CN101329174A - 全场视觉自扫描测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全场视觉自扫描测量装置，它包括坐落在基座上的CCD摄像机、线结构光发生器和振镜装置，三者都被固定在作为参考平面的钢板上；线结构光发生器与振镜装置正对，且其发出的线结构光平面完全穿过振镜装置中的振镜的转轴；振镜的转轴垂直于钢板参考平面。测量方法是首先利用靶标对该装置进行标定，然后将标定得到的参数和已知的振镜转动当前位置以及图像信息代入变换公式I和II得到被测点的三维世界坐标；随着振镜的转动，反射光面扫过被测物体并与被测物体相交得到一条条的光条，所有这些光条上的点在世界坐标系中的三维坐标就反映被测物体的全部三维信息，实现了大尺寸物体高精度全场视觉自扫描测量，而且测量精度高、便携性好。

Description

全场视觉自扫描测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量物体三维形貌的仪器，具体说是一种全场视觉自扫描测量装置，其属于光机电一体化技术领域。

背景技术

在目前测量物体三维形貌的装置和方法中，非接触的激光测量方法已逐渐成为主流。在非接触测量方法中，广泛采用的方法主要有两类：线结构光传感器与三坐标测量机(三坐标机)一类的外部驱动机构相结合的测量方法、光栅投影测量方法。其中，线结构光传感器与三坐标机一类的外部驱动机构相结合的测量方法利用三坐标机一类的外部驱动机构驱动线结构光传感器在其运动范围内运动，使线结构光光平面扫描被测物体的整个表面，这种方法能达到很高的测量精度，可以测量复杂的物体表面，但是由于受到三坐标机一类的外部驱动机构运动范围的限制，不能测量大尺寸物体，而且体积大、便携性差；而光栅投影测量方法是将光栅图样投影在被测物体表面上，由变形的光栅图像的形变量与高度的关系来确定被测物体的三维信息，这种方法一次光栅图样投影可以测量被测物体的一小部分表面，分别测量被测物体的各个小部分而得到若干小数据块，再利用现有的数据拼合技术将小块数据拼合得到整个被测物体的测量数据，这种方法因为没有测量范围限制，所以能测量大尺寸物体，但是由于每一部分的测量数据是由两到三幅光栅图像的信息计算得到的，因此精度不高，仅能测量简单的物体表面。可见，目前尚存的上述两种方法显然不能兼顾大尺寸物体的测量和高精度，以及良好的便携性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种全场视觉自扫描测量装置。该测量装置不仅能测量大尺寸物体，而且测量精度高、便携性好。克服了现有的非接触激光测量装置不能测量大尺寸物体、精度低、便携性差的不足。

本发明的测量装置是由坐落在基座上的CCD摄像机(以下简称摄像机)、线结构光发生器和振镜装置三部分组成，该三部分都被固定在作为参考平面的不锈钢板上；线结构光发生器与振镜装置正对，且其发出的线结构光光平面(以下简称光面)完全穿过振镜装置中的振镜的转轴(以下简称转轴)，线结构光发生器距离转轴30mm；转轴和摄像机的光轴之间的距离是300mm；转轴垂直于不锈钢板参考平面。

所述的振镜装置，其由振镜和振镜驱动器组成，其振镜驱动器是DA输出卡，该DA输出卡的输出电压与振镜转轴转动的角度是成比例的，比例系数已知，因此只要控制DA输出卡每次输出已知的固定电压值，就可以使振镜每次转过相同的已知角度Δα。

本发明的测量方法是——首先利用靶标对该装置进行标定，得到确定被测点三维世界坐标所必须的公式I中的摄像机内外参数：f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z以及公式II中的m₀、n₀和y₁，然后将标定得到的参数和已知的Nx、Ny、u、v、

i代入变换公式I和II就得到了被测点的三维世界坐标；进而随着上述的振镜装置中的振镜的转动，反射光面扫过被测物体并与被测物体相交得到一条条的光条，所有这些光条上的点，在世界坐标系中的三维坐标(x，y，z)就是反映被测物体的全部三维信息。对大尺寸物体可以对物体的每个小部分进行以上的测量，再利用现有的数据拼合技术将各个小部分的数据拼合，就能得到整个被测物体的三维信息，实现大尺寸物体高精度的全场视觉自扫描测量。

