CN105066909A - 一种手持式多激光条纹快速三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，包括以下步骤：1)粘贴标志点：2)使用手持三维测量仪测量物体表面的三维数据：3)采集图像：4)图像处理：5)标志点的三维坐标计算：6)物体表面点的三维坐标计算；7)手持三维测量仪的定位和世界坐标系下的数据拼合，即获得从当前相机坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，以实现当前物体表面测量点从相机坐标系到世界坐标系的转换关系和世界坐标系下的数据拼合。本发明通过使用激光测量技术，优化结构设计和计算算法，使得本三维测量仪具有便携和可手持操作的特点，并且操作简单，使用方便。

Description

一种手持式多激光条纹快速三维测量方法

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，更具体地，涉及一种手持式多激光条纹快速三维测量方法。

背景技术

三维测量是通过使用三维测量仪器测量物体表面几何形状并构建所测物体三维模型的技术。这种技术用途广泛，在工业设计、产品检测、逆向工程、机器人引导、大地测量、人体测量、刑事鉴定、文物数字化，动画制作，游戏设计等领域都有重要的作用。手持三维测量仪以其灵活轻便，易操作和测量速度快等优点在三维测量领域发挥着重要作用。

三维测量技术目前已经发展了很多不同的理论(参阅Chen,F.,BrownG.,SongM.Overviewofthree-dimensionalshapemeasurementusingopticalmethods.OpticalEngineering,2000,39(1):10-22和Blais,F.Reviewof20yearsofrangesensordevelopment.JournalofElectronicImaging,2004,13(1):231-240)。其中，干涉度量法(interferometry)，飞行时间(time-of-flight)和三角测量原理是三维测量不同时期发展出来的理论，根据测量距离和精度要求每一种理论或多或少是适用的。

其中三角测量原理使用广泛，此原理通常适用于近距离的测量，尤其是几米以内的距离。使用此原理，必须要同时获取两个不同视角下同一物体上同一点的测量值，这两个视角之间的刚体变换关系是已知的，其距离长度称为基线距。由两个视角的角度和基线距可以获得被测量点的相对坐标(三角形的一个边和此边的两个夹角求出第三点的坐标)。这实际上也属于被动三维测量技术，也是双目或多目立体视觉。

双目立体视觉使用一个或两个CCD或CMOS数码相机，从不同角度拍摄被测物体同一表面，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标。这种测量方法需要确定空间同一点在两幅或多幅不同角度拍摄的图像上的相应位置。扫描一个物体就需要收集物体表面的信息，使用激光器向物体表面投射激光光线，激光光线被物体表面反射后被相机采集，采集后的图像上的激光条纹可以提供密集物体表面点的信息。激光器可以投射光点和激光条纹，为了能够获取尽量多的信息，线激光器被广泛的使用。现有的线激光器有一字激光器，十字激光器，平行激光器，其中十字激光器和平行激光器可以同时投射多条激光条纹，则此激光器在物体表面投射的光线较多，可以一次获得较多的物体表面信息。

获取相机拍摄的图像上的激光条纹的信息，需要对拍摄的图像进行处理，得到图像上激光条纹的位置信息。通过图像处理提取激光条纹中心点，可以获得丰富的激光条纹中心点及其在图像上的二维坐标。常见的激光条纹中心提取算法有灰度阈值法、极值法和梯度阈值法等，这些方法实现简单但精度不高。Steger(参阅C.Steger,Anunbiaseddetectorofcurvilinearstructures,IEEETrans.PatternAnal.Mach.Intell.20(1998)113–125.)提出了一种激光条纹的亚像素提取方法，此方法可以精确的提取到激光条纹的中心，从而得到激光条纹的纵向中心线，但费时很长，无法满足手持式三维扫描仪快速测量的要求。

应用双目视觉的三维测量仪的一个主要难点是寻找一幅图像上的已知点在另一幅图像上的对应点，这也被称为对应点匹配。对匹配点求解三角形可以获得该点在三维测量仪坐标系的坐标。匹配的方法有极线匹配方法和基于灰度的区域匹配方法，这些方法都能精确的实现图像上对应点的匹配。双目立体视觉***中一般使用极线匹配。

