一種基于激光MEMS振鏡投影的彩色多線激光三維測量方法與流程
本發明屬于光學檢測領域，涉及一種三維輪廓的光學檢測方法，特別是一種基于激光MEMS振鏡投影的彩色多線激光三維輪廓測量方法。
背景技術：
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光學三維測量技術飛速發展，因其非接觸、精度高、速度快的優勢，被廣泛應用于工業檢測、醫療健康、數字娛樂等諸多領域。特別是在工業在線檢測領域，目前主要運用干涉測量法，立體視覺測量法，結構光測量法三類光學三維測量方法，其中：
1)干涉法精度達微米級別，對測量環境穩定性要求過高，但工業在線檢測車間現場噪聲難以避免，干擾測量；
2)立體視覺技術系統結構簡單，成本低。但存在著“匹配難”的瓶頸，而且運算量巨大，魯棒性差的缺點；
3)結構光測量法分為點結構光、線結構光及面結構光三類：其中點結構光及線結構光需對零件逐點或逐層掃描，效率低下，不能滿足高速度及實時性要求；面結構光易受物體表面反射干擾，穩定性較低。
線結構光測量法，是以一條或多條光線(光刀)圖像來重現物體三維形貌，即從光刀圖像中提取光刀中心位置，然后利用三角測量原理對光刀中心逐點進行求解，來獲得形面三維數據。該技術以其非接觸性、靈敏度高、實時性好、抗干擾能力強、對于金屬等高反表面同樣可以進行測量等優點，然而其缺點在于掃描需要運動機構配合降低了測量效率及精度；采用一條光刀測量時需要多次掃描，效率極低；采用多條光刀測量則存在光刀的識別和匹配問題。
技術實現要素：
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本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種基于微振鏡投影的彩色多線激光三維測量方法。該測量方法將攝像機與激光MEMS振鏡投影裝置和線結構光三維測量技術相結合，首先用計算機生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內，安裝一臺或多臺彩色相機，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調區分多條不同顏色編碼的線激光；對每條線激光分別提取線激光中心，根據投影裝置與攝像機之間的三角關系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動一個像素，重復上述過程提取線激光處物體三維坐標，直到線激光獲取整個物體表面的三維坐標。該方法的優勢在于：可以同時投影多條彩色線激光，在保證線激光之間互不干涉，保證精度的同時，極大縮短了測量時間，減少工作量。
本測量系統可實現彩色多線激光測量，在于其硬件優勢：采用激光微振鏡投影裝置。該投影裝置可橫向掃描式投影多條彩色線激光，替代了傳統線結構光測量系統中的單色激光器和機械位移結構；該投影裝置可以編程，按照編碼同時投影多條不同顏色的彩色線激光，利用彩色相機對其進行采集和識別，在保持線激光測量優點的同時，大幅縮短測量時間。
本發明的目的通過以下技術方案解決：
一種基于激光MEMS振鏡投影的柔性三維測量方法，將攝像機與激光MEMS振鏡投影裝置和線結構光三維測量技術相結合，首先用計算機生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內，安裝一臺或多臺彩色相機，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調區分多條不同顏色編碼的線激光；對每條線激光分別提取線激光中心，根據投影裝置與攝像機之間的三角關系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動一個像素，重復上述過程提取線激光處物體三維坐標，直到線激光獲取整個物體表面的三維坐標。
本發明有以下三點有益效果：
1)激光MEMS振鏡投影裝置單幀投影出多條彩色線激光，優于一般的非激光投影儀或者單色激光器，在保證精度的同時，避免逐層或逐點測量，提高測量速度；
2)對于彩色相機采集到的變形線激光圖案，利用色調對不同顏色編碼的線激光進行區分，避免了多條線激光之間的干擾；
3)二維尺寸測量與三維輪廓測量相結合，使單次可測量指標增多，便于測量具有空間曲率的物體且提高測量精度。
附圖說明：
圖1為雙相機立體視覺三維輪廓測量系統示意圖；
其中：1為左第一相機；2為激光MEMS振鏡投影裝置；3為右第二相機；4為被測物體。
圖2為雙相機立體視覺三維輪廓測量系統示意圖；
其中：5為攝像機；2為激光MEMS振鏡投影裝置；4為被測物體。
圖3為投影至檢測樣品的彩色線激光圖像；
其中，圖像垂直于線激光方向的像素總數為21；每次投影R,B,G,RG,RB,BG,RGB七種彩色線激光；經過3次投影遍歷所有投影像素點。
具體實施方式：
在被測物體正上方設置一臺激光MEMS振鏡投影裝置，在其兩側對稱放置兩臺有一定夾角的彩色相機。首先用計算機生成如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍三種顏色，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面；在與投影裝置光軸夾角為15到60度范圍內，安裝一臺或多臺彩色相機，拍攝被測物體上的變形線激光圖案，通過圖案的色調區分多條不同顏色編碼的線激光；對每條線激光分別提取線激光中心，根據投影裝置(或另一臺攝相機)與攝像機之間的三角關系，得到該組線激光位置處的物體表面三維坐標；利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動一個像素，重復上述過程提取線激光處物體三維坐標，直到線激光獲取整個物體表面的三維坐標。
