足。
本發明的測量裝置是由坐落在基座上的CCD攝像機(以下簡稱攝像機)、線結構光發生器和振鏡裝置三部分組成，該三部分都被固定在作為參考平面的不銹鋼板上；線結構光發生器與振鏡裝置正對，且其發出的線結構光光平面(以下簡稱光面)完全穿過振鏡裝置中的振鏡的轉軸(以下簡稱轉軸)，線結構光發生器距離轉軸30mm；轉軸和攝像機的光軸之間的距離是300mm；轉軸垂直于不銹鋼板參考平面。
所述的振鏡裝置，其由振鏡和振鏡驅動器組成，其振鏡驅動器是DA輸出卡，該DA輸出卡的輸出電壓與振鏡轉軸轉動的角度是成比例的，比例系數已知，因此只要控制DA輸出卡每次輸出已知的固定電壓值，就可以使振鏡每次轉過相同的已知角度Δα。
本發明的測量方法是——首先利用靶標對該裝置進行標定，得到確定被測點三維世界坐標所必須的公式I中的攝像機內外參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz以及公式II中的m0、n0和y1，然后將標定得到的參數和已知的Nx、Ny、u、v、
i代入變換公式I和II就得到了被測點的三維世界坐標；進而隨著上述的振鏡裝置中的振鏡的轉動，反射光面掃過被測物體并與被測物體相交得到一條條的光條，所有這些光條上的點，在世界坐標系中的三維坐標(x，y，z)就是反映被測物體的全部三維信息。對大尺寸物體可以對物體的每個小部分進行以上的測量，再利用現有的數據拼合技術將各個小部分的數據拼合，就能得到整個被測物體的三維信息，實現大尺寸物體高精度的全場視覺自掃描測量。
所述的變換公式I如下，它是被測點在世界坐標系中x與y坐標的計算公式 A＝fNxr1+r7u0 B＝fNxr2+r8u0 D＝fNxtx+tzu0 其中E＝fNyr4+r7v0 F＝fNyr5+r8v0 H＝fNyty+tzv0 式中，u、v表示被測點在攝像機中的像面坐標，可直接從攝像機拍得的圖像獲得；A、B、C、D、E、F、H為求得公式的中間變量；參數f、Nx、Ny、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz為攝像機的內外參數，且上述的兩個內參數Nx、Ny是已知的，其他的幾個參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz由已有的基于徑向排列約束(RAC)的攝像機兩步標定方法可以求得。
所述的變換公式II如下，它是被測點在世界坐標系中z坐標的計算公式
zp＝(yi-yp)tanθi...........................④ 上述的公式①是初始反射光面與靶面的夾角的計算公式。m0、n0為可求已知量，標定后可以確定，求得這兩個參數是標定的核心；
表示每次振鏡裝置中的振鏡由上一位置轉過Δα角度到達當前位置時，轉動前后兩反射光平面之間的夾角，等于2Δα，是一已知參數；Δα為振鏡裝置中的振鏡每轉動一次轉過的角度，由振鏡裝置中的振鏡驅動器的輸出電壓來控制(在本發明中該輸出電壓是已知參數，所以Δα是已知參數，
也是已知參數)；γ為初始反射光面與靶面的夾角，標定后可以確定。
上述的公式②是振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后(即轉過Δα×i角度時(i＝1，2，3…))反射光面與靶面的夾角的計算公式。γ為公式①；i為振鏡裝置從初始位置開始轉動，每次轉過Δα(見公式①的說明)角度所一共轉動的次數，是已知的；θi為振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后(即轉過Δα×i角度時)反射光面與靶面的夾角，由標定結果和已知量i可以確定。
上述的公式③是振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后，反射光面與靶標的交線在世界坐標系中的y坐標的計算公式。y1為初始反射光面與靶面的交線在世界坐標系中的y坐標，是在標定過程中確定的；m0、n0見公式①中的說明；γ為公式①；θi為公式②；yi為振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動i次后，反射光面與靶標的交線在世界坐標系中的y坐標，由標定結果和已知量i可以確定。
上述的公式④是被測點在世界坐標系中z坐標的計算公式，也是本發明裝置確定被測點三維世界坐標的關鍵，公式①、②、③是它的基礎。θi是公式②；yi是公式③；yp見公式I。