对于手持三维测量仪，相机与激光器是刚性连接的，这种手持三维测量仪对于快速测量以及物体必须是现场测量的情况特别方便有效。为了测量物体的整个表面，必须移动三维测量仪。在相对于物体固定的世界坐标系内确定三维测量仪的位置和方向(6个自由度)是手持三维测量仪的又一难点。这可以通过使用与手持三维测量仪相配合的定位装置来完成。但是，这样明显增加了仪器的复杂度和成本，而且还会使手持三维测量仪质量增大，造成影响数据质量的噪音。

为了避免使用外部定位装置，通过使用在刚性物体上收集到的三维测量结果来计算测量仪与物体之间相对位置和方向，这时被测物拿在手中进行测量也能得到准确完整的三维数据(参阅S.Runsinkiewicz,O.Hall-HoltandM.Levoy,“real-Time3DModelAcquisition”,inACMTransactiononGraphics,vol.21,no.3July2002,pp.438-446,F.Blais,M.PicardandG.Godin,“Accurate3DAcquisitionofFreelyMovingObjects,”inproc.oftheSecondInternationalSymposiumon3DDataProcessing,VisualizationandTransmission.Thessaloniki,Greece.September6-9,2004.)。这种在测量时把位置和方向计算集成入***的思想很独特，但是这种方法完全依赖于物体的几何形状，并且这种计算精度无法满足精确测量。例如，具有对称性的物体，集合形状变化平缓的物体，球形和圆柱形。

通过使用可以从场景中的不同视觉重新观测的固定点及特征，可以确定三维测量仪在世界坐标系的位置和方向。这些特征可以是场景中的自然点，但大多数情况下它们的特征是不充分的。另一种方法是通过在三维测量仪上集成一个可以投影光图案的仪器，这样在测量物体时实现自定位。Herbrt(参阅P.Hebert,”ASelf-ReferencedHand-HeldRangeImagingandModeling,28,2001,QuebecCity,Canada,pp.5-12)提出利用外部投影仪在被测量物体上投射激光光点来定位手持三维测量仪。然而，尽管***能实现手持，但由于不能动态的建立位置特征点模型，此***具有局限性，必须存在一个所有三个位置特征点均可见的单一视角。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，能克服现有技术和设备中，投射激光光线太少，测量速度较慢，投射激光条纹较多时对应点难匹配等难点和缺点，从而快捷精确地得出物体的形状。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)粘贴标志点：根据测量视场的大小，在待测物体表面粘贴若干个圆形的标志点，并且每个标志点在远离待测物体的端面上均设有与标志点同心的荧光粉圆形区域，此外，任意两标志点的圆心距不相等；

2)使用手持三维测量仪测量物体表面的三维数据：所述手持三维测量仪具有多个激光器、两个已标定的CCD相机和多个用于照射待测物体的LED光源；所有激光器同时向被测物表面投射出若干条激光条纹，并且这些激光条纹包括至少两条相互平行的第一条纹线和至少两条相互平行的第二条纹线，所述的第一条纹线与第二条纹线相互垂直；

3)采集图像：两CCD相机同步拍摄物体表面的激光条纹和标志点，每个相机采集的图像均包含物体表面反射的激光条纹信息和标志点反射的标志点信息；所述激光条纹信息用于获得待测物体表面的激光条纹纵向中心线上的点的三维坐标数据，所述标志点信息用于确定当前的手持三维测量仪坐标系与所建立的世界坐标系的相对位置关系；其中，手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系，世界坐标系为初始拍摄时的手持三维测量仪坐标系；

4)图像处理：分别提取每个相机的图像中每条激光条纹纵向中心线上的点在图像上的二维坐标信息和标志点圆心在图像上的二维坐标信息；其中，所述激光条纹纵向中心线为激光条纹上沿纵向分布的中心点所连成的线；

5)通过步骤4)中标志点圆心的二维坐标信息，获得待测物体上的标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

6)通过步骤4)中每条激光条纹的二维坐标信息，获得待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

7)手持三维测量仪的定位和世界坐标系下的数据拼合，即利用标志点信息来获得从手持测量仪坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，以获得待测物体表面测量点从手持测量仪坐标系到世界坐标系的转换关系，并将所有满足标志点匹配条件的手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标均保存到世界坐标系下，则在完成物体全部表面三维测量后，获得世界坐标系下待测物体表面的测量点的三维数据。

