一種組合點(diǎn)群高精度三維信息視覺測(cè)量方法與流程

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種組合點(diǎn)群自動(dòng)快速高精度的三維信息測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

空間點(diǎn)三維信息的測(cè)量方法在機(jī)器視覺中有著十分重要的地位，大多數(shù)情況下，空間點(diǎn)三維信息是進(jìn)行視覺測(cè)量的最終目的。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，這使得空間點(diǎn)三維信息的測(cè)量方法必須滿足更寬泛的需求，在測(cè)量速度以及準(zhǔn)確度上都提出了比較苛刻的要求。測(cè)量過程越來越多的要求在線進(jìn)行，待測(cè)物體表面空間點(diǎn)的測(cè)量速度和精確度將直接影響其制造效率以及制造質(zhì)量。待測(cè)物體表面形狀的復(fù)雜程度也在加大，對(duì)其測(cè)量難度加大，現(xiàn)有的測(cè)量方法有時(shí)無法滿足高精度的測(cè)量要求。在目前情況下，如何合理設(shè)計(jì)測(cè)量方法并快速高精度地獲取空間點(diǎn)的三維信息是目前的主要難題和研究的主要方向。

羅世民等人2006年在計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)期刊第27卷第19期發(fā)表的《雙目視覺測(cè)量中三維坐標(biāo)的求取方法研究》中使用雙目視覺原理求取物體三維空間點(diǎn)的坐標(biāo)，再利用異面直線公垂線中點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，這種方法雖然可以一定程度上的提高測(cè)量精度，但是其測(cè)量過程針對(duì)單個(gè)空間點(diǎn)，且優(yōu)化方法的精度無法保證，測(cè)量效率較低。姜軍等人2012年在計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制期刊第20卷第2期發(fā)表的《雙目立體全景視覺傳感器的三維測(cè)量精度的研究》中通過攝像機(jī)的標(biāo)定獲取該點(diǎn)在空間中的方位信息，再聯(lián)合基線距建立三角計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)物點(diǎn)深度信息的可計(jì)算，這種測(cè)量方法的測(cè)量精度與基線距離和測(cè)量距離等有關(guān)，無法保證測(cè)量精度的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種利用雙目視覺測(cè)量方法與組合點(diǎn)群空間位置關(guān)系相對(duì)不變的方法相結(jié)合的組合點(diǎn)群空間三維信息高精度測(cè)量方法。采用投影儀投影組合點(diǎn)群至待測(cè)物體表面，根據(jù)雙目視覺原理以及各投影點(diǎn)與投影中心連線生成的投影線間的空間夾角不變的特點(diǎn)對(duì)投影儀的投影點(diǎn)群進(jìn)行精測(cè)量，快速高精度的獲得組合點(diǎn)群中所有投影點(diǎn)的空間三維信息。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種組合點(diǎn)群高精度三維信息視覺測(cè)量方法，測(cè)量方法中，由投影儀投影經(jīng)過標(biāo)定的多個(gè)點(diǎn)到待測(cè)物體表面形成組合點(diǎn)群，利用雙目視覺測(cè)量方法與被測(cè)物上投影的組合點(diǎn)群空間位置關(guān)系相對(duì)不變相結(jié)合的方法進(jìn)行三維精確測(cè)量；該方法通過對(duì)投影點(diǎn)群的移動(dòng)，形成對(duì)待測(cè)物體表面的掃描，經(jīng)過對(duì)組合點(diǎn)群空間三維信息粗測(cè)量和優(yōu)化得到高精度的空間三維信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體整個(gè)表面的三維信息精確測(cè)量；測(cè)量方法的具體步驟如下：

第一步、組合點(diǎn)群空間三維信息粗測(cè)量

采用雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)，首先以精密加工的靶標(biāo)板對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；該方法是以張正友等人提出的基于二維平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法為基礎(chǔ)，并針對(duì)測(cè)量過程中相對(duì)距離高精度的測(cè)量要求，以雙目測(cè)量系統(tǒng)空間點(diǎn)的重建精度作為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙目系統(tǒng)在較大視場(chǎng)下的高精度標(biāo)定；固定系統(tǒng)中的兩個(gè)攝像機(jī)，使其對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)板，對(duì)靶標(biāo)板進(jìn)行圖像采集后，根據(jù)采集的靶標(biāo)板的圖像采用張氏標(biāo)定方法標(biāo)定出兩相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；

