CN101916457B - 三维点云数据获取用的基准体及点云合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维点云数据获取用的基准体，包括底座，底座中心固定有垂直于底座的支撑轴，支撑轴上设有上下放置的至少两个金属的球体，球体与球体之间通过连接轴固定焊连；球体表面有喷砂层；本发明还提供了一种利用上述基准体来确定转台的中心转轴，根据计算得到的中心转轴来拼接局部三维点云，并合成为完整的三维点云图像的方法。本发明通过基准体获取的三维点云数据密集且丢失少，合成三维点云时合成速度快、合成精度高、合成的图像清晰完整且无重影。

Description

三维点云数据获取用的基准体及点云合成方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉三维扫描及检测技术领域，具体涉及一种三维点云数据获取用的基准体及点云合成方法。

背景技术

三维点云数据的获取就是指通过三维数字化技术得到物体的形态结构，高精度的点云数据能够较好地表现被测物体的三维形态特征，在汽车、五金家电、航空、陶瓷等模具及产品开发，古董、工艺品、雕塑、人像制品等快速原型制作，机械外形设计、医学整容、人体外形制作、人体形状测量及植物形态获取等领域均有重要的应用。

点云数据的获取方法中较常规的是利用三维激光扫描仪来获取三维点云数据。这种方法虽然获取数据比较灵活，可以边扫描边获得最终的点云，但该技术方案的缺陷在于当获取较复杂外形的物体时，获取速度慢、丢失数据多、点云稀疏、并且获取的点云数据没有颜色，不利于三维点云数据的合成等后处理。另一种获取方法是结构光法，即将投射器发出的光经过光学***形成点、线、编码图案等形式投向景物，在景物上形成图案并由摄像机摄取，而后由图像根据三角法和传感器结构参数进行计算、得到景物表面的深度图像，进一步计算出物面的三维坐标值。

任卿、刁常宇、鲁东明、刘刚在文献《基于结构光的文物三维重建》(敦煌研究，2005，93(5)：102-106)中公开了一种基于投影编码结构光的三维重建***，其原理是基于结构光进行重建，投影一组结构光到三维场景中，通过分析不同编码结构光在物体上的投影变化来提取物体的三维形状；基于结构光原理的三维扫描***一般由下面几部分组成：数控转台、高精度三维纹理信息获取终端、三维数据处理计算机、三维信息采集终端、三维信息采集软件。通过该***合成三维点云的方法是将物体放在数控转台上，获取不同角度的点云数据，然后用参考点法，将不同角度的点云进行拼接，合成一个完整的三维点云。虽然该方法每一次得到的某个角度的点云精度非常高，数控转台的精度也非常高，但其缺陷之处在于，由于最后采用手工合成一个完整的三维点云，因此合成某些复杂物体如活体植物等物体时，合成的三维点云的精度较低。

龙玺、钟约先、李仁举、由志福在文献《结构光三维扫描测量的三维拼接技术》(清华大学学报(自然科学版)，2002，42(4)：477-480)也公开了一种新的三维拼接技术，即利用一个步进电机驱动的旋转工作台对不同视场的数据点云进行数据缝合，以提供完整的零件表面三维信息，但是该文没有提供旋转工作台转轴的具体确定方法，且也仅提出用参考点法，而其实践中，单靠肉眼和鼠标在点云中寻找并确定参考点，最后合成的三维点云精度较低，往往会有明显的重影。

发明内容

本发明提供了一种三维点云数据获取用的基准体，用于确定旋转工作台的中心转轴，解决了现有技术中用参考点法合成的三维点云精度较低且不完整的问题。

一种三维点云数据获取用的基准体，包括底座，所述的底座中心固定有垂直于底座的支撑轴，支撑轴上设有上下放置的至少两个金属的球体，球体与球体之间通过连接轴固定连接；所述的球体表面有喷砂层。

所述的球体的球面轮廓度为0.05，表面粗糙度为3.2～6.3。

所述的球体材料选用轴承钢、铁合金、铸铁中的一种。

优选，所述的球体数量为两个或三个以上。

本发明中的基准体对球体的内部结构没有要求，一般采用实心球体即可，但对球体的表面有很高的要求，主要包括球面轮廓度和表面粗糙度这两个参数，其中球面轮廓度表征球体的加工精度，表面粗糙度表征球体的表面处理效果，两者均是影响三维点云合成效果的主要因素。因此，本发明采用喷砂工艺对球体的金属表面进行喷砂处理，使得处理后的球体既能维持金属球体的原有加工精度，又能克服当金属材料加工精度较高时，球体表面过于光洁，不利于以结构光的方式获取球体外形点云的技术缺陷。本发明中表面经喷砂处理后的球体，其球面轮廓度为0.05，表面粗糙度为3.2～6.3，使得球体外形的三维点云数据获取效果较好，有利于三维点云的合成处理。