优选地，步骤2)中所述LED光源发出的光线颜色与激光器发出的激光条纹的颜色一致。

优选地，步骤2)中所述CCD相机上设置有滤镜，以过滤与LED光源发出的光线、激光器发出的激光条纹颜色不同的光线。

优选地，步骤4)中采用亚像素提取方法来获取激光条纹上沿纵向分布的中心点，然后由这些中心点连成所述的纵向中心线。

优选地，步骤5)中，通过步骤4)中获得的两相机的图像中标志点的圆心的二维坐标信息，采用对应点匹配和三维重建技术，分别获得待测物体上的每个标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

优选地，步骤6)中，采用斜率约束和极线约束，将其中一个相机图像中的激光条纹纵向中心线上的点与另一相机图像中的相应激光条纹的纵向中心线上的点一一对应，则形成多个匹配点对；通过上述的这些匹配点对，利用三维重建技术分别得到每个匹配点对所对应的待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；其中，斜率约束指第一条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致，以及第二条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致。

优选地，步骤7)包括以下子步骤：

7.1)将手持三维测量仪初始拍摄得到的第一份标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标分别保存至世界坐标系下的标志点三维坐标点集和世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.2)将当前手持三维测量仪坐标系下得到的标志点三维坐标点集与世界坐标系下的标志点三维坐标点集进行匹配，如果有3个以上的标志点匹配成功，则可获得当前手持测量仪坐标系与世界坐标系之间的转换关系，然后将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，并将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.3)重复步骤7.2)，直至手持三维测量仪完成待测物体表面的扫描，则完成物体表面三维测量，并最终得到世界坐标系下待测物体表面测量点的三维数据。

优选地，步骤7.2)中，如果没有3个以上的点匹配成功，则手持测量仪无法定位，此时当前手持测量仪坐标系下的激光条纹信息和标志点信息无法转换到世界坐标系，将被全部清除。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种三维测量设备，其特征在于：包括手持三维测量仪、图像处理器、三维表面点计算器和三维位置特征计算器和三维位置转换器，其中，

所述手持三维测量仪包含支架、多个十字激光器或平行激光器、多个LED灯和两个已标定的CCD相机，所述激光器与CCD相机均固定在所述支架上，每个CCD相机旁均设置有多个LED灯并且这些LED灯环绕CCD相机设置，以用于照射待测物体；

所述图像处理器来获得所述激光器发出的激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息和标志点圆心的二维坐标信息；

所述三维表面点计算器用于将激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息，其中，所述手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系；

所述三维位置特征计算器用于把所述标志点圆心的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息；

所述三维位置转换器用于计算当前手持测量仪坐标系与世界坐标系的转换关系，并将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，以及将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明通过使用激光测量技术，优化结构设计和计算算法，使得本三维测量仪具有便携和可手持操作的特点，并且操作简单，使用方便；

2)本发明通过使用多激光条纹，优化激光条纹中心提取算法和对应点匹配算法，能够提高激光条纹中心的提取速度和激光条纹中心提取的精度，并减少了对应点的匹配误差，不仅提高了物体表面三维数据的测量效率，而且增加了物体表面三维数据的测量精度；

3)本发明通过使用滤光片、LED光源和荧光标志点，并优化标志点圆心提取算法，能增加标志点的识别率，提高了标志点圆心的提取精度和测量仪的定位精度，进而降低了数据拼合的误差。

附图说明

图1为手持式多激光条纹三维测量流程图；

图2为手持式多激光条纹三维测量仪的结构图；

图3为手持式多激光条纹三维测量仪在测量过程中的结构图。

附图标记：1、CCD相机；2、LED光源；3、十字激光器；4、滤光镜；5、激光条纹；6、被测物体；7、标志点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种三维测量设备，包括手持三维测量仪、图像处理器、三维表面点计算器和三维位置特征计算器和三维位置转换器，其中，

所述手持三维测量仪具有支架、多个十字激光器或平行激光器、多个LED灯和两个已标定的CCD相机，所述激光器与CCD相机均固定在所述支架上，每个CCD相机旁均设置有多个LED灯并且这些LED灯环绕CCD相机设置，以用于照射待测物体；

所述图像处理器来获得所述激光器发出的激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息和标志点圆心的二维坐标信息；

