CN110296667B - 基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法，由激光三角法原理、线结构光入射角度调整方法、三维点云数据处理三大关键部分组成。本发明的优点是：(1)传统的高光点去除方法是对三维点云数据中镜面反射噪声或离群点进行去噪，这样会导致在去除噪声同时也去除了局部的有效信息，本发明通过改变激光器入射角度，使得镜面反射噪声或离群点发生的位置发生偏移，以便后期处理可以保留有效信息的同时去除镜面反射噪声，从而提高测量精度。(2)该方法在针对具有高反射表面物体的高精度三维测量方面具有很高的实用价值。

Description

基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法。

背景技术

线结构光扫描三维测量方法在测量具有高反射表面的类镜面物体时有速度快、精度高、价格低、而且线结构光视觉传感器的体积小，安装和调试简单等优点，适用于一般物体的三维测量，已广泛应用于工业制造、文物保护、医疗等诸多领域。一般的线激光扫描测量实验装置包括线激光器、CCD相机、电动平移台、平移台控制器、计算机、标定板和待测物体；由线激光器将线激光投射到被测物体表面，如果物体沿激光光轴移动或者物体表面深度发生变化，那么CCD光敏面上的成像点也会随之移动，此时，由CCD相机接收投射到物体表面发生畸变的线激光图像，通过相机标定和激光平面标定所得的相机内外参数和激光平面方程结合激光三角法的原理可以得到物体的高度信息，经过计算机的相关处理即可恢复出相应的三维点云数据。

在实际的测量情况中，有很多被测物体具有镜面反射的特征，例如金属零部件、陶瓷、光学器件、抛光模具、焊缝等，运用线结构扫描的方法对镜面反射特征物体进行测量是当前的热点与难点，当线激光投射到具有镜面反射特征的物体表面时，会导致图像过饱和或过暗，如果被测物体表面呈现出镜面反射特征，就会导致相机接收到的激光条纹信息不准确，使恢复出的三维点云数据失真，大幅降低精度，无法满足测量要求。目前方法大多是通过相关算法对恢复出的带有镜面反射造成的噪声或离群点的点云数据进行去噪，这些方法在去除噪声后相应位置的点云数据是空缺的，既没有噪声也没有有效信息，此时往往采用拟合的方式对相关的空缺部分进行补偿，但是和物体实际的高度信息差别较大，对测量精度的影响依然很大。

在工业制造领域，大量涉及到对具有镜面反射表面的物体的精密制造，对具有镜面反射表面物体的三维测量在实际中具有极大的意义，但是目前对于具有镜面反射表面的物体的三维测量还是难点，相关的研究还处于起步阶段，本发明所提出的针对镜面表面的线激光扫描三维测量方法为解决镜面反射表面的物体的测量提供了一种新的解决方案。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法，此方法相较于传统的镜面反射表面物体的三维形貌测量方法，对点云数据中镜面反射噪声去除，本发明在测量精度上有明显的提高。

本发明提出了一种基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法，利用镜面反射模型的特性，通过改变线激光入射角度对具有高反射表面的物体进行三维测量的方法。在测量***中加入一个三维的参考物体，在参考物体表面标记一个具有和线激光投影在其表面时形成的条纹重合的标记线，当线激光扫描测量过程中遇到镜面反射较多的区域时，调整线激光的入射角度，并保证调整角度后的激光条纹与参考物表面所标记的参考线重合，此时的激光平面在世界坐标系和相机坐标系中的位置并没有发生改变，也避免的二次标定和点云数据拼接等的繁琐步骤，由于改变线结构光的入射角度，从而可以改变相机接收到的图片中镜面反射在物体表面发生的位置，利用这一特性，两次不同入射角度的激光条纹在同一相机视场中获得的两个图像镜面反射的位置不同，但是两个激光条纹实际上是投射在同一位置，两次所获得的点云数据在不包含镜面反射所造成的噪声的情况下是一致的，因此可以将两次获得的点云数据在世界坐标系或相机坐标系下统一在同一个位置，即对两组点云数据求并集，此时，点云数据中包含两组不同位置的镜面反射造成的噪声，并且所有地方都包含有效高度信息，只需要将两组镜面反射造成的噪声去除即可得到完整的三维点云数据，避免了一般的算法在去除噪声后会在相应位置的点云数据形成数据缺失的缺点，保证了测量精度。

本发明是这样实现的，大致可以分为四个过程：一、完成第一次测量，判断是否含有镜面反射噪声或离群点；二、如果否，恢复出被测物体的三维形貌数据，如果有，定位出镜面反射噪声或离群点发生的位置，将物体通过平移台调整到镜面反射发生的位置；三、调整线激光器入射角度，并通过参考物体保证两次投射的激光平面在世界坐标系下的位置不变，进行第二次测量；四、将两次测量的三维点云数据融合，去除镜面反射噪声或离群点。

基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1将激光器固定在一个位置，投射线激光条纹到被测物体物体表面，在被测物体边固定放置一个带参考线的参考物体，并且保证此时激光条纹投射在参考物体表面的参考线上，使得参考线恰好与激光条纹重合；

步骤2标定相机内外参数和激光平面方程；

步骤3通过电动位移台使物体沿一个方向平移，相机采集携带激光条纹的物体图片，并通过计算机计算出物体的高度并恢复出被测物体表面的三维点云数据；

步骤4筛选出点云数据中的镜面反射噪声或离群噪声，利用电动位移台使物体返回到发生镜面反射的位置重新测量，调整激光器入射角，并保证激光条纹和参考物体上的参考线重合，对定位的噪声位置处重新采集图像；