以一臺激光MEMS振鏡投影裝置和兩臺彩色攝像機為例，如圖1所示，具體實施方案如下步驟進行：
第一步，標定左第一攝像機與右第二攝像機組合成的雙目立體視覺系統內外參數(相機有效焦距、光心、像元間距、兩相機坐標系間平移矩陣和旋轉矩陣)；
第二步，用計算機生成包含不同顏色編碼的彩色線激光圖案，利用激光MEMS振鏡投影裝置將圖案投影到被測物體表面，一臺(或兩臺)相機拍攝被測物；
第三步，利用第一步標定得到的雙目立體視覺系統內外參數，對相機采集到的圖片(或投影儀投射的彩色線激光圖案)進行極線校正；
第四步，通過校正后的圖片上每個點R,G,B三個彩色通道的灰度值計算出每個點的色調，根據圖像中每個像素點的色調的不同，對圖像中的多條彩色線結構光進行分離；
第五步，將左右相機分離出的相同色調的彩色線激光進行圖像處理提取光刀中心，求視差，從而計算光刀覆蓋區域的高度信息；
第六步，利用投影裝置使該組線激光在物體表面每次移動一個像素，重復上述過程提取線激光處物體三維坐標，直到線激光獲取整個物體表面的三維坐標。
所述第一步所采用的標定左第一攝像機與右第二攝像機重合視場的XY方向位置關系的方法如下：
標定左第一攝像機與右第二攝像機內外參數(相機有效焦距、光心、像元間距、兩相機坐標系間平移矩陣和旋轉矩陣)方法如下：
該標定為雙相機系統標定，要知道每個相機的內參，同時還要知道兩個相機坐標系之間的位置關系，這種位置關系可以用第二個相機在第一個相機之間的位姿表示也可以認為是第二個相機坐標系中的某點的坐標到第一個相機坐標系中相對應點的坐標轉換：
Pc1＝RrPc2+Tr
同時，定義兩個投影中心之間的平移為平移向量Tr,被稱作基線；世界坐標系中的一點PW投影為第一個圖像中的P1點與第二個圖像中的P2點；暫時假設鏡頭沒有畸變，PW、O1、O2、P1、P2在同一平面上；雙相機系統標定中，以空間點投影到左右兩個相機的圖像上的投影像素坐標與相機拍攝到的真實圖像坐標距離最小為優化目標；Mi表示標定板上一個標志點，將一個相機拍攝到的標定圖像看作是第一組，其中標志點Mi在圖像上表示為mi,j,1；將二個相機拍攝到的標定圖像看作是第二組，其中標志點Mi在圖像上表示為mi,j,2；另外相機參數也用向量c表示，它包含兩個相機的內參，l個標定板在第二個相機中的位置參數，以及兩個相機之間的相對位姿；當相機參數向量c確定時，雙目系統的成像模型，以及重建的三角關系就確定了，也就確定了Mi到第一幅和第二幅圖像的映射π1(Mi,c)和π2(Mi,c)；因此雙目立體視覺系統標定的目標函數是：
從而求出最優解的c,也就是我們需要的標定結果，包括兩個相機的內參c＝(f1,κ1,sx1,sy1,cx1,cy1,f2,κ2,sx2,sy2,cx2,cy2)和右相機坐標系在左相機坐標系中的位姿[Rr,Tr]。
所述第二步中所采用的不同顏色編碼的彩色線激光圖案，由計算機生成，如下顏色編碼或其中任一組合的彩色線激光圖案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分別代表灰度值為255的紅綠藍三種顏色。設選取的的彩色線激光一共有k種，投影裝置靶面垂直于線激光方向的像素點數為M(像素)，則相鄰兩條彩色線激光之間的間隔N(像素)＝M/k(像素)。以圖3為例，所示圖像為M＝21，k＝7時的情況，相鄰兩條彩色線激光之間的間隔N＝3，所以一共需要三次投影才能完成掃描過程。
所述第四步中，設彩色相機采集到的變形線激光的紅、綠、藍三個通道灰度值分別為R、G、B，色調H的計算方法為：
num＝0.5*(R-G)+(R-B))；
theta＝acos(num./(den+eps))；(eps--表示大于零的最小正單精度浮點值)
H＝H/(2π)；
所述第五步所采用的光刀中心的提取方法如下：
采用閾值法提取整幅圖中所有光刀骨架，然后求取骨架上每一像素點的法線方向，具體為沿著骨架上的像素點進行曲線擬合，曲線擬合的方法為取10個象素點利用y＝ax2+bx+c進行二階擬合，設(x0，y0)為像素點的坐標，則(x0，y0)點的斜率為t＝2ax0+b，如果t＝0，則加權平均方向為y方向，如果t≠0，則(x0，y0)點的法線斜率為n＝-1/t，加權平均方向為法線方向；計算出圖像的骨架上各點的法線方向后,求取光刀在其法線方向上的灰度分布；最后利用灰度重心法求出該光刀的重心位置,即為被測物體在該處的輪廓點位置,將這些輪廓點連接起來就形成了截面的輪廓線。
本方法也可以采用一臺激光MEMS振鏡投影系統和一臺彩色攝像機實施，如圖2所示，只需要將上述方案的第一步修改為：標定攝像機與投影裝置組合成的雙目立體視覺系統內外參數(相機有效焦距、光心、像元間距、畸變系數等，投影裝置有效焦距、光心、相元間距、畸變系數等，相機與投影裝置坐標系間平移矩陣和旋轉矩陣)。其他步驟與上述方案一致，右相機采集到的圖片由投影裝置投射的原始圖案代替。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員,在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發明技術方案的范圍內。
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