喷砂工艺采用现有技术，即采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到待处理工件的表面，使工件表面的外表或形状发生变化；由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加工件和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。

本发明还提供了一种利用上述基准体来确定转台的中心转轴，进行三维点云合成的方法，解决了现有技术中点云合成速度慢、参考点难找、合成精度过低的问题。

由于采用不同的球体在后期三维点云的合成处理中，两个球体的点云合成算法和三个及三个以上球体的点云合成算法有区别，所以本发明中的点云合成算法主要就双球基准体和三球基准体两种结构加以说明。

一种点云合成方法，主要包括以下步骤：

(1)将基准体放置在可精密控制转动角度的转台上，用三维结构光扫描仪扫描基准体；

(2)转台每转90度扫描一次，得到球面一个角度的点云即局部球面点云，累计扫描四次得到分别位于上下二组正方形共8个顶点的四组局部球面点云，并计算得到转台的中心转轴；

(3)将待测物放置在可精密控制转动角度的转台上，用三维结构光扫描仪扫描待测物，转台每转一次扫描一次，转台的旋转角度可根据不同的待测物进行调整，扫描得到若干个三维点云数据；

(4)利用步骤(2)计算所得的转台中心转轴，将步骤(3)中扫描得到的三维点云数据进行拼接，合成完整的三维点云。

所述的步骤(2)中转台的中心转轴计算方法如下：

1)根据每次扫描的局部球面点云，计算各个球体的球心，每次扫描可以得到上下两个球心，四次扫描可以得到上下两组位于一个正方形4个顶点的四个球心；

2)连接位于正方形对角的基准体的上球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

3)连接位于正方形对角的基准体的下球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

4)计算上下两对交叉的对角线的交点A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)；

5)连接点A和点B，得到转台的中心转轴。

同理，三球基准体根据上述转台的中心转轴计算方法计算时，可以得到中心转轴上的多个点，此时多个点到转轴的计算相当于有限三维空间点的直线拟合计算，该算法可采用袭杨在文献《空间直线拟合的一种方法》(齐齐哈尔大学学报，2009，25(2)：64-67)中提出的算法。

本发明点云合成方法中步骤(4)的“合成完整的三维点云”即指点绕定轴转动的计算，算法可采用孙家广、杨长贵在著作《计算机图形学》(清华大学出版社，1995年5月第2版，ISBN 7-302-01708-5/TP.746，P346-348)中提出的算法。

本发明提供的三维点云数据获取用的基准体，加工精度高且球体的金属表面经过喷砂处理，使得结构光法获取的三维点云数据密集且丢失少，利于后期的三维点云合成处理。

本发明通过基准体来确定旋转工作台的中心转轴，根据计算得到的中心转轴来拼接局部三维点云，并合成为完整的图像，采用该方法进行点云合成时合成速度快、合成精度高、合成的图像清晰完整且无重影。

附图说明

图1为本发明中三维点云数据获取用的基准体的结构示意图。

图2为本发明中三维点云数据获取用的基准体的另一种结构示意图。

图3为本发明中点云合成方法的流程示意图。

图4为没有采用基准体合成的油菜点云图。

图5为采用基准体合成的油菜点云图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种三维点云数据获取用的基准体，包括底座1，底座1中心固定有垂直于底座1的支撑轴2，支撑轴2上设有上下放置的两个实心球体3，两个球体3之间通过连接轴4固定连接；

球体3的表面有喷砂层，经过喷砂处理后的球体3的球面轮廓度为0.05，表面粗糙度为3.2；

球体3的材料必须为金属，使得本发明能以较低的加工成本得到较高的球面轮廓度，本实施例中球体3的材料选用轴承钢，也可以根据实际需要选择其它金属如铁合金、铸铁等，只要能够保证球体3外形的加工精度即可；也可以直接市场购买高精度的轴承用钢球，再自行喷砂与焊接加工；

球体3的直径与待测物的直接大小有关，由于本发明中待测物的直径大小范围在1～60cm，因此基准体的球体3的直径为40～50mm，使得扫描得到的三维点云数据中，有足够多球面点数即可。

如图3所示，一种用双球基准体进行点云合成的方法，主要包括以下步骤：

(1)将双球基准体放置在可精密控制转动角度的转台上，转台的精度为0.000125度，用三维结构光扫描仪扫描基准体；

(2)转台每转90度扫描一次，得到球面一个角度的点云即局部球面点云，累计扫描四次得到分别位于上下二组正方形共8个顶点的四组局部球面点云，并计算得到转台的中心转轴；

