CN101509763A - 单目高精度大型物体三维数字化测量***及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像处理和模式识别领域，涉及一种单目高精度大型物体三维数字化测量方法。该方法需要在所述被测物体关键尺寸部位粘贴数字化立体编码标记点，并将粘贴有编码标记点的十字靶标摆放在物体附近，编码标记点可表示物体的骨架信息。采用一个高精度数码照相机，首先对被测物体进行4个位置的图像采集；然后利用本发明提出的SCDP(Single Camera Different Position)方法，获得骨架编码标记点的精密三维坐标，并将空间分割为若干个子区域，区域内部采用本发明提出的SFMS(Shape From Multi Shading)方法，获得图像各像素点对应的三维坐标；结合该坐标的颜色信息，进而获得该物体的彩色三维数字化模型，为后续的智能化设计提供数据基础。本发明所提出的SCDP、SFMS方法，丰富了三维视觉测量基础理论，为单目三维视觉检测理论奠定基础，提高中国制造业水平。

Description

单目高精度大型物体三维数字化测量***及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种逆向工程的测量仪器，更具体的说，本发明涉及一种用于逆向工程的单目高精度三维数字化测量***及其测量方法。

背景技术

逆向工程的执行，需对产品的特性与制作流程有充分的了解，而现实中许多产品是由自由曲面组成的(如摩托车外形设计，模具制造等)，要完成这样的模型的建构，必须对模型上的凹槽、开孔或其他特征做精确的辨识，以完成模型的建构。如何将各点的数据正确无误的处理以建构出有用的曲线、曲面？对此，单纯靠有经验的工程师是不够的，那样可能耗时太长或误差较大，如果配上相宜的仪器，则可达到事半功倍的效果。

目前，用于逆向工程的传统测量仪器在使用中有诸多局限。例如接触式测量，存在速度慢、易造成工件磨损及探头操作局限等问题，而传统的非接触式测量，又存在精度差(10-100um)、测量速度慢(1000-12000点/秒)、误差大等重大缺陷。现有的较成熟的三维测量仪器主要有三坐标测量机，激光扫描仪和光栅测量仪，它们在一定程度上可以进行曲面测量，但还分别存在以下不足：

所述的三坐标测量机是高精度的接触式测量仪器，每次只能测量一个点，测量速度慢，难于进行曲面的造型设计，而且无法测量软质物体，操作起来非常繁琐；

所述的激光扫描仪属于非接触式光学测量仪器，该仪器体积庞大，需要导轨(通常是平移平台和旋转平台)，从而使其精度、速度均受导轨限制，难以实现高精度、高速度的测量，同时由于其有效平台尺寸的限制，又使其测量范围很窄，由于所述平台加工精度及加工尺寸的限制，激光扫描仪很难实现大型物体的三维数字化测量。在同一个企业，如果被测产品尺寸变化很多，则需要多台设备才能测量，因此会增加财政负担。另外，激光对工作人员的眼睛也有一定危害；

所述的光栅式三维测量仪采用光栅作为光源，该仪器可以实现对物体外形的非接触三维面测量，大大提高了测量速度(例如德国的ATOS)。但是光栅式测量方法单次测量范围较小，对于大型物体，需采用多次拼接实现，因此会累计较大的误差，且不容易实现误差的全局控制。

由此可见，开发一种测量精度高、速度快、误差小、测量范围大的三维数字化测量***，以适应外形设计中的全方面曲面测量，已成为各个行业对几何量检测与设计的最迫切需求。

发明内容

本发明的目的就是克服以上现有技术的不足，提供一种可靠、实用、操作便捷的便携式大型物体三维数字化测量***，以弥补现有技术存在的缺陷。

本发明的单目高精度大型物体三维数字化测量***的组成包括：

用于建立高精度坐标基准的十字靶标***；

用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；

用于提供空间位置信息的编码标记点；

用于采集图像的一个高精度彩色或者黑白照相机；

所述的十字靶标***相对独立设置，其四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。所述四个编码标记点的编码方案和编号事先已经确定。

