CN107063129B - 一种阵列式并行激光投影三维扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式并行激光投影三维扫描***,其特征在于：包括用于投影不同方向线激光的激光微振镜投影装置和用于数据采集的若干组阵列式相机，对每张采集的图像，先进行不同方向的光刀分离，然后对每个方向光刀分别提取光刀中心，根据投影装置与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标。激光投影装置采用的是MEMS扫描振镜激光，相比数字光和物理光栅技术，具有景深大，扫描速度快，体积小和扫描精度高的优点；同时该***将相机阵列式分布，对复杂台阶边缘测量敏感，可实现物体的非接触、高速度和物体边缘台阶高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于光学三维测量领域，将多个摄像机阵列式分布与激光投影装置组合成阵列式并行激光投影三维扫描***，该***对复杂台阶边缘测量敏感，可实现物体的非接触、高速度和物体边缘台阶高精度测量。
背景技术
光学三维测量由于具有非接触、高精高和速度快的优势，已在工业制造、动画特技制作、游戏娱乐和医学等行业崭露头角，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力，其应用可谓方兴未艾,并且制造商也在逐渐开发出性能更好的产品，己初步形成了颇具规模的产业。
光学三维测量分为主动式和被动式两种。被动式测量技术主要以立体视觉技术为代表，采用非结构光照明方式，从一个或多个角度观察***中的二维图像信息来合成第三维信息，从而得到物体的三维数据。立体视觉技术***结构简单，但存在着匹配难、计算速度慢等缺点。主动式测量技术以结构光条纹投影和激光线扫描为代表。
结构光条纹投影方法是将条纹投影到被测物体表面，经被测物体表面调制的变形条纹由摄像机采集，再进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。
激光线扫描测量法，是以一条或多条激光光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对金属物体表面同样可以进行测量等优点，被广泛的应用于工业检测和金属测量领域中。然而，在传统的激光线扫描测量方法中，都是向被测物投影一个方向的一条或多条光刀，由于激光线宽通常在0.2mm-0.5mm，在物理上难以压缩，当测量物体有相互垂直的边缘时，传统的测量方法只可以在某一方向的边缘测量满足要求，使用传统的测量方法时需要多次测量并且还需要旋转装置。同时，传统的激光扫描的测量精度将受到光源技术和投影设备的影响，传统的投影镜头采用DLP，LCD等数字光技术，但由于其投影像素离散、分辨率有限、光强度非线性和功耗高等缺点，严重影响了三维扫描的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种将多个阵列式分布摄像机与激光投影装置组合成阵列式并行激光投影三维扫描***。该扫描***选用激光微振镜投影装置，可以横向和纵向同时投影一条或多条线激光，替代了传统线结构光测量***中的单色激光器和机械位移结构；该投影装置可以编程，按照编码同时投影多条不同方向的线激光，利用阵列式分布摄像机对其进行采集和识别，对被测物体不同方向的边缘测量比较敏感，只进行扫描一次就可以重建物体复杂边缘台阶，且测量速度快，边缘测量精度高。
本发明采取的技术方案为：
一种阵列式并行激光投影三维扫描***，包括用于投影不同方向线激光的激光微振镜投影装置和用于数据采集的两组(或多组)阵列式摄像机。对每张采集的图像，先进行不同方向的光刀分离，然后对每个方向光刀分别提取光刀中心，根据投影装置与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标。该方法的优势在于：可以同时投影两个方向线激光，对测量物体复杂边缘台阶敏感，只需要一次扫描可以实现不同方向边缘的三维重建且不需要任何旋转装置。
整个扫描过程如下：
第一步：在扫描被测物前，标定摄像机内参和摄像机与基准平面的位姿关系。
