大型物體三維形狀測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種大型物體的三維測量技術，具體涉及一種大型物體三維形狀測量 系統及其測量方法。
【背景技術】
[0002] 目前，三維測量技術主要包括接觸式測量及非接觸式測量兩類。工業生產中，有些 大型工件只能采用非接觸式三維測量技術，如船舶曲面鋼板。非接觸式三維測量技術包括 兩類：視覺照相三維測量、激光三維測量。照相三維測量系統具有測量速度快、測量密度高 的優點。激光測量系統具有測量精度高的優點，但在測量大型目標時，激光掃描速度較慢， 無法達到工業生產中的實時性要求。
[0003] 視覺測量主要可分為：被動測量和主動測量兩種方法。被動測量方法通過探測物 體表面發出或反射的光線實現三維測量。然而該方法需要物體表面有豐富的紋理結構，因 此，很難將其應用到工業生產中。主動測量通過機械的或光輻射的方式接觸被測物體，現 有的很多主動測量方法通過向被測物體投射特定的結構光的方式，測量物體三維形狀。與 被動測量方法相比，主動測量更適合工業生產，因為它們更加穩定，并能獲取更加稠密的數 據。
[0004] 主動測量方法大概可以分為兩類：time-of-flight(TOF)激光測量和結構光測 量。T0F激光測量方法通過計算光的飛行時間獲取物體的三維形狀。結構光測量是通過投 影儀將編碼的光投影在被測物體上，同時相機捕獲重建這些場景。使用T0F相機可以實時 地獲取稠密的三維數據。但是T0F相機分辨率太低，并且在深度圖中的隨機噪聲太大，因此 獲取的三維數據質量不高。所以，相對來講，結構光測量更能滿足工業生產對精度的要求。
[0005] 通常無法一次完成對大型物體的測量，需要先局部測量，然后進行拼接。拼接方法 可以分為三類：基于表面幾何形狀的方法、基于標記跟蹤的方法和貼標簽的方法。基于表面 幾何形狀的方法，需要被測場景有復雜的表面幾何形狀，但實際生產中，很多物體表面并沒 有復雜的表面幾何形狀，如船舶鋼板；基于跟蹤的方法在三維掃描儀上放置反光標記，利用 立體跟蹤器跟蹤標記的位置，實現拼接。但是在跟蹤器和三維掃描儀之間距離變大時，立體 跟蹤器將不能清晰地捕獲標記，因此，測量精度很難保證；貼標簽的方法，需要在被測物體 表面放置基準標簽，根據標簽實現拼接，所以在實際生產中，實施起來很不方便。
【發明內容】
[0006] 發明目的：本發明的目的在于解決現有技術中存在的不足，提供一種大型物體三 維形狀測量系統及其測量方法。
[0007] 技術方案：本發明所述的一種大型物體三維形狀測量系統，包括服務器、三維掃描 儀、激光測距儀和滑動導軌，所述滑動導軌的一端固定有激光標靶，滑動導軌的軌道上設有 可沿軌道滑動的機器手，所述機器手包括立于滑動導軌的支撐柱和連接于支撐柱的橫桿， 支撐柱可沿豎直方向伸縮，橫桿可沿水平方向伸縮，在支撐柱和橫桿之間安裝有軸承，使得 支撐柱與橫桿之間可以旋轉以適應不同的測量需求，支撐柱上安裝有與激光標靶相對應的 激光測距儀，橫桿上固定有三維掃描儀；所述三維掃描儀包括第一立體視覺系統、第二立體 視覺系統和投影儀，第一立體視覺系統和第二立體視覺系統并排固定于機器手橫桿，且兩 個立體視覺系統中均設有兩個工業相機，投影儀設置于第一立體視覺系統和第二立體視覺 系統中間且固定于橫桿；所述服務器分別與激光測距儀和三維掃描儀進行通信傳輸。
[0008] 進一步的，所述服務器與激光測距儀之間通過RS232串口連接，服務器與四個工 業相機之間通過千兆網進行通信傳輸，服務器與投影儀之間通過USB線進行數據傳輸。
[0009] 進一步的，所述三維掃描儀的工作距離為2~3m(例如可以是2. 5m)，測量范圍約 2.lmX1. 3m;其中，相機的像素至少為500萬像素，第一視覺系統和第二視覺系統的分辨率 均為1000X750,測量精度為0. 2 - 0. 3mm/m;所述激光測距儀的測量精度為lmm/10m。
[0010] 本發明還公開了一種大型物體三維形狀測量系統的測量方法，包括以下步驟：
[0011] (1)在第一立體視覺系統和第二立體視覺系統之間放置一個標定板，服務器標定 各個立體視覺系統；
[0012] (2)步驟（1)完成后，再將上述標定板放置于滑動導軌一側，服務器對激光測距儀 進行標定；
[0013] (3)投影儀向被測物體投射結構光，四臺工業相機獲取被測物體的局部結構光投 影圖像，并通過千兆網傳輸到服務器；激光測距儀測量其自身與激光標靶之間的距離，并通 過RS232接口傳輸給服務器；
