專利名稱：一種多個結構光投影三維型面測量頭的標定技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種物體型面光學測量系統的標定方法，一種多個基于結構光與雙目視覺的測量頭的標定方法，可用于結構光投影的物體型面的快速無標貼測量，屬于光學測量技術領域。
背景技術：
本專利的結構光投影三維型面測量頭的系統硬件包括視覺傳感器，三角架，PC機以及數據線等。其中視覺傳感器由兩個攝像機，一個數字投影儀構成，兩攝像機以一定的角度被固定在水平支架上，投影儀放置于兩個攝像機之間。2個CCD攝像機構成雙目立體視覺系統，投影儀投射編碼結構光，其目的是為了在被測物表而增加特征信息，以便于匹配。整個視覺傳感器架在可以伸縮的三角架上。測量頭的三維測量原理是是基于雙目視覺的三角測量原理，攝像機的光學模型均采用針孔模型，單測量頭的攝像機的內外參數及多測量頭之間的幾何參數都需要標定。如何實現這些參數的精確標定，以滿足三維測量的基本要求， 對于保證三維測量的精度和可靠性具有至關重要的意義。目前，單個結構光投影三維型面測量頭的標定技術在三維重建中廣泛得到應用， 其主要涉及到相機標定方法基本上都是平面標定和標定塊標定的方法。由于結構光投影三維型面測量頭的測量范圍由鏡頭景深，CCD面陣大小，靶標的尺寸標定范圍，以及每次投射結構光的范圍和被測物體幾何形狀等因素的限制，當測量大尺寸物體時，幾乎無法只通過一次掃描就得出完整的被測物體三維形貌。為了得到物體的全貌三維信息，在測量過程中圍繞被測對象把測量頭定位在不同方位，以獲取被測對象各子區域曲面片的三維信息，然后將不同視角下得到的局部點云數據進行配準和拼接，消除其間的大量冗余數據，得到被測對象的完整三維形貌信息。這通常都需要借助于在測量區域布局人工標帖，通過提取各個視圖中的公共標記點實現多視測量數據坐標系的統一，而拼接是在標記點提取、標定、匹配、重建的基礎上進行的，勢必會引入標記點提取、標定、匹配等誤差累積，同時，多次拼接的坐標系轉換也會引入誤差累積。因此，拼接后的誤差遠遠大于單次測量精度，利用拼接實現物體整體的重建很難保證高精度的重建效果，同時多次拼接降低測量的快速性，尤其對于大型物體面型的測量。為了消除重建后拼接的累積誤差，同時也為了加快測量速度，可用兩個或多個測量頭對被測物體從不同位置同時進行測量，這時便需要對多個測量頭之間的幾何參數進行標定，即對多個測量頭上的各個攝像機之間的幾何參數進行標定。目前傳統的多個測量頭的標定都是采用加工精度很高的立體靶標進行標定，立體靶標的大小需要與測量視場基本相當。對于大型被測物，體積大的高精度立體靶標存在加工難度大、費用高的缺點，所以多個結構光投影三維型面測量頭的測量技術未能在生產實際中廣泛應用。為解決這種大型物體測量問題，C. Reich提出的集成近景攝影測量與編碼結構光測量技術的曲面三維測量方法，該方法采用近景攝影獲得工件表面的全局標志點構建大型物體型面的骨架點模型，采用編碼結構光測量技術得到點云坐標，然后采用結構光投影三
3維型面測量頭從不同視角對物體面型依次進行局部密集掃描，再對掃描獲得的大型物面的局部點云進行基于骨架點模型的自動拼接，形成完整的工件模型。該方法能解決多視點云相鄰拼接無法解決的誤差累積問題，測量精度較高，而且測量方便經濟，能獲得大型復雜面型的完整的三維稠密點云。基于該種技術的商用系統已在國內外出現，如德國GOM公司的 TRTOP攝影測量系統和ATOS光柵掃描系統，以及國內的張德海、劉建偉等也實現了集成近景攝影測量與編碼結構光測量技術的大尺寸工業視覺測量系統。該方法成為大型復雜面型測量的主要三維光學測量方法。但是該方法的主要缺點是測量頭多次掃描大型物體型面的測量速度很慢，同時該方法仍然需要在被測物體表面粘帖人工標記，故其實際應用中存有很大的限制。目前，國內外有很多針對多攝像機的標定算法，但對攝像機位置的擺放都有一定要求。多數情況下，這些多攝像機之間都需要看到多個公共區域的特征點才能完成標定。而本發明要求多個測量頭遍布視場四周，分別測量物體的不同部分，因此攝像機所能看見的公共區域很少，常用的多攝像機標定算法中的標定物無法滿足本發明中多個結構光投影三維型面測量頭的標定要求。
發明內容