所述三维表面点计算器用于将激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息，其中，所述手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系；

所述三维位置特征计算器用于把所述标志点圆心的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息；

所述三维位置转换器用于计算当前手持测量仪坐标系与世界坐标系的转换关系，并将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，以及将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集。

参照图1，所述的手持三维测量仪使用多个十字激光器或平行激光器投射两组相互垂直的平行激光条纹到待测物体表面，同时两个在不同角度且已知空间转换关系的相机采集投射有激光条纹的物体表面的图像。

本发明还提供了一种用手持三维测量仪获得世界坐标系下被测物表面点三维坐标的方法，具体包含如下步骤：

获得投射在待测物体表面激光条纹上点的二维坐标的方法和获得粘贴在待测物体物体表面的圆形标志点圆心的二维坐标的方法；

把所述每个待测物体表面激光条纹上点的二维坐标转换三维测量仪坐标系下的三维坐标的方法；

把圆形标志点圆心的二维坐标转换三维测量仪坐标系下圆形标志点圆心三维坐标的方法；

把当前测量得到的圆形标志点圆心三维坐标点集与已收集的圆形标志点圆心三维坐标点集相匹配并计算当前三维测量仪坐标系与世界坐标系转换关系的方法；

计算，更新和收集已有被观测的圆形标志点圆心三维坐标点集的方法；把所述的三维表面点集转换到与世界坐标系中的方法。

本发明获取物体表面二维特征点的方法如下：使用多个激光器同时向物体表面投射两组相互垂直的平行激光光线，两个相机同时从不同角度拍摄投射在物体表面的激光光线，使用图像处理算法提取所述激光条纹的中心点集；所述算法能快速提取激光条纹中心在图像上的亚像素点，所述点集表示物体表面点分别在两个相机平面上的二维坐标。

本发明获得物体表面点在手持三维测量仪坐标系下三维坐标的方法如下：获得提取的物体表面点的对应点的方法和计算物体表面点在手持三维测量仪坐标系下三维坐标的方法。

本发明进行手持式三维测量设备的定位方法如下：测量物体前，在物体表面粘贴一定数量的圆形荧光标志点，在测量过程中两个相机同时拍摄到这些圆形荧光标志点，通过图像处理的方法获得这些圆形荧光标志点的二维坐标，通过求解三角形可以计算得到该圆形荧光标志点的三维坐标，通过分析一定数量的圆形荧光标志点之间的几何特征，可以求解出三维测量仪的位置和方向。

本发明将在不同角度获得的数据转换到相对于被测物体不变的世界坐标系中的方法如下：通过定位三维测量仪的位置和方向，可以获得三维测量仪坐标系与相对被测物体不变的世界坐标系之间的关系，对当前测量得到的数据进行坐标转换可以将所述数据转换到世界坐标系中。

具体来讲，使用手持三维测量仪进行待测物体表面三维测量的过程如图所示，

1)粘贴标志点：根据测量视场的大小，在待测物体表面粘贴若干圆形的标志点，并且每个标志点在远离待测物体的一面均设有与标志点同心的荧光粉圆形区域，此外，任意两个标志点的圆心距不相等；

标志点的作用是定位手持三维测量仪，标志点粘贴在被测物体表面，使其位置与被测物***置保持不变。因为匹配标志点的方法是通过其在物体表面的几何分布特征来实现的，因此，标记点粘贴在物体表面不能出现有规律的几何分布。又由于实现手持三维测量仪的定位需要所识别的一定数量的标志点与已收集的标志点特征进行匹配，标志点分布疏密度应根据测量视场的大小决定，以确保能收集到足够数量的标志点；

2)开始测量：通过控制手持三维测量仪开关，可以开始测量物体表面的三维数据。测量时，所有激光器同时向被测物表面投射出若干条激光条纹，并且这些激光条纹包括至少两条相互平行的第一条纹线和至少两条相互平行的第二条纹线，所述的第一条纹线与第二条纹线相互垂直；

3)采集图像：两CCD相机同步拍摄物体表面的激光条纹和标志点，每个相机采集的图像均包含物体表面反射的激光条纹信息和标志点反射的标志点信息；拍摄的激光条纹信息用于获得待测物体表面的激光条纹处的点的三维坐标数据，拍摄的所述标志点信息用于确定当前的手持三维测量仪坐标系与所建立的世界坐标系的相对位置关系；其中，手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系，世界坐标系为初始拍摄时的手持三维测量仪坐标系；