本发明单目高精度大型物体三维数字化测量***工作步骤分为三步：

(1)标定前准备：设计并加工高精度十字靶标***，并在靶标四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。

(2)确定测量基准：将十字靶标放在被测物体成像范围之内，选取几个合适位置对十字靶标附近的场景进行拍照，尽量保证每个照片中均含有十字靶标和待测的物体。

(3)解算骨架点三维坐标：利用本发明所提出的SCDP方法，解算出各个编码标记点的二维坐标，所述编码标记点视为物体的骨架点。所述骨架点将空间分割成若干个子空间。所述的SCDP方法，其过程是：

第一步：在被测物体关键尺寸部位粘贴上所述的编码标记点；

第二步：将所述的十字靶标摆放在被测物体附近，十字靶标的摆放原则是：利用所述的高精度数码照相机对十字靶标进行拍照时，可以同时拍摄到至少三个十字靶标之外的编码标记点；

第三步：利用所述的高精度数码照相机对含有十字靶标的被测物体进行拍照，更换拍摄位置和角度继续拍摄被测物体，至少采集3幅含有十字靶标的被测物体图像。

第四步：利用所述的高精度数码照相机继续对被测物体进行拍照，直到被测物体所有的编码标记点都被拍摄完毕。拍照的原则是：相邻两个图像含有至少3个公共编码标记点。

第五步：利用所拍摄到的前3幅图像中的已知十字靶标的编码标记点信息，解算出所述照相机在空间中的3个拍摄位置；

第六步：利用第五步所得到的所述照相机的三个拍摄位置信息，计算十字靶标之外所拍摄到的编码标记点的三维坐标；

第七步：利用第六步所得到的编码标记点信息，依次计算后续拍摄图片中编码标记点的三维坐标，并利用相邻图像的3个公共的编码标记点进行拼接，直到所有的编码标记点的坐标信息计算完毕。

(4)拼接和融合：利用本发明所提出的SFMS方法，将每个子空间中编码标记点之外的三维坐标信息计算出来；将颜色信息与三维坐标信息进行融合，获取物体彩色三维数字化信息，以供后续的智能化设计，其过程是：

第一步：由所述的编码标记点将被测物体空间分割为若干个子空间；

第二步：提取所述被测物体在每个子空间的图像亮度矩阵；

第三步：利用图像亮度矩阵解算该子空间每个点的三维坐标信息；

第四步：将该三维坐标信息拼接到所述骨架三维坐标点中；

第五步：重复第二步到第四步，直到所有的三维坐标计算并拼接完毕；

第六步：计算机将所得到的被测物体的三维空间点云数据，输出到surfaeer或geomagie等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。

本发明的有益效果是：采用照相机进行拍照测量，解决了现有的同类仪器易造成工件磨损及探头操作局限等问题；采用高精度单目照相机配合编码标记点的测量方式，解决了大型物体的三维测量难题，扩展了三维测量***的应用领域，并可满足特殊材料三维检测和重建物体三维形貌的需求。

附图说明

图1：单目高精度大型物体彩色三维数字化测量研究方案；

图2：选取8张外圆弧个数分别为1、2、3、4，且角度各不相同的图案；

图3：SCDP方法示意图。

具体实施方式

本发明是从GPS的几何变换原理中得到启发。但与GPS不同，GPS是通过“时间差”来确定卫星与地面接收站的距离，而本发明是利用十字标尺大小及角度的变化来确定数码相机的视场中心到标尺的距离及角度。也就是说，我们利用的是不同图像相同物体所表现出来的“空间差”来计算数码相机的位置，进而获得其余标记点的三维坐标。可以把数码相机比作“卫星”，把十字标尺及编码标记点比作“地面接受站”。

单目高精度大型物体三维数字化测量原理的具体实施方式是：设计并加工高精度十字靶标***，并在靶标四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点；将十字靶标放在被测物体成像范围之内，选取几个合适位置对十字靶标附近的场景进行拍照，尽量保证每个照片中均含有十字靶标和待测的物体；利用本研究提出的SCDP方法，解算出各个编码标记点的三维坐标，并将空间分割成若干个子空间；利用本研究提出的SFMS方法，将每个子空间中编码标记点之外的三维坐标信息计算出来；将颜色信息与三维坐标信息进行融合，获取物体彩色三维数字化信息，以供后续的智能化设计。整个方案的工作过程如图1所示。