為了克服現有技術的不足和缺陷，本發明提出了一種多個結構光投影三維型面測量頭的標定技術，也將近景攝影測量與編碼結構光測量技術進行了集成，與C. Reich提出方法不同的是本發明中近景攝影測量技術不是用于測量區域的標記點重構，而是用于將未知幾何關系的標定物轉化為立體靶標，用于對多個測量頭的標定。多個測量頭經過標定， 就可以直接將多個測量頭從不同測量視角測得的三維點云統一到一個坐標系下，這樣無需拼接便能實現對物體整體的三維重建。該發明不僅縮短了對物體三維重建的時間，而且不用在被測物體上粘貼任何標記點，因此可滿足更多的工業需求。此外，該發明可以實現拼接難以完成的測量，如曲率較大的物體內外側及薄壁工件的整體重建等。由于多個結構光投影三維型面測量頭的標定技術需要設計一種適應于該多測量頭標定的立體靶標，但制作一個精確的立體靶標的成本比較高，適用性不強。因此，如何設計一套有效實用的集多個結構光投影三維型面測量頭為一體的測量系統，及如何設計制作簡便、經濟適用的標定物是本發明的核心內容。本發明公開了一種利用自制的多平面標定物對多個結構光投影三維型面測量頭進行外部幾何參數標定的算法，可實現把均勻擺放在被測物體周圍的多個測量頭所掃描的點云統一到一個坐標系下，完成對物體整體的快速三維重建。首先，本發明以張正友的平板標定算法為基礎，設計了具有多個平面的標定物。該標定物不需要直接加工為一個高精度的立體靶標，設計時只需保證各個平面的平整度，減少了靶標制作的難度和費用。本發明中，所設計的標定物需要至少具有與待標定的測量頭的個數相當的平面數，每個測量頭由與其正對的標定物相應的平面來標定。具體標定步驟如下。(1)將標定物轉化為立體靶標。標定物加工后，標定物各面之間的幾何參數關系未知。在標定物各個平面上粘貼各個標記點關系已知的標定圖案，通過近景拍照攝影測量算法計算各個平面坐標系之間的幾何參數(可以用旋轉平移矩陣表示)，將其升級為立體靶標。(2)標定單個測量頭。對于單個測量頭來說，要進行三維重建，首先需要對左右相機進行標定。可采用張正友平板標定算法，在多測量頭標定前，把標定物放入場景中，使每個靶標平面正對一個測量頭進行雙目視覺的平板標定。(3)多測量頭標定。進行多測量頭標定的目的是求得每個測量頭坐標系之間的幾何參數。測量頭坐標系可以建立在測量頭的左攝像機或者右攝像機坐標系上。通過將第一步中已經求得各平面旋轉平移關系的立體靶標放入場景中進行標定，以實現各測量頭坐標系的統一。(4)多視測量三維點云的融合。將各測量頭從不同視角測得的三維點云通過多測量頭標定求得的幾何參數統一轉換到一個坐標系下后，便達到了多測量頭對物體實現整體重建的目的。本發明利用多個結構光投影三維型面測量頭在物體周圍的不同位置對物體進行同時測量，通過自制設計的標定物實現對多個測量頭上各個攝像機坐標系的統一，無需拼接便能實現對物體的整體三維重建，避免了多次拼接帶來的誤差累積，提高了測量精度， 減少了測量時間。同時，亦能實現部分拼接難以完成的測量，如復雜面型物體的整體快速重建。此外，還避免了在物體上粘貼標記點，且能更好的完成物體細節的測量以及單個測量頭無法實現的高曲率物體的拼接等。本發明中立體靶標的實現是通過近景拍照攝影測量算法完成，與直接高精度加工的立體靶標相比節約了成本，且加工方便易實現。因此，本發明具有一定的實用價值。
具體實施例方式標定物和場景的設計
本發明針對不同數量光學測量頭的標定，分別設計了多個具有不同標定平面個數的多面體。例如針對兩測量頭、三測量頭及四測量頭的標定可以設計成分別至少具有兩個平面的平板標定物、三個平面的三角柱體標定物和四個平面的長方體標定物，如
圖1所示。標定物的大小則依據測量視場的大小而定。如圖1所示的測量場景中均是把測量頭均勻分布在立體標定物周圍，各光學測量頭擺放的方位需與標定物的各個標定平面正對。還可將各標定平面設計成與水平面成一定角度的標定物，以保證朝下傾斜的測量頭標定時能正對每個標定平面。另外，標定物的每個面上都粘貼有標志點，標志點可以設計圓心，也可以設計棋盤格，其中每個相鄰圓心或棋盤格每個相鄰角點的橫縱向距離為已知。標定平面上標定圖案的設計示例如圖2所示。標定物設計好之后，需通過近景攝影測量重建算法求解各個面上標志點的三維坐標，進而通過坐標系轉換求解標定物上每個平面坐標系之間的旋轉平移關系，將其升級為立體靶標。由于近景攝影測量重建能達到很高的精度，如美國GSI公司的V-STARS產品測量精度可以達到0. 005mm/m,因此利用該方法實現的的幾何參數亦能達到較高的精度，滿足立體靶標。算法流程如圖3所示。根據圖3所示的流程圖，現將具體的求解步驟歸納如下。