采集图像是通过使用两个刚性连接的相机同步拍摄来实现的，两个相机之间空间位置变换关系已知，两个相机之间的距离称为基线距。每个相机都有自己的投影中心和坐标系，所述坐标系称为相机坐标系。采集图像的过程在空间和时间上都是连续进行的，被采集的图像中包含有在物体表面反射的激光条纹和标志点等信息；

4)图像处理：分别提取每个相机的图像中每条激光条纹纵向中心线上点在图像上的二维坐标信息和标志点圆心在图像上的二维坐标信息；其中，所述激光条纹纵向中心线为激光条纹上沿纵向分布的中心点所连成的线；

由于投射在物体表面的激光是多组相互垂直的激光条纹，经物体反射后在图像上所表现的特征是多条条纹线。我们可以通过提取所述曲线上的特征来完成激光条纹点的提取。为了满足手持式激光三维测量仪的快速精确测量，图像处理的方法必须能够快速提取所述曲线的精确特征。本发明使用一种快速提取激光条纹中心亚像素点的方法来获得激光条纹中心点的二维坐标，这些中心点的二维坐标经过进一步的处理可以获得该点在手持三维测量仪坐标系下的三维坐标，所述激光条纹中心亚像素点的方法为一种基于Hessian矩阵的亚像素精度激光条纹中心线快速提取算法。

图像处理的另一个目的是获取标志点的圆心的二维坐标，标志点被设计为圆形，这样的设计使得标志点在不同角度观看时是椭圆形状，同时标志点的中心圆上涂有荧光物质，可以使标志点易于识别。通过对采集的图形进行边缘提取和椭圆拟合可以得到精确的椭圆圆心坐标，所述圆心坐标也是标志点的圆心坐标。

5)标志点的三维坐标计算

通过步骤4)中获得的两相机中标志点的圆心的二维坐标信息，采用对应点匹配和三维重建技术，分别获得待测物体上的每个标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

所使用的相机是标定过的，即知道两个相机的内部参数和外部参数。三维坐标计算需要知道左相机图像上的一点在右相机图像上与之对应的点，通过使用极线约束可以获得匹配的对应点对。利用标定相机的外部参数计算出基本矩阵，然后可以得到当前点的极线方程，处在极线上的另一图像上的标志点就是对应点。利用三角测量原理可以计算出标志点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；利用所述标志点的几何分布特征与已测得的物体世界坐标系下标志点集进行匹配，可以实现测量仪的定位。

6)物体表面测量点的三维坐标计算

通过步骤4)中获得的每个相机的图像中激光条纹的二维坐标信息，采用斜率约束和极线约束，将其中一个相机图像中的激光条纹纵向中心线上的点与另一相机图像中的相应激光条纹的纵向中心线上的点一一对应，则形成多个匹配点对；通过上述的这些匹配点对，利用三维重建技术分别得到每个匹配点对所对应的待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；其中，斜率约束指第一条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致；以及第二条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致。正负一致是指若为正则两者的值均为正值，若为负则两者的值均为负值。

由于本发明使用了多条激光条纹同时测量，在使用极线匹配方法时会出现一对多的匹配结果。因此必须采用必要的方法实现对应点一对一的精确匹配，投射在物体表面的激光条纹为两组互相垂直的平行光，我们采用激光条纹的斜率约束与极线约束互匹配的方法，可以得到准确的匹配点对，所述斜率约束是指空间中一条激光条纹在两个相机中成像后，两个相机图像中激光条纹斜率的正负号一致，所得到的匹配点对利用三角测量原理可以计算出所述点在手持三维测量仪坐标系下的三维坐标。所述物体表面点将会由手持三维测量仪坐标系转换到世界坐标系。

7)测量仪的定位和数据的拼合

手持三维测量仪的定位和数据拼合，即获得从当前的手持测量仪坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，以获得待测物体表面测量点从手持测量仪坐标系到世界坐标系的转换关系，并将所有的手持三维测量仪坐标系下标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标均保存到世界坐标系下，其包括以下子步骤：