其中，s為比例因子，u、v為相面坐標(biāo)，X_w、Y_w、Z_w是世界坐標(biāo)，α_x、α_y、u₀、v₀為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，分別代表u軸尺度因子、v軸尺度因子、相面中心u軸坐標(biāo)、相面中心v軸坐標(biāo)；R為旋轉(zhuǎn)矩陣、t為平移矩陣，它們是攝像機(jī)的外參數(shù)。

事先制作用好于投影的組合點(diǎn)群圖片，圖片由不同顏色的點(diǎn)組成用于測(cè)量的組合點(diǎn)群，顏色不同是用于區(qū)別組合點(diǎn)群中的每個(gè)不同的點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)定；標(biāo)定完成后，兩個(gè)攝像機(jī)位置固定不動(dòng)，投影儀將帶組合點(diǎn)群的圖片投影到待測(cè)物體表面，兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)組合點(diǎn)群進(jìn)行圖像采集，通過對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理，利用雙目視覺測(cè)量公式得出雙目視覺測(cè)量結(jié)果，即組合點(diǎn)群的初始三維坐標(biāo)；雙目視覺測(cè)量公式如下：

其中：(u_il,v_il)為圖像在左攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，(u_ir,v_ir)為圖像在右攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，其中a_xl為左攝像機(jī)u軸上的尺度因子，a_yl為左攝像機(jī)v軸上的尺度因子，a_xr為右攝像機(jī)u軸上的尺度因子，a_yr為右攝像機(jī)v軸上的尺度因子，(u_0l,v_0l)為左攝像機(jī)光軸與圖像平面交點(diǎn)的像素坐標(biāo)，其中R_l為左攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣，t_l為左攝像機(jī)平移矩陣，(u_0r,v_0r)為右攝像機(jī)光軸與圖像平面交點(diǎn)的像素坐標(biāo)，其中R_t為右攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣，t_r為右攝像機(jī)平移矩陣，以上參數(shù)都與攝像機(jī)的標(biāo)定有關(guān)，標(biāo)定過程完成，則以上參量即確定，且只要攝像機(jī)不動(dòng)，以上參數(shù)就不變，s是尺度因子，n為投影的組合點(diǎn)群的點(diǎn)數(shù)，(x_i,y_i,z_i)為利用雙目視覺測(cè)量原理獲得的組合點(diǎn)群中任意空間點(diǎn)A_i的三維坐標(biāo)。由此得到的空間三維信息沒有考慮投影線之間的空間相對(duì)關(guān)系，測(cè)量結(jié)果精度無法保證，所以需通過優(yōu)化得到組合點(diǎn)群的高精度空間三維信息。

第二步、組合點(diǎn)群空間三維信息精測(cè)量

組合點(diǎn)群圖片由投影儀投影至待測(cè)物體表面后，其投影圖片中組合點(diǎn)群中每一投影點(diǎn)的投射中心都為投影儀的原點(diǎn)O，投影點(diǎn)與投影儀原點(diǎn)的連線為該投影點(diǎn)的投影直線，設(shè)投影儀同時(shí)投影出n個(gè)不同顏色的點(diǎn)；通過第一步已經(jīng)求出組合點(diǎn)群中每一點(diǎn)的初始空間三維信息，通過對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化得到高精度的空間三維信息。

優(yōu)化約束包括兩部分：一部分投影到被測(cè)物表面的組合點(diǎn)群中每?jī)蓷l投影直線之間的相對(duì)空間角度位置關(guān)系不變，另一部分在雙目視覺系統(tǒng)的兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系中，組合點(diǎn)群中每點(diǎn)測(cè)得的三維坐標(biāo)在攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)與已知的攝像機(jī)坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)之差最?。煌ㄟ^以上的優(yōu)化約束，對(duì)于第一步求得的組合點(diǎn)群中所有投影點(diǎn)的初始三維信息逐一進(jìn)行優(yōu)化，要求最終獲得的組合點(diǎn)群中每一點(diǎn)的空間點(diǎn)三維信息(x_i,y_i,z_i)都同時(shí)滿足以上優(yōu)化條件。由以上約束條件得到的約束函數(shù)包括兩部分：第一部分是由三個(gè)目標(biāo)函數(shù)組成的方程組，第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算測(cè)得的待測(cè)點(diǎn)i處投影直線向量與組合點(diǎn)群中其他點(diǎn)投影直線向量的夾角和事先已知的其間的投影向量空間夾角之差，第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算測(cè)得的待測(cè)點(diǎn)i處的空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為雙目系統(tǒng)中左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)和已知的其在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)之差，第三個(gè)目標(biāo)函數(shù)為計(jì)算測(cè)得的待測(cè)點(diǎn)i處的空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為雙目系統(tǒng)中右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)和已知的其在右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)之差，第二部分是要求最終得到的待測(cè)點(diǎn)i處的空間三維信息(x_i,y_i,z_i)同時(shí)滿足使第一部分的三個(gè)方程的值最小。