(1)每组摄像机分别标定左摄像机与右摄像机(或投影装置)组合成的双目(或单目)立体视觉***内外参数(摄像机有效焦距、光心、畸变系数、像元间距、两摄像机坐标系间平移矩阵和旋转矩阵)。
(2)在基准平面放置一个标定板，每组摄像机分别采集一张标定板图片，求出每组摄像机中的左摄像机与标定板坐标系的旋转矩阵。
第二步：计算有效区域光刀中心矩阵
(1)该步骤以两组双目***为例描述，通过傅里叶变化求取A组摄像机(A1、A2)采集到图片的频谱信息，选择合适的滤波器滤除X方向的光刀频谱信息和X方向的边缘频谱信息；然后，进行逆傅里叶变化，求取Y方向的光刀中心矩阵Center。
(2)将A组摄像机(A1、A2)采集的背景图片，通过边缘检测算子(如sobel算子)可以得到被测物Y方向边缘的二值化矩阵Mask。根据公式Center*(1-Mask)可得到Y方向有效区域的光刀中心矩阵。对于图片质量较差的光刀位置，采用多级曝光技术，来求取该位置的光刀中心。采用同样的方法，对B组摄像机(B1、B2)采集到的数据进行同样的处理，获得B组摄像机X方向的有效光刀中心矩阵。
第三步：进行物体三维重建
根据第一步对***进行的标定过程，可以获得每组摄像机的标定内参和外参。并且，我们已经计算出每组摄像机的有效光刀中心矩阵，通过极线校正和双目立体视觉技术，可以获得每组摄像机三维点云模型。将每组摄像机的三维点云模型转到同一个参考平面坐标系下，然后再利用ICP(Internative ClosestPoints)算法优化，最后形成完整的被测物体的三维点云数据。
有益效果
本发明方案提出的是一种阵列式并行激光投影三维扫描***，激光投影装置采用的是MEMS扫描振镜激光，相比数字光和物理光栅技术，具有景深大，扫描速度快，体积小和扫描精度高的优点；同时该***将摄像机阵列式分布，对复杂台阶边缘测量敏感，可实现物体的非接触、高速度和物体边缘台阶高精度测量。
附图说明
图1示出一种阵列式并行激光投影三维扫描装置整体图，其中，A1为第一摄像机，A2为第二摄像机，B1为第三摄像机，B2为第四摄像机，摄像机2为激光投影装置，摄像机4为被测物体；
图2示出多光刀采集原图；
图3示出提取X方向多光刀图片；
图4示出提取Y方向多光刀图片。
具体实施方式
下面具体结合附图对本发明做详细描述。
在被测物上方放置一个阵列式并行激光投影三维扫描装置(图一所示)，其包括用于投影不同方向线激光的激光微振镜投影装置和用于数据采集的两组或多组阵列式摄像机，摄像机围绕激光投影装置呈阵列式分布。
一种阵列式并行激光投影三维扫描***，具体包括以下步骤：
第一步，标定***参数。
在扫描被测物前，标定摄像机内参和摄像机与激光平面的位姿关系。该步骤以一组单目***和一组双目***为例分别介绍具体标定过程。
(1)标定双目***的内外参数
第一摄像机和第二摄像机中心对称设置，第一摄像机和第二摄像机组成了A组摄像机，先以A组摄像机为例，标定第一摄像机A1第一摄像机A1与第二摄像机A2内外参数(摄像机有效焦距、光心、像元间距、两摄像机坐标系间平移矩阵和旋转矩阵)方法如下：
该标定为双摄像机***标定，要知道每个摄像机的内参，同时还要知道两个摄像机坐标系之间的位置关系，这种位置关系可以用A2摄像机在A1摄像机之间的位姿表示也可以认为是A2摄像机坐标系中的某点的坐标到A1摄像机坐标系中相对应点的坐标转换：
Pc1＝RrPc2+Tr
同时，定义两个投影中心之间的平移为平移向量Tr,被称作基线；世界坐标系中的一点PW投影为第一个图像中的P1点与第二个图像中的P2点；暂时假设镜头没有畸变，PW、O1、O2、P1、P2在同一平面上；双摄像机***标定中，以空间点投影到A1、A2两个摄像机的图像上的投影像素坐标与摄像机拍摄到的真实图像坐标距离最小为优化目标；Mi表示标定板上一个标志点，将一个摄像机拍摄到的标定图像看作是第一组，其中标志点Mi在图像上表示为mi,j,1；将二个摄像机拍摄到的标定图像看作是第二组，其中标志点Mi在图像上表示为mi,j,2；另外摄像机参数也用向量c表示，它包含两个摄像机的内参，l个标定板在第二个摄像机中的位置参数，以及两个摄像机之间的相对位姿；当摄像机参数向量c确定时，双目***的成像模型，以及重建的三角关系就确定了，也就确定了Mi到第一幅和第二幅图像的映射π1(Mi,c)和π2(Mi,c)；因此双目立体视觉***标定的目标函数是：