所述的变换公式I如下，它是被测点在世界坐标系中x与y坐标的计算公式：

$x_p=\frac{({\mathrm{ur}}_8-B)(H-{\mathrm{vt}}_z)-(D-{\mathrm{ut}}_z)({\mathrm{vr}}_8-F)}{({\mathrm{ur}}_8-B)({\mathrm{vr}}_7-E)-({\mathrm{ur}}_7-A)({\mathrm{vr}}_8-F)}$

$y_p=\frac{({\mathrm{vr}}_7-E)(D-{\mathrm{ut}}_z)-(H-{\mathrm{vt}}_z)({\mathrm{ur}}_7-A)}{({\mathrm{ur}}_8-B)({\mathrm{vr}}_7-E)-({\mathrm{ur}}_7-A)({\mathrm{vr}}_8-F)}$

A＝fNxr₁+r₇u₀

B＝fNxr₂+r₈u₀

D＝fNxt_x+t_zu₀

其中E＝fNyr₄+r₇v₀

F＝fNyr₅+r₈v₀

H＝fNyt_y+t_zv₀

式中，u、v表示被测点在摄像机中的像面坐标，可直接从摄像机拍得的图像获得；A、B、C、D、E、F、H为求得公式的中间变量；参数f、Nx、Ny、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z为摄像机的内外参数，且上述的两个内参数Nx、Ny是已知的，其他的几个参数f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z由已有的基于径向排列约束(RAC)的摄像机两步标定方法可以求得。

所述的变换公式II如下，它是被测点在世界坐标系中z坐标的计算公式：

z_p＝(y_i-y_p)tanθ_i...........................④

上述的公式①是初始反射光面与靶面的夹角的计算公式。m₀、n₀为可求已知量，标定后可以确定，求得这两个参数是标定的核心；

表示每次振镜装置中的振镜由上一位置转过Δα角度到达当前位置时，转动前后两反射光平面之间的夹角，等于2Δα，是一已知参数；Δα为振镜装置中的振镜每转动一次转过的角度，由振镜装置中的振镜驱动器的输出电压来控制(在本发明中该输出电压是已知参数，所以Δα是已知参数，也是已知参数)；γ为初始反射光面与靶面的夹角，标定后可以确定。

上述的公式②是振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后(即转过Δα×i角度时(i＝1，2，3…))反射光面与靶面的夹角的计算公式。γ为公式①；i为振镜装置从初始位置开始转动，每次转过Δα(见公式①的说明)角度所一共转动的次数，是已知的；θ_i为振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后(即转过Δα×i角度时)反射光面与靶面的夹角，由标定结果和已知量i可以确定。

上述的公式③是振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后，反射光面与靶标的交线在世界坐标系中的y坐标的计算公式。y₁为初始反射光面与靶面的交线在世界坐标系中的y坐标，是在标定过程中确定的；m₀、n₀见公式①中的说明；γ为公式①；θ_i为公式②；y_i为振镜装置中的振镜从初始位置转动i次后，反射光面与靶标的交线在世界坐标系中的y坐标，由标定结果和已知量i可以确定。

上述的公式④是被测点在世界坐标系中z坐标的计算公式，也是本发明装置确定被测点三维世界坐标的关键，公式①、②、③是它的基础。θ_i是公式②；y_i是公式③；y_p见公式I。

本发明的有益效果：其一是被测物体的信息是由很多幅图像提供，每幅图像仅对应一条光条，提取到的图像信息精度高，因此求得的光条的三维世界坐标精度也高，能实现高精度测量；其二是能有效的利用摄像机的视场，还可以在不借助三坐标测量机一类的外部驱动设备的前提下，方便、快捷的实现装置的标定，便携性好；其三是可以通过对物体各个小部分分别进行测量，再结合现有的数据拼合技术实现对大尺寸物体的测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1本发明的基本结构示意图；

图2本发明的振镜装置中的振镜的初始位置示意图；

图3本发明的扫描过程中的反射光面位置图；

图4本发明的某个反射光面上的一个测点在靶标平面的投影图；

图5本发明的人脸测量实例。

其中，1、振镜装置    2、线结构光发生器    3、CCD摄像机    4、靶标5钢板，    OO’为振镜装置1中的振镜g的转轴。

图2为振镜装置1中的振镜g的初始位置示意图，是从转轴OO’方向看的光面反射图。线结构光发生器2产生的光面为入射光面，入射光面在转轴OO’处反射形成反射光面投射到靶标4所在的平面(以下简称靶面)上。假设入射光面与反射光面重合时为振镜g一个基准位置(图中虚线处)，设振镜初始位置偏离基准位置α，γ为初始反射光面与靶面的夹角。由图可得：γ＝2α。