本發明的有益效果其一是被測物體的信息是由很多幅圖像提供，每幅圖像僅對應一條光條，提取到的圖像信息精度高，因此求得的光條的三維世界坐標精度也高，能實現高精度測量；其二是能有效的利用攝像機的視場，還可以在不借助三坐標測量機一類的外部驅動設備的前提下，方便、快捷的實現裝置的標定，便攜性好；其三是可以通過對物體各個小部分分別進行測量，再結合現有的數據拼合技術實現對大尺寸物體的測量。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1本發明的基本結構示意圖； 圖2本發明的振鏡裝置中的振鏡的初始位置示意圖； 圖3本發明的掃描過程中的反射光面位置圖； 圖4本發明的某個反射光面上的一個測點在靶標平面的投影圖； 圖5本發明的人臉測量實例。
其中，1、振鏡裝置2、線結構光發生器3、CCD攝像機4、靶標5鋼板，OO’為振鏡裝置1中的振鏡g的轉軸。
圖2為振鏡裝置1中的振鏡g的初始位置示意圖，是從轉軸OO’方向看的光面反射圖。線結構光發生器2產生的光面為入射光面，入射光面在轉軸OO’處反射形成反射光面投射到靶標4所在的平面(以下簡稱靶面)上。假設入射光面與反射光面重合時為振鏡g一個基準位置(圖中虛線處)，設振鏡初始位置偏離基準位置α，γ為初始反射光面與靶面的夾角。由圖可得γ＝2α。
在圖3中，令角
表示每次振鏡裝置1中的振鏡g轉過Δα角度時，轉動前后反射光面之間的夾角。由于光面穿過轉軸OO’，所以各反射光面相交于同一條直線上即轉軸OO’上。A為轉軸OO’上的一點，假設面AHS0為垂直于靶面的反射光面，l′為反射光面與靶標垂直時的交線，H為A在靶面上的投影。l0為初始反射光面與靶面的交線，則∠AKH＝γ為初始光面與靶面的夾角；li為振鏡g轉過Δα×i角度時(i＝1，2，3…)反射光面與靶面的交線，則∠AGH＝θi為此時反射光面與靶面的夾角。由于轉軸OO’與靶面平行且平行于世界坐標系的X軸，則l′//l0//l1//l2//l3//…//li，過H點做l′，l0，l1，l2，l3，…，li的垂線與它們分別交于H，K，I，Q，…G點則在ΔAIIK中由正弦定理可得
在ΔAQII中，令
則
兩式消去AI，可得變換公式II中的①。
其中m0＝KI，n0＝QI，通過標定過程可以確定。
在ΔAKQ中，由正弦定理可得
令圖中S0，S1的坐標為S0(0，y0)，S1(0，y1)，則得到 y1＝y0+HK，HK＝AKcosγ 由上述兩式可得 yi＝y0+AHctgθi＝y0+HKtanγctgθi 進一步推導可得變換公式II中的③，由圖可得變換公式II中的②。這樣就得到了每次轉軸OO’轉動后反射光面的位置θi和yi。
在圖4中，P點為光面上的測點，在測量過程中，可以采集圖像，提取光條的中心點來獲得它的像面坐標u、v，P′為P點在靶面上的垂足，則PP′即為P點的z坐標值。li為反射光面與靶面的交線。θi＝∠PRP′即為反射光面與靶面的夾角。令(xp，yp，zp)為P點的空間的三維坐標，則P′的坐標值為(xp，yp)。則由圖得 zp＝PP′＝RP′tanθi RP′＝yp-y1 將上述的二式代入一式，可得變換公式II中的④。
令(up，vp)為P點對應的攝像機像面坐標，將其代入變換公式I可求出xp，yp的值，再將yp代入公式II中的④可得到zp。這樣就得到了空間被測點的三維世界坐標。
在圖5中，給出了一個測量實例——利用該測量裝置對人臉進行測量。從圖5中可以看出，測量結果能反映原圖的基本信息，測量效果較好。
具體實施例方式 如圖1，本發明的測量裝置包括坐落在基座上的CCD攝像機3、線結構光發生器2和振鏡裝置1，且三者都被固定在作為參考平面的不銹鋼板5上；線結構光發生器2與振鏡裝置1正對，且其發出的線結構光光平面完全穿過振鏡裝置1中的振鏡的轉軸，線結構光發生器2距離轉軸30mm；轉軸和攝像機的光軸之間的距離是300mm；轉軸垂直于不銹鋼板5參考平面。
所述的振鏡裝置1，其由已有振鏡和振鏡驅動器組成，且振鏡驅動器是DA輸出卡，該DA輸出卡的輸出電壓與振鏡轉軸轉動的角度是成比例的，比例系數已知，因此只要控制DA輸出卡每次輸出已知的固定電壓值，就可以使振鏡每次轉過相同的已知角度Δα。
首先利用靶標通過標定過程得到了確定被測點三維世界坐標所必須的攝像機內外參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz以及m0、n0和y1，現具體闡述標定的過程 (1)標定變換公式I中的攝像機的內外參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz是由已有的基于徑向排列約束(RAC)的攝像機兩步標定方法求得的。