其具體的優(yōu)化公式如下：

利用LM優(yōu)化方法，優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成求解M最小值問題，求解滿足使M值最小的空間點(diǎn)三維坐標(biāo)優(yōu)化結(jié)果(x_i,y_i,z_i)；其中為組合點(diǎn)群中的任意一投影點(diǎn)A_i與投影儀原點(diǎn)O形成的向量，是除待測(cè)點(diǎn)A_i以外的任意投影點(diǎn)A_j與投影儀原點(diǎn)O形成的向量，α_ij為已知的與向量的夾角；H₁為求得的組合點(diǎn)群中待測(cè)投影向量與其他任意投影向量間的空間夾角與事先已知的其間夾角之差，H₂為待測(cè)點(diǎn)求得的空間坐標(biāo)與已知雙目系統(tǒng)中左側(cè)攝像機(jī)中坐標(biāo)之差，H₃為待測(cè)點(diǎn)求得的空間坐標(biāo)與已知雙目系統(tǒng)中右側(cè)攝像機(jī)中坐標(biāo)之差，M為最終的優(yōu)化目標(biāo)，求解同時(shí)滿足公式(4)中每個(gè)方程都求取最小值。通過以上的優(yōu)化過程，精確求解出使優(yōu)化目標(biāo)最小值的組合點(diǎn)群中所有點(diǎn)的三維信息。

再沿待測(cè)物體表面通過對(duì)投影點(diǎn)群的移動(dòng)，形成對(duì)待測(cè)物體表面的掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體整個(gè)表面的三維信息精確測(cè)量。

本發(fā)明的有益效果是通過對(duì)投影點(diǎn)群的移動(dòng)，形成對(duì)待測(cè)物體表面的掃描，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體整個(gè)表面的三維信息測(cè)量。本專利的測(cè)量方法測(cè)量效率高，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可適用于多種表面的測(cè)量，普遍性高。

附圖說明

圖1為組合點(diǎn)群測(cè)量原理圖。A_i為組合點(diǎn)群中任意一點(diǎn)，設(shè)組合點(diǎn)群共有n個(gè)點(diǎn)，i＝1～n。A_j為除了待測(cè)點(diǎn)A_i以外的任意一點(diǎn)，j＝1～n，為待測(cè)點(diǎn)A_i與投影儀原點(diǎn)O組成的向量，為A_j點(diǎn)與投影儀原點(diǎn)O組成的向量，α_ij為與的夾角。

圖2為組合點(diǎn)群測(cè)量過程流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。附圖1為組合點(diǎn)群測(cè)量原理圖。通過投影儀將本組合點(diǎn)群投影于待測(cè)物體表面，配置相機(jī)及其附屬光源等設(shè)備，調(diào)整焦距視角等使投影點(diǎn)清晰可見，對(duì)組合點(diǎn)群進(jìn)行圖像采集。

附圖2為組合點(diǎn)群測(cè)量過程流程圖，測(cè)量方法整個(gè)測(cè)量過程分為組合點(diǎn)群空間三維信息的粗測(cè)量和組合點(diǎn)群空間三維信息精測(cè)量?jī)蓚€(gè)步驟。

第一步、組合點(diǎn)群空間三維信息粗測(cè)量

雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)采用兩個(gè)攝像機(jī)，其中兩個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定完成后位置固定不可移動(dòng)，如變化則需要重新標(biāo)定才能進(jìn)行測(cè)量。首先固定兩攝像機(jī)位置，使兩攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)板。然后在移動(dòng)靶標(biāo)板的同時(shí)，控制兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)對(duì)靶標(biāo)板進(jìn)行連續(xù)的圖像采集，獲取靶標(biāo)板的清晰圖像。然后對(duì)采集的靶標(biāo)板圖像進(jìn)行一系列的圖像處理過程，最終通過公式(1)得到使優(yōu)化目標(biāo)最小的標(biāo)定板各角點(diǎn)的重建坐標(biāo)可得到雙目相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，如下：