(1)布置場景將標定物擺放在視場內，周圍擺放一定數量的編碼點，十字靶標和放置標桿，由此可知視場中的非編碼點即標定物上的標志點，如圖2中標定圖案的圓心或角點。編碼標志點作為相機定向的關鍵，非編碼點主要是用于測量，而已知的標桿長度用于恢復三維重建得到的三維場景結構與真實場景結構的比例系數。(2)相機自標定對手持拍照測量的相機進行自標定，利用分層自標定的方法，對標定物的一個標定平面、編碼標記、十字靶標和標桿拍攝至少3幅圖片。對圖像序列做射影標定，即根據圖像對應點得到射影重建，并計算出射影意義下的攝像機投影矩陣。然后進行仿射標定，即在所恢復的射影空間中，確定無窮遠平面的位置，把射影空間升級到仿射空間。最后在仿射重建的基礎上，進一步通過絕對二次曲線和相機內參數之間具有的約束關系，定出仿射參數(即無窮遠平而方程)和攝像機內參數，確定絕對二次曲線(面)像的方程并計算出內參數。最后用LM優化進行優化求精，完成相機內參數和畸變參數的最優估計。(3)拍攝圖片，畸變矯正。1)按照近景攝影測量的要求，圍繞標定物拍攝多張標定物和編碼點的圖片。要求圖像與圖像之間應該有至少5個編碼公共點，同一非編碼點至少在3幅圖像上成像。2)利用畸變參數對圖片進行畸變校正，然后提取圓心，區分編碼點和非編碼點。3)根據每個平面周圍的編碼點信息，把各個平面的非編碼點區分開。4)根據標定物上標志點的設計圖案，對各個平面的非編碼點進行排序編碼。(4)對每幅圖片進行相對定向和絕對定向，對標志點進行重建。1)利用標定物周圍的編碼點，對每幅圖片進行相對定向和絕對定向。相對定向指的是一個相機坐標系相對于另一個相機坐標系的幾何位置關系。而絕對定向指的是所有攝像機坐標系在一個統一的坐標系下的位置和方位信息。絕對定向的統一坐標系建立在拍攝第一張圖片時的攝像機坐標系下，簡稱第一攝像機坐標系，如圖4所示。2)利用定向結果和編碼結果，對標定物上的點進行重建，并通過步驟1)絕對定向得到的旋轉平移轉換矩陣將標定物上所有標志點的三維坐標轉換到第一攝像機坐標系。(5)求解標定物各個平面坐標系轉換關系。1)首先在標定物各個平面上建立坐標系，標定平面坐標系建立的示例如圖2所示，U坐標軸設在標定平面的左上角，軸線通過圖2中的縱向和橫向的圓心或角點。2 )由于在近景攝影測量重建算法中已算出每個標志點的三維坐標，又由于各個面的標志點之間的距離已知，因此，便可得到每個標志點在各平面坐標系中的三維坐標，因此就可以得到各個平面坐標系相對攝影測量坐標系的轉換矩陣，如式(1)所示。
權利要求
1.本專利是針對多個不同視角的結構光投影三維型面測量頭對待測物進行同時測量時所設計的一種多個結構光投影三維型面測量頭的標定技術，其特征在于所述方法包括如下步驟設計具有多個平面構成的立體標定物，標定物各面之間的幾何參數關系未知，利用近景攝影測量技術可以求得各平面的幾何參數關系，將標定物升級為一個立體靶標；根據被測物體的特征及測量要求，放入立體靶標，擺放好多個測量頭，使立體靶標的多個標定平面正對多個測量頭進行標定，根據已經求得的立體靶標各平面的幾何參數關系可以求得各測量頭坐標系之間的坐標轉換關系。
2.利用上述方法完成標定后，保持各測量頭相對位置不變，取出標定物，放入待測物體，待測物體及周圍無需粘貼人工標貼，每個測量頭單獨測量物體局部的點云，然后利用立體靶標對多個測量頭標定求得的各個測量頭坐標系之間的轉換關系，直接把各個測量頭所測得的點云統一到一個坐標系下，快速實現對物體全貌的三維重建。
全文摘要
一種多個結構光投影三維型面測量頭的標定技術發明公開了一種對多個不同方位的結構光投影三維型面測量頭進行標定的技術，可用于結構光投影的物體型面的快速無標貼測量，屬于光學測量技術領域。該發明只需設計具有多個標定圖案的平面的標定物，無需制作成高精度的各面幾何關系已知的立體靶標，通過近景攝影測量技術可求得標定物各平面之間的幾何參數，將其升級為了立體靶標，減少了直接加工和維護高精度立體靶標的難度。利用該技術能使多個結構光投影三維型面測量頭實現從不同視角的免標貼測量，自動實現不同方位掃描得到的點云統一到一個坐標系下，不僅有效的避免了拼接帶來的誤差累積，而且能縮短對物體全貌三維重建的時間。
文檔編號G01B11/245GK102364299SQ20111025185
公開日2012年2月29日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者劉桂華 申請人:劉先勇, 劉桂華, 劉欽, 牛丹華, 肖德勝