(3)将待测物放置在可精密控制转动角度的转台上，用三维结构光扫描仪扫描待测物，转台每转一次扫描一次，转台的旋转角度可根据不同的待测物进行调整，扫描得到若干个三维点云数据；

(4)利用步骤(2)计算所得的转台中心转轴，将步骤(3)中扫描得到的三维点云数据进行拼接，合成完整的三维点云；

其中，步骤(2)中转台的中心转轴计算方法如下：

1)根据每次扫描的局部球面点云，计算各个球体的球心，每次扫描可以得到上下两个球心，四次扫描可以得到上下两组位于一个正方形4个顶点的四个球心；

2)连接位于正方形对角的基准体的上球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

3)连接位于正方形对角的基准体的下球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

4)计算上下两对交叉的对角线的交点A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)；

5)连接点A和点B，得到转台的中心转轴。

其中，步骤(4)的“合成完整的三维点云”即指点绕定轴转动的计算，算法可采用孙家广、杨长贵在著作《计算机图形学》(清华大学出版社，1995年5月第2版，ISBN 7-302-01708-5/TP.746，P346-348)中提出的算法，具体如下：

设转轴坐标为AB，A(x_a，y_a，z_a)，B(x_b，y_b，z_b)；

点云合成即点绕定轴转动的计算，假设P₁为第一次扫描的结果，P₂为转了θ°后的点云。如果要把P₂的点云合成到P₁所在的坐标系，则相当于要对P₂(x_p，y_p，z_p)绕转轴AB转动-θ°到P₂ ^*(x_p ^*，y_p ^*，z_p ^*)，即

[x_p ^* y_p ^* z_p ^* 1]＝[x_p y_p z_p 1]×R_ab

根据空间任意两点坐标之差是联结此两点直线的方向数，则AB的方向数为：(a，b，c)；其中a＝x_b-x_a，b＝y_b-y_a，c＝z_b-z_a；

令： $v=\sqrt{a^2+b^2},$

$T_A=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ -x_a& -y_a& -z_a& 1\end{array}\right];$ $T_A^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ x_a& y_a& z_a& 1\end{array}\right]$

$R_x=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& c/v& b/v& 0\\ 0& -b/v& c/v& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$ $R_x^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& c/v& -b/v& 0\\ 0& b/v& c/v& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$R_y=\left[\begin{array}{cccc}v& 0& a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -a& 0& v& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$ $R_y^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}v& 0& -a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ a& 0& v& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

$R_z=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

则 $R_{\mathrm{ab}}=T_A{R}_x{R}_y{R}_z{R}_y^{-1}{R}_x^{-1}{T}_A^{-1}.$

实施例2

本发明中三维点云数据获取用的基准体，除实施例1所述的双球基准体的结构外，还可以是另一种结构装置。

如图2所示，一种三维点云数据获取用的基准体，包括底座1，底座1中心固定有垂直于底座1的支撑轴2，支撑轴2上设有上下放置的三个实心球体3，球体3与球体3之间均通过连接轴4固定连接；根据实际需要，球体3的数量可以为三个，也可以为三个以上；

球体3的球面轮廓度、表面粗糙度、直径及其选用的材料，都与实施例1相同。

如图3所示，用三球基准体进行点云合成的方法，步骤与实施例1相同；区别之处在于，实施例2与实施例1所涉及的算法不同：

①用三球基准体进行点云合成时，通过步骤(2)计算转台的中心转轴，可以得到中心转轴上的多个点，此时多个点到转轴的计算相当于有限三维空间点的直线拟合计算，该算法可采用袭杨在文献《空间直线拟合的一种方法》(齐齐哈尔大学学报，2009，25(2)：64-67)中提出的算法，具体算法如下：

对于一系列的空间点：P_i(x_i，y_i，z_i)，i＝1，...，m；求解下列方程：

FF′A＝FX，

FF′B＝FY，

其中：

$F=\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_m\\ 1& 1& ...& 1\end{array};$

A＝[a b]′；X＝[x₁…x_m]′；

B＝[c d]′；Y＝[y₁…y_m]′

根据m组数据点，解方程组就可以求得a，b，c，d的值。当得到这a，b，c，d时，即得空间的直线方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.$

②三球基准体进行步骤(4)的“合成完整的三维点云”的计算，具体算法如下：

从上一步中求得的直线上任意取二点A’B’，其中A’(x’_a，y’_a，z’_a)，B’(x’_b，y’_b，z’_b)；

点云合成即点绕定轴转动的计算，假设P₁为第一次扫描的结果，P₂为转了θ°后的点云。如果要把P₂的点云合成到P₁所在的坐标系，则相当于要对P₂(x_p，y_p，z_p)绕转轴AB转动-θ°到P₂ ^*(x_p ^*，y_p ^*，z_p ^*)，即