[0014] (4)服務器采用結構光方法，根據兩套立體視覺系統拍攝的被測物體的結構光投 影圖像信息，分別得到其相應的兩部分局部三維數據；然后根據步驟（1)中兩套立體視覺 系統所標定的坐標變換參數，獲得本次測量的被測物體的局部三維測量數據；
[0015] (5)根據激光測距儀與激光標靶之間的距離變化，計算三維掃描儀的姿態，即計算 該三維掃描儀在測量過程中的空間位置；然后根據步驟（2)中對激光測距儀的標定，拼接 局部三維數據；
[0016] (6)推動機器手在滑動導軌上沿直線向前移動到下一個相鄰被測區域，重復上述 步驟（3)和步驟（4)來測量被測物體的下一個局部數據。
[0017] (7)重復步驟⑷~（6)，直到整個物體測量結束，得到物體完整的三維測量數據。
[0018] 進一步的，所述步驟（1)中第一立體視覺系統和第二立體視覺系統之間具有公共 視野區，每一套立體視覺系統均能看到標定板的一半，假定標定板有mXn個方格，每個方 格邊長都是dg毫米，1彡k彡m，1彡1彡n;
[0019] 首先定位兩套立體視覺系統中標定板的mXn個格子的所有角點，根據可見部分 估計不可見部分，具體過程為：
[0020] (11)假設句)和Gf是第一立體視覺系統中兩個工業相機分別定位的格 子，d= (X丨/尤^丨^表示對應的三維角點；
[0021] (12)采用Harris角點檢測算法，檢測標定板圖像中可見的#和Gf，并采用三角 測量方法計算相應的#的三維角點；
[0022] (13)假設某直線上有7個可見角點K，1G{1，2, ...，7}已經被定位，根據尸2，
[0023] 用最小二乘法擬合一條線L，L可用公式（1)表示：
(1)
[0024] 其中：(m, n, v)% L的法向量，t表示L的參數；
[0025] (14)估算L上P/7鄰近的不可見角點P/8 :用公式⑵表示砥和硙之間的距離：
[0026]
(2)
[0027] 公式⑵可也用公式⑶描述：
[0028]
(3)
[0029] 根據L的參數函數，可以用公式⑷描述砥
[0030]
[0031] 根據公式⑶和（4)，公式（3)可以重寫成公式（5):
[0032]
[0033] 根據公式（5)可獲得t的兩個值，如公式（6)、（7)所示：
[0036]根據公式（4)、t1和t2,最后得到與P/7相鄰的兩個點：和#6;[0037] (15)重復上述步驟，可獲得該直線上所有不可見角點、相應的#以及第二立體視
[0034]
[0035] 覺系統中所有角點集合校（獲得方法與4的獲得方法獲得）；其中，4和拉兩個點集在 同一平面，最后標定兩套立體視覺系統（可以采用Walkerl991提出的DualQuaternions 方法）。
[0038] 進一步的，所述步驟（2)中，對激光測距儀進行標定，即獲得測量時三維掃描儀的 移動方向及歸一化的平移向量，具體步驟如下：
[0039] (21)把標定板放在第一立體視覺系統能看到的地方，并將第一立體視覺系統的兩 個相機中離支撐柱最近的工業相機作為第1個相機，把第1個工業相機的光學中心作為三 維掃描儀的坐標系原點，因此只需知道立體視覺系統1的移動方向，而不需考慮第二立體 視覺系統；
[0040] (22)假設在時刻，第一立體視覺系統測量了標定板的一部分，利用激光測距儀 記錄當前的位置d1;第一立體視覺系統向前移動，在12時刻，測量另外一部分，同樣利用激 光測距儀記錄當前的位置d2;
[0041] (23)采用與步驟（1)同樣的方法來計算&和12時刻三維掃描儀中第一立體視覺 系統的坐標轉換，假設坐標變換用旋轉矩陣R和平移向量T表示：
[0042]
[0043]
[0044] 三維掃描儀跟著機器手沿直線滑動導軌向前移動，沒有旋轉，因此，相鄰兩次測量 的三維掃描儀移動方向R是相同的；h時刻與12時刻三維掃描儀的移動距離為d=屯-屯， 判斷公式（10)是否成立，若不成立轉至步驟（22)重新標定；
[0045]
(1〇)
[0046] 進一步的，所述步驟（5)的具體過程如下：
[0047] (51)三維掃描儀沿直線移動測量不同的局部區域，在絕對移動距離和平移向量之 間存在一個比例關系，根據公式（11)獲得當前局部測量的平移向量1\，其中d12是利用激光 測距儀測量的三維掃描儀平移距離：
[0048]
(11)
[0049]