在图3中，令角

表示每次振镜装置1中的振镜g转过Δα角度时，转动前后反射光面之间的夹角。由于光面穿过转轴OO’，所以各反射光面相交于同一条直线上即转轴OO’上。A为转轴OO’上的一点，假设面AHS₀为垂直于靶面的反射光面，l′为反射光面与靶标垂直时的交线，H为A在靶面上的投影。l₀为初始反射光面与靶面的交线，则∠AKH＝γ为初始光面与靶面的夹角；l_i为振镜g转过Δα×i角度时(i＝1，2，3…)反射光面与靶面的交线，则∠AGH＝θ_i为此时反射光面与靶面的夹角。由于转轴OO’与靶面平行且平行于世界坐标系的X轴，则l′//l₀//l₁//l₂//l₃//…//l_i，过H点做l′，l₀，l₁，l₂，l₃，…，l_i的垂线与它们分别交于H，K，I，Q，…G点则在ΔAIIK中由正弦定理可得：

在ΔAQII中，令

则：

两式消去AI，可得变换公式II中的①。

其中m₀＝KI，n₀＝QI，通过标定过程可以确定。

在ΔAKQ中，由正弦定理可得：

令图中S₀，S₁的坐标为S₀(0，y₀)，S₁(0，y₁)，则得到：

y₁＝y₀+HK，HK＝AKcosγ

由上述两式可得：

y_i＝y₀+AHctgθ_i＝y₀+HKtanγctgθ_i

进一步推导可得变换公式II中的③，由图可得变换公式II中的②。这样就得到了每次转轴OO’转动后反射光面的位置θ_i和y_i。

在图4中，P点为光面上的测点，在测量过程中，可以采集图像，提取光条的中心点来获得它的像面坐标u、v，P′为P点在靶面上的垂足，则PP′即为P点的z坐标值。l_i为反射光面与靶面的交线。θ_i＝∠PRP′即为反射光面与靶面的夹角。令(x_p，y_p，z_p)为P点的空间的三维坐标，则P′的坐标值为(x_p，y_p)。则由图得：

z_p＝PP′＝RP′tanθ_i

RP′＝y_p-y₁

将上述的二式代入一式，可得变换公式II中的④。

令(u_p，v_p)为P点对应的摄像机像面坐标，将其代入变换公式I可求出x_p，y_p的值，再将y_p代入公式II中的④可得到z_p。这样就得到了空间被测点的三维世界坐标。

在图5中，给出了一个测量实例——利用该测量装置对人脸进行测量。从图5中可以看出，测量结果能反映原图的基本信息，测量效果较好。

具体实施方式

如图1，本发明的测量装置包括坐落在基座上的CCD摄像机3、线结构光发生器2和振镜装置1，且三者都被固定在作为参考平面的不锈钢板5上；线结构光发生器2与振镜装置1正对，且其发出的线结构光光平面完全穿过振镜装置1中的振镜的转轴，线结构光发生器2距离转轴30mm；转轴和摄像机的光轴之间的距离是300mm；转轴垂直于不锈钢板5参考平面。

所述的振镜装置1，其由已有振镜和振镜驱动器组成，且振镜驱动器是DA输出卡，该DA输出卡的输出电压与振镜转轴转动的角度是成比例的，比例系数已知，因此只要控制DA输出卡每次输出已知的固定电压值，就可以使振镜每次转过相同的已知角度Δα。

首先利用靶标通过标定过程得到了确定被测点三维世界坐标所必须的摄像机内外参数f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z以及m₀、n₀和y₁，现具体阐述标定的过程：

(1)标定变换公式I中的摄像机的内外参数f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z是由已有的基于径向排列约束(RAC)的摄像机两步标定方法求得的。

(2)标定变换公式II中的m₀、n₀和y₁的步骤如下：

首先将振镜装置中振镜转动到初始位置，此时光面经振镜的反射，反射光面投射到靶标上则形成一亮光条，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，将得到的直线的u、v坐标(见公式I中的说明)代入公式I得到的y_p就是y₁，这样就实现了y₁的标定。此时得到的直线为直线l₁；然后使振镜转过Δα角，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，得到直线l₂；再使振镜转过Δα角，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，得到直线l₃。由于转轴与靶标平面和光面平行，所以直线l₁、l₂、l₃是互相平行的。直线l₁与l₂的距离为m₀，直线l₂与l₃的距离为n₀，求两两直线的距离就得到了m₀、n₀的长度，实现了m₀、n₀的标定，也最终完成了本装置的标定。