本发明单目高精度大型物体三维数字化测量***工作步骤分为三步：

(1)标定前准备：设计并加工高精度十字靶标***，并在靶标四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。编码标记点被粘贴在被测物体有形状特征的关键部位，因此可以描述被测物的骨架特征。编码标记点的设计方案对识别的准确率和可靠性有比较重要的影响，因此，必须恰当设计不同编码的标记点形状。根据物体大小，所选用的编码标记的尺寸应该有所差别，即测量大物体的时候，编码标记点的尺寸大一些，测量小物体的时候，编码标记的尺寸小一些，这样可以充分发挥数码相机的优势。以2m×2m×2m工件为例，标记图案尺寸为50mm×50mm，黑色背景，白色图案，图案中心为一直径为5mm的实心圆。实心圆外层设计一系列与实心圆同心的圆弧，不同编码图案中的圆弧在个数、长度、角度上存在差别。选取8张外圆弧个数分别为1、2、3、4且角度各不相同的图案如图2所示。

(2)确定测量基准：将十字靶标放在被测物体成像范围之内，选取几个合适位置对十字靶标附近的场景进行拍照，尽量保证每个照片中均含有十字靶标和待测的物体。

(3)解算骨架点三维坐标：利用本发明所提出的SCDP方法，解算出各个编码标记点的三维坐标，所述编码标记点视为物体的骨架点。所述骨架点将空间分割成若干个子空间。所述的SCDP方法，SCDP方法示意图如图3所示，其过程是：

第一步：在被测物体关键尺寸部位粘贴上所述的编码标记点；

第二步：将所述的十字靶标摆放在被测物体附近，十字靶标的摆放原则是：利用所述的高精度数码照相机对十字靶标进行拍照时，可以同时拍摄到至少三个十字靶标之外的编码标记点；

第三步：利用所述的高精度数码照相机对含有十字靶标的被测物体进行拍照，更换拍摄位置和角度继续拍摄被测物体，至少采集3幅含有十字靶标的被测物体图像。

第四步：利用所述的高精度数码照相机继续对被测物体进行拍照，直到被测物体所有的编码标记点都被拍摄完毕。拍照的原则是：相邻两个图像含有至少3个公共编码标记点。

第五步：利用所拍摄到的前3幅图像中的已知十字靶标的编码标记点信息，解算出所述照相机在空间中的3个拍摄位置；

第六步：利用第五步所得到的所述照相机的三个拍摄位置信息，计算十字靶标之外所拍摄到的编码标记点的三维坐标；

第七步：利用第六步所得到的编码标记点信息，依次计算后续拍摄图片中编码标记点的三维坐标，并利用相邻图像的3个公共的编码标记点进行拼接，直到所有的编码标记点的坐标信息计算完毕。

(4)拼接和融合：利用本发明所提出的SFMS方法，将每个子空间中编码标记点之外的三维坐标信息计算出来；将颜色信息与三维坐标信息进行融合，获取物体彩色三维数字化信息，以供后续的智能化设计，其过程是：

第一步：由所述的编码标记点将被测物体空间分割为若干个子空间；

第二步：提取所述被测物体在每个子空间的图像亮度矩阵；

第三步：利用图像亮度矩阵解算该子空间每个点的三维坐标信息；

第四步：将该三维坐标信息拼接到所述骨架三维坐标点中；

第五步：重复第二步到第四步，直到所有的三维坐标计算并拼接完毕；

第六步：计算机将所得到的被测物体的三维空间点云数据，输出到surfacer或geomagic等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。

本发明与现有技术的便携式光栅三维测量***的最大区别，是测量设备仅需要单个高精度数码照相机，无需投射光源信息，从而解决了黑色物体和反光物体的三维测量的难题。本发明与现有的该类仪器的区别还在于：无需任何专门的控制硬件设备，并且不需要专门定做的光源设备；软件则是针对本仪器自主编写的测量程序；标定的十字靶标是相对独立的，主要作用是提供高精度坐标基准。