[x_p ^* y_p ^* z_p ^* 1]＝[x_p  y_p  z_p 1]×R_ab

根据空间任意两点坐标之差是联结此两点直线的方向数，则AB的方向数为：(a’，b’，c’)；其中a’＝x’_b-x’_a，b’＝y’_b-y’_a，c’＝z’_b-z’_a；

令： $v^{,}=\sqrt{a^{\′2}+b^{\′2}},$

$T_A=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ -x_a^{\′}& -y_a^{\′}& -z_a^{\′}& 1\end{array}\right];$ $T_A^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ x_a^{\′}& y_a^{\′}& z_a^{\′}& 1\end{array}\right]$

$R_x=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& c^{\′}/v^{\′}& b^{\′}/v^{\′}& 0\\ 0& -b^{\′}/v^{\′}& c^{\′}/v^{\′}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$ $R_x^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& c^{\′}/v^{\′}& -b^{\′}/v^{\′}& 0\\ 0& b^{\′}/v^{\′}& c^{\′}/v^{\′}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$R_y=\left[\begin{array}{cccc}{v}^{\′}& 0& a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -a^{\′}& 0& v^{\′}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$ $R_y^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}{v}^{\′}& 0& -a^{\′}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ a^{\′}& 0& v^{\′}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

$R_z=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

则 $R_{\mathrm{ab}}=T_A{R}_x{R}_y{R}_z{R}_y^{-1}{R}_x^{-1}{T}_A^{-1}.$

综合实施例1和实施例2，以下是对没有采用基准体和采用基准体进行点云合成的图像效果进行对比：

如图4所示，当没有采用基准体，仅用肉眼和鼠标操作选取参考点，然后进行油菜点云的图像合成；图中可明显的看到因为一些由于拼接误差产生的，中断的叶柄等。

如图5所示，当采用基准体，且与图4的油菜点云获取的数据为同一组数据的前提下，然后进行合成油菜点云的图像合成；图中油菜的叶片无论在叶片部分还是叶柄部分都比较光滑、一致、完整。

结论：图4采用参考点法进行点云合成时，合成时间约近半小时，且手工选取参考点的结果很不稳定，需根据合成结果进行反复调试，类似于试凑法；图5采用本发明的方法，利用基准体测中心转轴后进行点云合成，合成速度快只需2分钟，合成的图像清晰完整且无重影。

Claims (6)

1.一种三维点云数据获取用的基准体，包括底座，其特征在于，所述的底座中心固定有垂直于底座的支撑轴，支撑轴上设有上下放置的至少两个金属的球体，球体与球体之间通过连接轴固定连接；所述的球体表面有喷砂层；所述的球体的球面轮廓度为0.05，表面粗糙度为3.2～6.3。

2.根据权利要求1所述的三维点云数据获取用的基准体，其特征在于，所述的球体材料选用轴承钢、铁合金、铸铁中的一种。

3.根据权利要求1所述的三维点云数据获取用的基准体，其特征在于，所述的球体数量为两个。

4.根据权利要求1所述的三维点云数据获取用的基准体，其特征在于，所述的球体数量为三个或三个以上。

5.一种点云合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将如上述权利要求3所述的基准体放置在可精密控制转动角度的转台上，用三维结构光扫描仪扫描基准体；

(2)转台每转90度扫描一次，得到球面一个角度的点云即局部球面点云，累计扫描四次得到分别位于上下二组正方形共8个顶点的四组局部球面点云，并计算得到转台的中心转轴；

(3)将待测物放置在可精密控制转动角度的转台上，用三维结构光扫描仪扫描待测物，转台每转一次扫描一次，转台的旋转角度可根据不同的待测物进行调整，扫描得到若干个三维点云数据；

(4)利用步骤(2)计算所得的转台中心转轴，将步骤(3)中扫描得到的三维点云数据进行拼接，合成完整的三维点云。

6.根据权利要求5所述的点云合成方法，其特征在于，所述的步骤(2)中转台的中心转轴计算方法如下：

1)根据每次扫描的局部球面点云，计算各个球体的球心，每次扫描可以得到上下两个球心，四次扫描可以得到上下两组位于一个正方形4个顶点的四个球心；

2)连接位于正方形对角的基准体的上球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

3)连接位于正方形对角的基准体的下球体的球心，可得到两条交叉的对角线；

4)计算上下两对交叉的对角线的交点A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)；

5)连接点A和点B，得到转台的中心转轴。

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