7.1)将手持三维测量仪初始拍摄得到的第一份标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标分别保存至世界坐标系下的标志点三维坐标点集和世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.2)将当前手持三维测量仪坐标系下得到的标志点三维坐标点集与世界坐标系下的标志点三维坐标点集进行匹配，如果有3个以上的标志点匹配成功，则可获得当前手持测量仪坐标系与世界坐标系之间的转换关系，然后将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，并将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.3)重复步骤7.2)，直至手持三维测量仪完成待测物体表面的扫描，则完成物体表面三维测量并得到世界坐标系下待测物体表面测量点的三维数据。

具体来讲，定位手持三维测量仪的目的是计算从当前手持三维测量仪坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，以实现当前物体表面测量点从手持式坐标系到世界坐标系的转换。在测量开始的初始阶段，世界坐标系下的标志点三维点集为空，当手持三维测量仪测量得到第一份数据时***计算出标志点的三维坐标，并将这些标志点坐标保存至标志点世界坐标系下三维坐标点集，并且手持三维测量仪的第一位置定义了被测物体的世界坐标系，所有的标志点三维坐标将被转换到这一坐标系中。

建立初始的世界坐标系下标志点的三维坐标点集后，随后的标志点会根据其几何分布特征与标志点世界坐标系下三维坐标点集进行匹配，如果有3个及以上的标志点匹配成功，则可以计算出当前手持三维测量仪坐标系与世界坐标系之间的转换关系，这种转换可以认为是准确的，然后根据转换关系将当前标志点坐标全部转换到世界坐标系中，并将转换后的三维坐标保存到标志点世界坐标系下三维坐标点集中；

如果没有3个及以上的点匹配成功，测量仪的定位就无法完成，此时所测量得到的数据由于无法转换到世界坐标系而被全部清除。

在实现了测量仪的定位后，当前测量仪坐标系与世界坐标系之间的转换关系被确定，根据所述转换关系，可以将当前测量点转换到世界坐标系。将所有测量得到的世界坐标系下的点保存到世界坐标系下物体表面点集中，当测量仪完成围绕被测物体表面的扫描时，此时完整的物体表面三维测量就完成了，然后用户可以通过测量后数据后处理实现用户需求。

图2为手持三维测量仪的主视图，所述测量仪包括2个CCD相机，两个相机相隔的距离为基线距离，在两个相机之间并排设置三个十字激光器，这样可以保证相机能采集到投射的激光条纹。为了减少环境光对测量结果的影响，相机前安装有与激光器频率一致的滤光镜，所述滤光镜可以将与激光器光线频率不一样的光线过滤，减少了环境光的干扰。由于安装了滤光镜，一般的标志点将无法在图像中清晰成像。我们采用具有荧光效果的标志点，并围绕相机安装多个LED光源，此光源的频率与激光器频率一致，由LED光源产生的光照射在物体表面，经圆形荧光标志点反射后在相机图像中可以清晰成像，标志点的圆心位置将被精确的计算，从而实现测量仪的精确定位。

如图3所示，本扫描仪的测量距离设计为30—45cm，因此两相机的基线距离约为20cm，并且所述测量仪可以达到亚毫米的精度。在测量物体表面时，3个激光器同时向物体表面投射激光条纹，对于手持式激光三维测量，投射在物体表面的激光光线越多，单次测量的数据越多，测量速度越快。因此本发明的设备及测量方法的优点在于实现了手持式多激光条纹快速三维测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)粘贴标志点：根据测量视场的大小，在待测物体表面粘贴若干个圆形的标志点，并且每个标志点在远离待测物体的端面上均设有与标志点同心的荧光粉圆形区域，此外，任意两标志点的圆心距不相等；

2)使用手持三维测量仪测量物体表面的三维数据：所述手持三维测量仪具有多个激光器、两个已标定的CCD相机和多个用于照射待测物体的LED光源；所有激光器同时向被测物表面投射出若干条激光条纹，并且这些激光条纹包括至少两条相互平行的第一条纹线和至少两条相互平行的第二条纹线，所述的第一条纹线与第二条纹线相互垂直；

3)采集图像：两CCD相机同步拍摄物体表面的激光条纹和标志点，每个相机采集的图像均包含物体表面反射的激光条纹信息和标志点反射的标志点信息；所述激光条纹信息用于获得待测物体表面的激光条纹纵向中心线上的点的三维坐标数据，所述标志点信息用于确定当前的手持三维测量仪坐标系与所建立的世界坐标系的相对位置关系；其中，手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系，世界坐标系为初始拍摄时的手持三维测量仪坐标系；