(2)標定變換公式II中的m0、n0和y1的步驟如下 首先將振鏡裝置中振鏡轉動到初始位置，此時光面經振鏡的反射，反射光面投射到靶標上則形成一亮光條，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，將得到的直線的u、v坐標(見公式I中的說明)代入公式I得到的yp就是y1，這樣就實現了y1的標定。此時得到的直線為直線l1；然后使振鏡轉過Δα角，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，得到直線l2；再使振鏡轉過Δα角，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，得到直線l3。由于轉軸與靶標平面和光面平行，所以直線l1、l2、l3是互相平行的。直線l1與l2的距離為m0，直線l2與l3的距離為n0，求兩兩直線的距離就得到了m0、n0的長度，實現了m0、n0的標定，也最終完成了本裝置的標定。
所述的靶標為平面網格靶標，只有在標定時才被使用，標定過程結束后就被撤走。靶標垂直于不銹鋼參考平面放置以使靶面平行于轉軸，且盡量使靶面垂直于攝像機的光軸。靶標應放置在距攝像機CCD平面300mm到700mm且圍繞攝像機光軸的大約240mm×360mm的空間內，在這個空間中，反射光面與攝像機光軸的夾角大約在50°到70°之間；靶標上水平和垂直方向上相鄰兩條平行直線的中心間距為25mm、線條寬度為2mm，靶標上共有6×6條直線，因此可以用于提取的特征點共有36個，這樣相鄰特征點在水平和垂直方向上的間距都是25mm。
標定結束后，利用標定過程(1)得到的攝像機內外參數以及上述的已知量Nx、Ny、u、v，根據變換公式I即可求得被測點在世界坐標系中x、y坐標；再利用標定過程(2)得到的m0、n0和y1以及上述的已知量
i，根據變換公式II可求得被測點在世界坐標系中z坐標。這樣即可求得被測點的三維世界坐標。
進而隨著上述的振鏡裝置1中的振鏡g的轉動，反射光面掃過被測物體并與被測物體相交得到一條條的光條，所有這些光條上的點在世界坐標系中的三維坐標(x，y，z)就可以反映被測物體的全部三維信息，對大尺寸物體可以對物體的各個小部分進行以上的測量，再利用現有的數據拼合技術將各個小部分的數據拼合就能得到整個被測物體的三維信息，實現了大尺寸物體高精度的全場視覺自掃描測量。
本發明的應用實施例和利用靶標進行標定的結果(包括下列數據和圖象) f＝12.83548，u0＝384，v0＝288，r1＝0.998166，r2＝-0.019032，r4＝0.019366，r5＝0.993381，r7＝0.004616，r8＝0.124171，tx＝-62.176692，ty＝-2.564525，tz＝522.84232； y1＝27.50，m0＝45.31，n0＝36.56。
對人臉進行掃描測量，結果見圖5。
權利要求
1、一種全場視覺自掃描測量裝置，其特征是其包括坐落在基座上的CCD攝像機(3)、線結構光發生器(2)和振鏡裝置(1)，而且三者被固定在作為參考平面的不銹鋼板(5)上；線結構光發生器(2)與振鏡裝置(1)正對，且其發出的線結構光光平面完全穿過振鏡裝置(1)中的振鏡的轉軸OO’，其與振鏡轉軸OO’的距離是30mm；振鏡裝置(1)中的振鏡的轉軸OO’與攝像機(3)的光軸之間的距離是300mm；振鏡裝置(1)中的振鏡的轉軸OO’垂直于不銹鋼板(5)的參考平面。
2、如權利要求1所述的全場視覺自掃描測量裝置，其特征是所述的振鏡裝置(1)是由振鏡(g)和振鏡驅動器組成，其振鏡驅動器是DA輸出卡，該DA輸出卡的輸出電壓與振鏡轉軸轉動的角度是成比例的，比例系數已知，因此只要控制DA輸出卡每次輸出已知的固定電壓值，就可以使振鏡每次轉過相同的已知角度Δα。
3、全場視覺自掃描測量裝置的測量方法是，首先利用靶標(4)對該裝置進行標定，得到了確定被測點三維世界坐標所必須的公式I中的攝像機內外參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz以及公式II中的m0、n0和y1，然后將標定得到的參數和已知的Nx、Ny、u、v、
i代入變換公式I和II就得到了被測點的三維世界坐標；進而隨著上述的振鏡裝置(1)中的振鏡(g)的轉動，反射光面掃過被測物體并與被測物體相交得到一條條的光條，所有這些光條上的點在世界坐標系中的三維坐標就反映被測物體的全部三維信息，對大尺寸物體可以對物體的各個小部分進行以上的測量，再利用現有的數據拼合技術將各個小部分的數據拼合就能得到整個被測物體的三維信息，從而實現大尺寸物體高精度的全場視覺自掃描測量；
上述的靶標(4)為平面網格靶標，垂直于不銹鋼板(5)參考平面放置以使靶面平行于轉軸，且盡量使靶標(4)靶面垂直于CCD攝像機(3)的光軸，并在距攝像機CCD平面300mm到700mm且圍繞CCD攝像機(3)的光軸的大約240mm×360mm的空間內，在這個空間中，反射光面與CCD攝像機(3)光軸的夾角在50°到70°之間；靶標(4)上水平和垂直方向上相鄰兩條平行直線的中心間距為25mm、線條寬度為2mm，靶標4上共有6×6條直線，因此可以用于提取的特征點共有36個，這樣相鄰特征點在水平和垂直方向上的間距都是25mm；