左相機(jī)的比例因子s_l＝1，攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)α_xl＝868.66、α_yl＝868.56、u_0l＝512.66、v_0l＝520.56，為旋轉(zhuǎn)矩陣、t_l＝[-200.946 60.214 760.24]為平移矩陣，它們是攝像機(jī)的外參數(shù)。

右相機(jī)的比例因子s_r＝1，攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)α_xr＝854.23、α_yl＝854.21、u_0l＝513.16、v_0l＝523.46，為旋轉(zhuǎn)矩陣、t_l＝[-100.321 30.214 440.21]為平移矩陣，它們是攝像機(jī)的外參數(shù)。

雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定完成后，就已知了兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)M₁與外參數(shù)M₂，進(jìn)入粗測(cè)量過程，投影儀將含有組合點(diǎn)群的圖片投影到待測(cè)物體表面，控制兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)采集組合點(diǎn)群圖像，根據(jù)公式(3)和(4)，其中投影的組合點(diǎn)群的點(diǎn)數(shù)n＝3，a_x＝1，a_y＝1，通過對(duì)獲取的組合點(diǎn)群的圖像進(jìn)行處理，已知圖像在左攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)(u_il,v_il)為(30.21,120.21)，(60.24,165.32)，(75.26,90.56)，圖像在右攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)(u_ir,v_ir)為(56.32,116.11)，(35.21,142.36)，(65.12,65.21)，將以上已知參數(shù)帶入到公式(3)和公式(4)中，最終獲得組合點(diǎn)群中每一點(diǎn)的粗測(cè)量結(jié)果分別為A₁(123.21,23.43,234.76)，A₂(156.32,58.34,289.54)，A₃(68.54,87.12,31.51)。

由此得到的三維信息沒有考慮投射點(diǎn)之間的相對(duì)空間位置關(guān)系，使測(cè)量結(jié)果精度無法保證，所以需通過優(yōu)化得到組合點(diǎn)群的高精度三維信息。

第二步、組合點(diǎn)群空間三維信息精測(cè)量

帶有組合點(diǎn)群的圖片由投影儀投影至待測(cè)物體表面，其投射中心為投影儀的原點(diǎn)O，待測(cè)投影點(diǎn)與投影儀原點(diǎn)的連線為該點(diǎn)的投影直線，設(shè)投影儀同時(shí)投影出n個(gè)點(diǎn)，取n＝3。公式(5)中已知空間中每一點(diǎn)i的投影向量與其他任意投影向量的夾角α_ij，其中α₁₂＝α₂₁＝30°，α₁₃＝α₃₁＝30°，α₂₃＝α₃₂＝30°，且(u_il,v_il)和(u_ir,v_ir)不變，將以上已知參數(shù)帶入優(yōu)化公式(4)和(5)中，求得滿足使目標(biāo)函數(shù)值最小的最終待測(cè)組合點(diǎn)群中的每一點(diǎn)A_i的三維坐標(biāo)分別為A₁(123.31,24.67,234.46)，A₂(156.32,58.34,289.54)，A₃(68.14,87.72,32.11)。

最終精測(cè)量的結(jié)果，第一滿足了對(duì)雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化，將測(cè)得的結(jié)果反推出其在雙目系統(tǒng)中左右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，將反推得到的像素坐標(biāo)與已知的從圖像處理中得到的像素坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，尋找最小值進(jìn)行優(yōu)化；第二滿足了利用組合點(diǎn)群中點(diǎn)與點(diǎn)之間的空間相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，將測(cè)得的投影直線間的空間角度關(guān)系與制作組合點(diǎn)群時(shí)就已知的投影直線間的空間角度關(guān)系進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化。這種測(cè)量方法相對(duì)于僅依靠傳統(tǒng)雙目視覺測(cè)量原理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換更加可靠。

本發(fā)明通過投影儀將組合點(diǎn)群投影到待測(cè)物體表面，利用雙目視覺原理與空間點(diǎn)位置關(guān)系固定來高精度同時(shí)獲取點(diǎn)群的三維信息。并且通過對(duì)投影點(diǎn)群的移動(dòng)，形成對(duì)待測(cè)物體表面的掃描，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體整個(gè)表面的三維信息測(cè)量。這種測(cè)量方式相對(duì)于傳統(tǒng)的只基于雙目視覺原理方法測(cè)得的空間點(diǎn)的三維信息更加準(zhǔn)確高精度，且通過掃描的方式可以提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體表面三維信息的快速高精度測(cè)量。