所述的靶标为平面网格靶标，只有在标定时才被使用，标定过程结束后就被撤走。靶标垂直于不锈钢参考平面放置以使靶面平行于转轴，且尽量使靶面垂直于摄像机的光轴。靶标应放置在距摄像机CCD平面300mm到700mm且围绕摄像机光轴的大约240mm×360mm的空间内，在这个空间中，反射光面与摄像机光轴的夹角大约在50°到70°之间；靶标上水平和垂直方向上相邻两条平行直线的中心间距为25mm、线条宽度为2mm，靶标上共有6×6条直线，因此可以用于提取的特征点共有36个，这样相邻特征点在水平和垂直方向上的间距都是25mm。

标定结束后，利用标定过程(1)得到的摄像机内外参数以及上述的已知量Nx、Ny、u、v，根据变换公式I即可求得被测点在世界坐标系中x、y坐标；再利用标定过程(2)得到的m₀、n₀和y₁以及上述的已知量

i，根据变换公式II可求得被测点在世界坐标系中z坐标。这样即可求得被测点的三维世界坐标。

进而随着上述的振镜装置1中的振镜g的转动，反射光面扫过被测物体并与被测物体相交得到一条条的光条，所有这些光条上的点在世界坐标系中的三维坐标(x，y，z)就可以反映被测物体的全部三维信息，对大尺寸物体可以对物体的各个小部分进行以上的测量，再利用现有的数据拼合技术将各个小部分的数据拼合就能得到整个被测物体的三维信息，实现了大尺寸物体高精度的全场视觉自扫描测量。

本发明的应用实施例和利用靶标进行标定的结果(包括下列数据和图象)：

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，t_x＝-62.176692，t_y＝-2.564525，t_z＝522.84232；

y₁＝27.50，m₀＝45.31，n₀＝36.56。

对人脸进行扫描测量，结果见图5。

Claims (4)

1、一种全场视觉自扫描测量装置，其特征是其包括坐落在基座上的CCD摄像机(3)、线结构光发生器(2)和振镜装置(1)，而且三者被固定在作为参考平面的不锈钢板(5)上；线结构光发生器(2)与振镜装置(1)正对，且其发出的线结构光光平面完全穿过振镜装置(1)中的振镜的转轴OO’，其与振镜转轴OO’的距离是30mm；振镜装置(1)中的振镜的转轴OO’与摄像机(3)的光轴之间的距离是300mm；振镜装置(1)中的振镜的转轴OO’垂直于不锈钢板(5)的参考平面。

2、如权利要求1所述的全场视觉自扫描测量装置，其特征是所述的振镜装置(1)是由振镜(g)和振镜驱动器组成，其振镜驱动器是DA输出卡，该DA输出卡的输出电压与振镜转轴转动的角度是成比例的，比例系数已知，因此只要控制DA输出卡每次输出已知的固定电压值，就可以使振镜每次转过相同的已知角度Δα。

3、全场视觉自扫描测量装置的测量方法是，首先利用靶标(4)对该装置进行标定，得到了确定被测点三维世界坐标所必须的公式I中的摄像机内外参数：f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z以及公式II中的m₀、n₀和y₁，然后将标定得到的参数和已知的Nx、Ny、u、v、

i代入变换公式I和II就得到了被测点的三维世界坐标；进而随着上述的振镜装置(1)中的振镜(g)的转动，反射光面扫过被测物体并与被测物体相交得到一条条的光条，所有这些光条上的点在世界坐标系中的三维坐标就反映被测物体的全部三维信息，对大尺寸物体可以对物体的各个小部分进行以上的测量，再利用现有的数据拼合技术将各个小部分的数据拼合就能得到整个被测物体的三维信息，从而实现大尺寸物体高精度的全场视觉自扫描测量；