4)图像处理：分别提取每个相机的图像中每条激光条纹纵向中心线上的点在图像上的二维坐标信息和标志点圆心在图像上的二维坐标信息；其中，所述激光条纹纵向中心线为激光条纹上沿纵向分布的中心点所连成的线；

5)通过步骤4)中标志点圆心的二维坐标信息，获得待测物体上的标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

6)通过步骤4)中每条激光条纹的二维坐标信息，获得待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；

7)手持三维测量仪的定位和世界坐标系下的数据拼合，即利用标志点信息来获得从手持测量仪坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，以获得待测物体表面测量点从手持测量仪坐标系到世界坐标系的转换关系，并将所有满足标志点匹配条件的手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标均保存到世界坐标系下；则在完成物体全部表面三维测量后，获得世界坐标系下待测物体表面的测量点的三维数据。

2.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤2)中所述LED光源发出的光线颜色与激光器发出的激光条纹的颜色一致。

3.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤2)中所述CCD相机上设置有滤镜，以过滤与LED光源发出的光线、激光器发出的激光条纹颜色不同的光线。

4.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤4)中采用亚像素提取方法来获取激光条纹上沿纵向分布的中心点，然后由这些中心点连成所述的纵向中心线。

5.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤5)中，通过步骤4)中获得的两相机的图像中标志点的圆心的二维坐标信息，采用对应点匹配和三维重建技术，分别获得待测物体上的每个标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标。

6.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤6)中，采用斜率约束和极线约束，将其中一个相机图像中的激光条纹纵向中心线上的点与另一相机图像中的相应激光条纹的纵向中心线上的点一一对应，则形成多个匹配点对；通过上述的这些匹配点对，利用三维重建技术分别得到每个匹配点对所对应的待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；其中，斜率约束指第一条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致，以及第二条纹线分别在两个相机中所成的像的斜率的正负一致。

7.根据权利要求1所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤7)包括以下子步骤：

7.1)将手持三维测量仪初始拍摄得到的第一份标志点三维坐标数据和待测物体表面测量点的三维坐标分别保存至世界坐标系下的标志点三维坐标点集和世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.2)将当前手持三维测量仪坐标系下得到的标志点三维坐标点集与世界坐标系下的标志点三维坐标点集进行匹配，如果有3个以上的标志点匹配成功，则可获得当前手持测量仪坐标系与世界坐标系之间的转换关系，然后将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，并将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集；

7.3)重复步骤7.2)，直至手持三维测量仪完成待测物体表面的扫描，则完成物体表面三维测量，并最终得到世界坐标系下待测物体表面测量点的三维数据。

8.根据权利要求7所述的一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于：步骤7.2)中，如果没有3个以上的点匹配成功，则手持测量仪无法定位，此时当前手持测量仪坐标系下的激光条纹信息和标志点信息无法转换到世界坐标系，将被全部清除。

9.一种三维测量设备，其特征在于：包括手持三维测量仪、图像处理器、三维表面点计算器和三维位置特征计算器和三维位置转换器，其中，

所述手持三维测量仪包含支架、多个十字激光器或平行激光器、多个LED灯和两个已标定的CCD相机，所述激光器与CCD相机均固定在所述支架上，每个CCD相机旁均设置有多个LED灯并且这些LED灯环绕CCD相机设置，以用于照射待测物体；

所述图像处理器来获得所述激光器发出的激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息和标志点圆心的二维坐标信息；

所述三维表面点计算器用于将激光条纹纵向中心线上的点的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息，其中，所述手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系；

所述三维位置特征计算器用于把所述标志点圆心的二维坐标信息转换为手持测量仪坐标系下的三维坐标信息；

所述三维位置转换器用于计算当前手持测量仪坐标系与世界坐标系的转换关系，并将当前手持三维测量仪坐标系下的标志点三维坐标全部转换到世界坐标系中并保存到世界坐标系下的标志点三维坐标点集，以及将当前手持测量仪坐标系下待测物体表面测量点的三维坐标全部转换到世界坐标系下并保存到世界坐标系下的待测物体表面测量点三维坐标点集。