从而求出最优解的c,也就是我们需要的标定结果，包括两个摄像机的内参c＝(f1,κ1,sx1,sy1,cx1,cy1,f2,κ2,sx2,sy2,cx2,cy2)和A2坐标系在A1坐标系中的位姿[Rr,Tr]。
用同样的方法，对B组摄像机也用上述方法进行标定，可以获得B组(B1，B2)两个摄像机的内参和B2在B1摄像机坐标系中的位姿[Rr,Tr]。
(2)标定单目***的内外参数
先以标定A1摄像机与投影装置为例，标定第一摄像机A1第一摄像机A1与投影装置的内外参数(摄像机有效焦距、光心、像元间距、摄像机坐标系与投影装置间平移矩阵和旋转矩阵)方法如下：
①摆放好标定板，使之位于摄像机和投影仪的共同视场内。用摄像机拍摄标定板的图像，保存每一张图像，并提取图像中标定每个标志点的图像坐标和圆心的亚像素坐标；
②用投影仪向标定板分别投射一组水平方向和垂直方向的三频四步相移条纹图，并用摄像机拍摄图像作为投影仪逆摄像机模型所拍摄的图像；
③对条纹相位图进行处理，利用四步相移法的相位展开(相位解包裹)分别计算出水平方向和垂直方向的条纹投影的绝对相位值，在使用四步相移法计算四步相移相位图的相位主值时，需要对相位优化处理；
④根据摄像机坐标系下的标志点圆心所对应的像素，利用立方插值得到每个圆心坐标在x方向和y方向所对应的绝对相位值，然后利用绝对相位值在标准相位展开图上再次利用立方插值计算出对应的投影图像的横坐标和纵坐标，从而得到每个标志点圆心对应的投影仪图像坐标；
⑤在计算出标志点在投影装置的逆摄像机模型的坐标后，对投影装置进行标定，得到摄像机、投影装置的内部参数和摄像机与投影装置的相对位置矩阵。
第三摄像机和第四摄像机中心对称设置，第三摄像机和第四摄像机组成了B组摄像机，用同样的方法，对B1摄像机也用上述方法进行标定，可以获得B1摄像机的内参和B1摄像机坐标系与投影仪的位姿[Rr,Tr]。
(3)分别标定A1、B1摄像机坐标系与标定板坐标系的转换关系
在标定***中，除了需要标定摄像机的内外参数，还需要标定摄像机坐标系与标定板坐标系的转换关系。将标定板放置在基准平面(激光平面)，用A、B两组摄像机分别拍摄一张图片，则标定板上一点P在A1、B1两个摄像机坐标系下的坐标分别是Pa1,Pb1,且P、Pa1和Pb1满足关系式
P＝Ta+RaPa1
P＝Tb+RbPb1
第二步，计算有效区域光刀中心矩阵
(1)该步骤以两组双目***为例描述，通过傅里叶变化求取A组摄像机(A1、A2)采集到图片的频谱信息，选择合适的滤波器滤除X方向的光刀频谱信息和X方向的边缘频谱信息；然后，进行逆傅里叶变化，求取Y方向的光刀中心矩阵Center。
(2)将A组摄像机(A1、A2)先分别采集一张背景图片，保证该图片可以分辨出被测物体的边缘信息。通过边缘检测算子(如sobel算子)可以得到被测物Y方向边缘的二值化矩阵Mask。根据公式Center*(1-Mask)可得到Y方向有效区域的光刀中心矩阵。对于图片质量较差的光刀位置，调整摄像机参数，采用多级曝光技术，进行再次数据采集，并求取该位置的光刀中心。采用同样的方法，对B组摄像机(B1、B2)采集到的数据进行同样的处理，获得B组摄像机X方向的有效光刀中心矩阵。图二为光刀采集原图，图三为提取X方向光刀图片，图四为提取Y方向多光刀图片。
第三步，进行物体三维重建
我们已经获得光刀中心矩阵和摄像机的内外参数，根据(类)双目立体视觉技术，可以重建出两个不同方向的点云模型，将两个不同方向的点云模型进行基于基准面坐标系粗拼接和ICP算法精确拼接，可以获得物体的三维模型，具体过程如下：
(1)基于基准面坐标系粗拼接
上述得到的物体的点云模型分别在A1，B1摄像机坐标下，根据第一步得到的A1摄像机坐标系与基准面坐标系的位姿关系Ra，Ta，利用公式P＝Ta+RaPa1，将A1摄像机坐标系下的点云模型，全部转到基准面坐标系下。同样，根据B1摄像机坐标系与基准面坐标系的位姿关系Rb，Tb，利用公式P＝Tb+RbPb1，将B1摄像机坐标系下的点云模型，全部转到基准面坐标系下,可以得到被测物的粗拼接模型。