上述的靶标(4)为平面网格靶标，垂直于不锈钢板(5)参考平面放置以使靶面平行于转轴，且尽量使靶标(4)靶面垂直于CCD摄像机(3)的光轴，并在距摄像机CCD平面300mm到700mm且围绕CCD摄像机(3)的光轴的大约240mm×360mm的空间内，在这个空间中，反射光面与CCD摄像机(3)光轴的夹角在50°到70°之间；靶标(4)上水平和垂直方向上相邻两条平行直线的中心间距为25mm、线条宽度为2mm，靶标4上共有6×6条直线，因此可以用于提取的特征点共有36个，这样相邻特征点在水平和垂直方向上的间距都是25mm；

所述的变换公式I如下：

$x_p=\frac{({\mathrm{ur}}_8-B)(H-{\mathrm{vt}}_z)-(D-{\mathrm{ut}}_z)({\mathrm{vr}}_8-F)}{({\mathrm{ur}}_8-B)({\mathrm{vr}}_7-E)-({\mathrm{ur}}_7-A)({\mathrm{vr}}_8-F)}$

$y_p=\frac{({\mathrm{vr}}_7-E)(D-{\mathrm{ut}}_z)-(H-{\mathrm{vt}}_z)({\mathrm{ur}}_7-A)}{({\mathrm{ur}}_8-B)({\mathrm{vr}}_7-E)-({\mathrm{ur}}_7-A)({\mathrm{vr}}_8-F)}$

A＝fNxr₁+r₇u₀

B＝fNxr₂+r₈u₀

D＝fNxt_x+t_zu₀

其中E＝fNyr₄+r₇v₀

F＝fNyr₅+r₈v₀

H＝fNyt_y+t_zv₀

式中，u、v表示被测点在摄像机中的像面坐标，可直接从摄像机拍得的图像获得；A、B、C、D、E、F、H为求得公式的中间变量；参数f、Nx、Ny、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z为CCD摄像机(3)的内外参数，且上述的两个内参数Nx、Ny是已知的，其他的几个参数f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z均由已有的基于径向排列约束的摄像机两步标定方法可以求得；

所述的变换公式II如下，它是被测点在世界坐标系中z坐标的计算公式：

z_p＝(y_i-y_p)tanθ_i...........................④

上述的公式①是初始反射光面与靶面的夹角的计算公式，m₀、n₀为可求已知量，标定后可以确定，求得这两个参数是标定的核心；

表示每次振镜装置中的振镜由上一位置转过Δα角度到达当前位置时，转动前后两反射光平面之间的夹角，等于2Δα，是一已知参数；Δα为振镜装置中的振镜每转动一次转过的角度，由振镜装置中的振镜驱动器的输出电压来控制；γ为初始反射光面与靶面的夹角，标定后可以确定；

上述的公式②是振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后反射光面与靶面的夹角的计算公式；i为振镜装置从初始位置开始转动，每次转过Δα角度所一共转动的次数；θ_i为振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后反射光面与靶面的夹角，由标定结果和已知量i可以确定；

上述的公式③是振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后，反射光面与靶标的交线在世界坐标系中的y坐标的计算公式，y₁为初始反射光面与靶面的交线在世界坐标系中的y坐标，是在标定过程中确定的；y_i为振镜装置中的振镜从初始位置转动了i次后，反射光面与靶标的交线在世界坐标系中的y坐标，由标定结果和已知量i可以确定；

上述的公式④是被测点在世界坐标系中z坐标的计算公式。

4、如权利要求3所述的全场视觉自扫描测量装置的测量方法，其特征是所述的利用靶标4对装置进行标定的步骤是；

(1)标定变换公式I中的摄像机的内外参数f、u₀、v₀、r₁、r₂、r₄、r₅、r₇、r₈、t_x、t_y、t_z是由已有的基于径向排列约束的摄像机两步标定方法求得的；

(2)标定变换公式II中的m₀、n₀和y₁的步骤如下：

首先将振镜装置中振镜转动到初始位置，此时光面经振镜的反射，反射光面投射到靶标上则形成一亮光条，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，将得到的直线的u、v坐标代入公式I得到的y_p就是y₁，这样就实现了y₁的标定，此时得到的直线为直线l₁；然后使振镜转过Δα角，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，得到直线l₂；再使振镜转过Δα角，用已有的图像处理技术提取光条并拟合直线，得到直线l₃，直线l₁、l₂、l₃是互相平行的；直线l₁与l₂的距离为m₀，直线l₂与l₃的距离为n₀，求两两直线的距离就得到了m₀、n₀的长度，即实现了m₀、n₀的标定，也最终完成了本装置的标定。

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