综上所述，本发明单目高精度大型物体三维数字化测量***的优点是：

(1)体积小，重量轻，方便携带，可随意搬至被测物所在位置做现场测量；

(2)采用无导轨结构，工作方式自由，可调节仟意角度作全方位测量，同时解决了现有的同类仪器易造成工件磨损及探头操作的局限等问题；

(3)有效地解决对大型物体的三维数字化测量，适合各种大小和形状物体的测量，测量适用范围广；

(4)测量精度高，可达到0.01~0.02mm。

本发明采用单目高精度照相机，使其在进行大型物体测量时，测量精度很高，且应用广泛，适于对任何材料的物体表面(如工件、模型、模具、雕塑、人体等)进行三维数字化测量。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种单目高精度大型物体三维数字化测量***，其特征是，它包括用于建立高精度坐标基准的十字靶标；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于提供空间位置信息的编码标记点；用于采集图像的一个高精度彩色或者黑白照相机；

所述的十字靶标***相对独立设置，其形状为十字形，其四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。所述四个编码标记点的编码方案和编号事先已经确定；

2.一种使用权利要求1所述的单目高精度大型物体三维数字化测量***进行三维数字化测量的方法，其特征是，它包括如下步骤：

(1)标定前准备：设计并加工高精度十字靶标***，并在靶标四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。

(2)确定测量基准：将十字靶标放在被测物体成像范围之内，选取几个合适位置对十字靶标附近的场景进行拍照，尽量保证每个照片中均含有十字靶标和待测的物体。

(3)解算骨架点三维坐标：利用本发明所提出的SCDP方法，解算出各个编码标记点的三维坐标，所述编码标记点视为物体的骨架点。所述物体骨架点将物体所在空间分割成若干个子空间。所述的SCDP方法，其过程是：

第一步：在被测物体关键尺寸部位粘贴上所述的编码标记点；

第二步：将所述的十字靶标摆放在被测物体附近，十字靶标的摆放原则是：利用所述的高精度数码照相机对十字靶标进行拍照时，可以同时拍摄到至少三个十字靶标之外的编码标记点；

第三步：利用所述的高精度数码照相机对含有十字靶标的被测物体进行拍照，更换拍摄位置和角度继续拍摄被测物体，至少采集3幅含有十字靶标的被测物体图像。

第四步：利用所述的高精度数码照相机继续对被测物体进行拍照，直到被测物体所有的编码标记点都被拍摄完毕。拍照的原则是：相邻两个图像含有至少3个公共编码标记点。

第五步：利用第三步所拍摄到的前3幅图像中的已知十字靶标的编码标记点信息，解算出所述照相机在空间中的3个拍摄位置；

第六步：利用第五步所得到的所述照相机的三个拍摄位置信息，计算十字靶标之外所拍摄到的编码标记点的三维坐标；

第七步：利用第六步所得到的编码标记点信息，依次计算第四步所拍摄到的十字靶标之外的后续图片中编码标记点的三维坐标，并利用相邻图像的3个公共的编码标记点进行拼接，直到所有的编码标记点的坐标信息计算完毕。

(4)拼接和融合：利用本发明所提出的SFMS方法，将每个子空间中编码标记点之外的三维坐标信息计算出来；将颜色信息与三维坐标信息进行融合，获取物体彩色三维数字化信息，以供后续的智能化设计，其过程是：

第一步：由所述的编码标记点将被测物体空间分割为若干个子空间；

第二步：提取所述被测物体在每个子空间的图像亮度矩阵；

第三步：利用第二步所获得的图像亮度矩阵解算该子空间每个点的三维坐标信息；

第四步：将第三步所获得的三维坐标信息拼接到所述骨架三维坐标点中；

第五步：重复第二步到第四步，直到所有的三维坐标计算并拼接完毕；

第六步：计算机将所得到的被测物体的三维空间点云数据，输出到surfacer或geomagic等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。

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