(2)ICP算法精确拼接
在上述基于基准面坐标粗拼接的基础上，采用ICP(Internative ClosestPoints)算法对齐进行优化拼接，得到更加准确的拼接结果。
ICP算法是找出两个有重合区域的点集的对应关系，并根据空间对应点求解其坐标变换。ICP算法是一种迭代收敛算法，所以对初始值的估计非常敏感，基于基准面坐标粗拼接可以为ICP算法提供比较准确的初始位姿。
假定用{Pi|i＝1,2,3,…，r}和{Qi|i＝1,2,3,…,s}表示经过基于基准面坐标粗拼接之后的空间两个对应点集，P和Q不用一一对应，r，s也不必相等，设r＞s，两片点云有n个正确对应点。ICP算法的就是找到这两个空间对应点集之间的旋转R和平移T变换，使下式的目标函数最小。
因此采用ICP算法进行拼接优化，提高被测物体复杂边缘台阶的精度，最终可以得到完整精确的模型。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种阵列式并行激光投影三维扫描***,其特征在于：包括用于投影不同方向线激光的激光微振镜投影装置和用于数据采集的若干组阵列式摄像机，对每张采集的图像，先进行不同方向的光刀分离，然后对每个方向光刀分别提取光刀中心，根据投影装置与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标；
所述三维扫描***工作时，激光投影装置沿被测物投影不同方向的线激光，摄像机同时进行数据采集；将摄像机数据分别进行不同方向的光刀分离，然后再分别进行光刀中心提取和多级曝光技术，获得每组摄像机的有效区域的光刀中心矩阵；根据光刀中心矩阵和摄像机参数，重建出每组摄像机的三维点云模型，将这些点云数据进行拼接形成完整的被测物三维点云模型；
第一步，在扫描被测物前，标定摄像机内参和摄像机与基准平面的位姿关系：
(1)每组摄像机分别标定左摄像机与右摄像机或投影装置组合成的双目或单目立体视觉***内外参数；
(2)在基准平面放置一个标定板，每组摄像机分别采集一张标定板图片，求出每组摄像机中的左摄像机与标定板坐标系的旋转矩阵；
第二步，计算有效区域光刀中心矩阵：
(1)该步骤用两组双目***，通过傅里叶变化求取A组摄像机采集到图片的频谱信息，选择合适的滤波器滤除X方向的光刀频谱信息和X方向的边缘频谱信息；然后，进行逆傅里叶变化，求取Y方向的光刀中心矩阵Center；
(2)将A组摄像机采集的背景图片，通过边缘检测算子得到被测物Y方向边缘的二值化矩阵Mask；根据公式Center*(1-Mask)可得到Y方向有效区域的光刀中心矩阵,对于图片质量较差的光刀位置，采用多级曝光技术，来求取该位置的光刀中心；采用同样的方法，对B组摄像机采集到的数据进行同样的处理，获得B组摄像机X方向的有效光刀中心矩阵；
第三步，进行物体三维重建：
根据第一步对***进行的标定过程，获得每组摄像机的标定内参和外参；并且，已经计算出每组摄像机的有效光刀中心矩阵，通过极线校正和双目立体视觉技术，获得每组摄像机三维点云模型；将每组摄像机的三维点云模型转到同一个参考平面坐标系下，然后再利用ICP拼接算法优化，最后形成完整的被测物体的三维点云坐标。
2.如权利要求1所述阵列式并行激光投影三维扫描***,其特征在于：所述若干组阵列式摄像机是两组或多组阵列式摄像机。
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Denomination of invention: An array parallel laser projection 3D scanning method Effective date of registration: 20210121 Granted publication date: 20190607 Pledgee: Pudong Development Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: XI'AN CHISHINE OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021610000019 |