所述的變換公式I如下
A＝fNxr1+r7u0
B＝fNxr2+r8u0
D＝fNxtx+tzu0
其中E＝fNyr4+r7v0
F＝fNyr5+r8v0
H＝fNyty+tzv0
式中，u、v表示被測點在攝像機中的像面坐標，可直接從攝像機拍得的圖像獲得；A、B、C、D、E、F、H為求得公式的中間變量；參數f、Nx、Ny、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz為CCD攝像機(3)的內外參數，且上述的兩個內參數Nx、Ny是已知的，其他的幾個參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz均由已有的基于徑向排列約束的攝像機兩步標定方法可以求得；
所述的變換公式II如下，它是被測點在世界坐標系中z坐標的計算公式
zp＝(yi-yp)tanθi...........................④
上述的公式①是初始反射光面與靶面的夾角的計算公式，m0、n0為可求已知量，標定后可以確定，求得這兩個參數是標定的核心；
表示每次振鏡裝置中的振鏡由上一位置轉過Δα角度到達當前位置時，轉動前后兩反射光平面之間的夾角，等于2Δα，是一已知參數；Δα為振鏡裝置中的振鏡每轉動一次轉過的角度，由振鏡裝置中的振鏡驅動器的輸出電壓來控制；γ為初始反射光面與靶面的夾角，標定后可以確定；
上述的公式②是振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后反射光面與靶面的夾角的計算公式；i為振鏡裝置從初始位置開始轉動，每次轉過Δα角度所一共轉動的次數；θi為振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后反射光面與靶面的夾角，由標定結果和已知量i可以確定；
上述的公式③是振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后，反射光面與靶標的交線在世界坐標系中的y坐標的計算公式，y1為初始反射光面與靶面的交線在世界坐標系中的y坐標，是在標定過程中確定的；yi為振鏡裝置中的振鏡從初始位置轉動了i次后，反射光面與靶標的交線在世界坐標系中的y坐標，由標定結果和已知量i可以確定；
上述的公式④是被測點在世界坐標系中z坐標的計算公式。
4、如權利要求3所述的全場視覺自掃描測量裝置的測量方法，其特征是所述的利用靶標4對裝置進行標定的步驟是；
(1)標定變換公式I中的攝像機的內外參數f、u0、v0、r1、r2、r4、r5、r7、r8、tx、ty、tz是由已有的基于徑向排列約束的攝像機兩步標定方法求得的；
(2)標定變換公式II中的m0、n0和y1的步驟如下
首先將振鏡裝置中振鏡轉動到初始位置，此時光面經振鏡的反射，反射光面投射到靶標上則形成一亮光條，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，將得到的直線的u、v坐標代入公式I得到的yp就是y1，這樣就實現了y1的標定，此時得到的直線為直線l1；然后使振鏡轉過Δα角，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，得到直線l2；再使振鏡轉過Δα角，用已有的圖像處理技術提取光條并擬合直線，得到直線l3，直線l1、l2、l3是互相平行的；直線l1與l2的距離為m0，直線l2與l3的距離為n0，求兩兩直線的距離就得到了m0、n0的長度，即實現了m0、n0的標定，也最終完成了本裝置的標定。
全文摘要
本發明涉及一種全場視覺自掃描測量裝置，它包括坐落在基座上的CCD攝像機、線結構光發生器和振鏡裝置，三者都被固定在作為參考平面的鋼板上；線結構光發生器與振鏡裝置正對，且其發出的線結構光平面完全穿過振鏡裝置中的振鏡的轉軸；振鏡的轉軸垂直于鋼板參考平面。測量方法是首先利用靶標對該裝置進行標定，然后將標定得到的參數和已知的振鏡轉動當前位置以及圖像信息代入變換公式I和II得到被測點的三維世界坐標；隨著振鏡的轉動，反射光面掃過被測物體并與被測物體相交得到一條條的光條，所有這些光條上的點在世界坐標系中的三維坐標就反映被測物體的全部三維信息，實現了大尺寸物體高精度全場視覺自掃描測量，而且測量精度高、便攜性好。
文檔編號G01B11/24GK101329174SQ200710116338
公開日2008年12月24日 申請日期2007年12月23日 優先權日2007年12月23日
發明者解則曉, 劉世晶, 琨 王, 明 金, 張志偉 申請人:中國海洋大學