步骤5对第二次采集到图像计算其高度得到点云数据，合并两次所得的点云数据，对其中的镜面反射噪声或离群点进行去除。

本发明的优点是：

(1)根据参考物的参考线调整激光器入射角度，保证了调整入射角度前后的激光平面在世界坐标系或相机坐标系下的位置不变，从而可以保证多角度投影的测量方法的精度。

(2)对第二次采集到图像计算其高度得到点云数据，合并两次所得的点云数据，避免了在后续处理中去除镜面反射噪声或离群点后信息缺失的问题，提高了测量精度。

(3)该方法在针对具有高反射表面物体的高精度三维测量方面具有很高的实用价值。

附图说明

图1实验结构装置图。

图2斜射式激光三角法示意图。

图3带参考线的参考物体示意图。

图4基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法流程图。

图5对具有高反射特性的金属标准块表面的测量结果。

具体实施方式

一、多角度投影测量高反射表面物体模型的建立

采用斜射式激光三角法对具有镜面反射特征的物体的表面三维形貌进行测量。其原理如下：假设H₀所在平面是参考平面，且激光光轴和成像透镜光轴是垂直的。入射激光以与参考平面成α夹角入射光到物体表面，部分漫反射光经过成像透镜中心在线阵CCD光敏面上成像，发射光和线阵CCD光敏面的夹角为β。在入射光方向上被测物点和其在线阵CCD光敏面上所成的像点位置是一一对应的关系。

根据三角形相似原理，可以得到以下关系：

即

由式(2)可得：

其中，y是H₁相对参考平面的高度，X是像点M₁和M₀之间的相移，a是H₀点的成像物距，b是H₁点的成像像距。

本发明在斜射式激光三角法的***中加入了带有参考线的参考物来辅助线激光器入射角的调整，以确保调整后的激光平面与调整前的激光平面在世界坐标系下处于同一位置。

二、坐标系的转换与标定

在实际测量模型中需要经过坐标系的转换，首先需要将像素坐标转换为图像坐标，具体过程可以描述为：

以上为像素坐标系与图像物理坐标系的转换关系，式中，d_x、d_y表示每一个像素在图像物理坐标系X轴与Y轴方向上的物理尺寸；(u₀,v₀)表示光心点在像素坐标系中的坐标。

以上为图像物理坐标系与相机坐标系的转换关系，其中f是相机焦距，若(X_c,Y_c,Z_c)表示空间中任一点P的摄像机坐标，(x,y)表示该点对应的图像坐标。C表示相机中心，O表示图像坐标系原点。

以上为世界坐标系与相机坐标系的转换关系，式中，R是3×3的旋转正交矩阵，t是3×1平移向量。由公式(4)、(5)、(6)可以得到世界坐标系与图像像素坐标系之间的关系：

式中，f_x＝f/d_x,f_y＝f/d_y。参数f_x、f_y、u₀、v₀只取决于相机的内部构造，称为内部参数，R和t取决于相机对世界坐标系的方位，称为相机的外部参数，相机的内参和外参可以由相机的标定得到。

经过上述变换，可以实现从世界坐标系的三维空间到图像坐标系的二维空间之间的转换。上述公式还无法得到被测物体的高度信息，还需要加上一个由激光平面标定所得的约束方程，该方程可描述为：

AX_w+BY_w+CZ_w+D＝0 (8)

该方程的系数由激光平面标定所得，假设标定出的激光平面经过世界坐标系上的参考物体上的三个点A(X_w1,Y_w1,Z_w1)，B(X_w2,Y_w2,Z_w2)，C(X_w3,Y_w3,Z_w3)，这三个点形成的连线即为参考线，调整激光器的入射角后保证激光条纹依然经过参考线，此时的激光平面也包含A、B、C三个点，从而可以保证调整入射角前后的两个激光平面在世界坐标系下为同一个平面。

由公式(7)和(8)即可恢复出被测物体在世界坐标系下的三维点云数据。

三、利用多角度投影测量方法对镜面物体测量

利用计算机恢复出被测物体的三维点云数据后，检测点云数据中镜面反射噪声或离群点发生的位置，通过电动平移台将被测物体移动到发生镜面反射的位置，根据参考物调整线激光入射角度，使线激光投射出的激光条纹和参考物上的参考线重合，此时，调整后的激光平面在世界坐标系中的位置与调整前的一致，不用重新对激光平面进行标定，调整激光器入射角后继续对被测物体进行测量，对两次测量所得的点云数据进行融合得到一个新的点云数据，对得到的新的点云数据，识别其中的镜面反射噪声和离群点云数据并用相关算法进行去噪处理，从而恢复出具有镜面特征的物体的表面形貌三维点云数据。

本方法克服了传统方法在对带有镜面反射噪声和离群点云数据的处理后信息缺失的问题，提高了测量精度，在针对具有高反射表面物体的高精度三维测量方面具有较大的实际意义。

Claims (1)

1.基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1将激光器固定在一个位置，投射线激光条纹到被测物体表面，在被测物体边固定放置一个带参考线的参考物体，并且保证此时激光条纹投射在参考物体表面的参考线上，使得参考线恰好与激光条纹重合；

步骤2标定相机内外参数和激光平面方程；

步骤3通过电动位移台使物体沿一个方向平移，相机采集携带激光条纹的物体图片，并通过计算机计算出三维点云数据；

步骤4筛选出点云数据中的镜面反射噪声或离群噪声，定位其发生位置，根据参考物体上的参考线调整激光器入射角，保证了调整入射角度前后的激光平面在世界坐标系或相机坐标系下的位置不变，并保证激光条纹和参考物体上的参考线重合，对定位的噪声位置处重新采集图像；

步骤5对第二次采集到图像计算其高度得到点云数据，合并两次所得的点云数据，对其中的镜面反射噪声或离群点进行去除。

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