CN110702007B - 一种基于mems扫描振镜的线结构光三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人视觉三维测量技术领域，并公开了一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法。该方法包括下列步骤：(a)设定MEMS扫描振镜的扫描范围，光点之间的间隔角度；(b)采用二维棋盘标靶标定激光发射点A到每个光点的连线形成的光线方程；(c)MEMS扫描振镜扫描待测物体，建立图像上的点与光点之间的对应关系；(d)计算直线图像上的任意点P与相机光心B连线形成的直线PB与光线AO的交点，该交点坐标即为所需的光点O坐标，以此方式获得待测物体表面所有光点的坐标，即实现待测物体的三维测量。通过本发明，消除线结构光在测量混合反射表面时由于光条过曝而导致光条中心提取不准的影响提高三维测量精度。

Description

一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法

技术领域

本发明属于机器人视觉三维测量技术领域，更具体地，涉及一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法。

背景技术

近年来随着工业技术的发展，对真实世界三维结构的测量需求也越来越广泛。其中在结构光方面主要发展出了点结构光技术，线结构光技术及面结构光技术。结构光测量获取被测物体表面的三维信息，一般都是基于三角法原理。线结构光测量方法获取被测目标信息一般通过三步：①通过标定确定线光平面与相机坐标系的位姿关系；②光条中心提取确定物体表面线光在相机成像面的投影点；③三角法计算三维点坐标。

利用线结构光可以准确的获得漫反射物体表面在相机坐标系下的三维点坐标。但是当物体表面表现为混合反射(兼有漫反射和镜面反射)表面特性时，线结构光由于光条中心提取误差较大而导致测量误差降低甚至不能得到有效的测量结果。

光条中心提取误差较大的原因是由于线激光照射在混合反射表明时，存在镜面反射及互反射导致光条过曝。目前来说，线激光的非编码特性是导致线结构光测量方法在测量混合反射表面效果不佳的主要原因。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，通过设定每个光点的亮度区分不同的光点，并采用二维棋盘靶标标定激光发射点和光点的光线方程确定光线方向，减小计算复杂度，同时消除提取光条中心的误差，提高测量准确度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，该方法包括下列步骤：

(a)设定MEMS扫描振镜的扫描范围，光点之间的间隔角度，将所述扫范围按照该间隔角度均分，并对均分后的光点进行编号，以此获得每个光点编号；

(b)将二维棋盘标靶放置MEMS扫描振镜的扫描域内，采用光刀平面标定方法对MEMS扫描振镜进行标定，以此获得MEMS扫描振镜上激光发射点A到每个光点的连线形成的光线方程；

(c)移除二维棋盘并将测物体放置在MEMS扫描振镜的扫描域内，设定每个光点的亮度与光点编号之间的关系式，根据该关系式对每个光点的亮度进行设定，MEMS扫描振镜按照设定的光点亮度、扫描范围和间隔角度在待测物体表面扫描，使得在待测物体表面形成一条亮度不一的直线，相机拍摄该直线获得直线图像，利用该直线图像建立图像上的点与光点之间的对应关系；

(d)对于步骤(c)中获得的直线图像上的任意点P，根据步骤(c)获得的直线图像上的点与光点之间的对应关系获得在待测物体表面与所述任意点P对应的光点O，在根据步骤(b)中获得的所有直线方程中找到O点所在的光线方程AO，计算P点与相机的光心B连线形成的直线PB与光线AO的交点，该交点坐标即为所需的光点O坐标，以此方式获得待测物体表面所有光点的坐标，即实现待测物体的三维测量。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述采用光刀平面标定方法对MEMS扫描振镜进行标定，优选按照下列步骤进行：

(b1)相机拍摄二维棋盘靶标，利用拍摄的棋盘靶标图像获得二维棋盘靶标的平面在相机坐标系下的平面方程；

(b2)MEMS扫描振镜上的激光发射点A发出激光按照步骤(a)中设定的扫描范围和光点间隔角度在所述二维棋盘靶标表面扫描，相机拍摄扫描在二维棋盘靶标表面的任意光点Q的图像，以此获得在相机坐标系中该图像上任意光点的像素坐标Q’；

(b3)利用步骤(b2)中获得的像素坐标Q’与所述平面方程求交，以此获得在相机坐标系下所述任意光点Q在二维棋盘靶标中的坐标Q₁；

(b4)改变二维棋盘的位置,重复步骤((b2)和(b3)，以此获得在相机坐标系下所述任意光点Q在二维棋盘靶标中的坐标Q₂，直线Q₁Q₂条即为激光发射点A与光点Q的连线形成的光线方程；以此方式获得激光发射点到每个光点的连线形成的光线方程。

进一步优选地，在步骤(b2)中，所述MEMS扫描振镜扫描二维棋盘靶标时，将每个光点的亮度设定为亮度最大值，则获得在相机坐标系中该图像上任意光点的像素坐标Q’是采用光条中心算法提取获得。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述设定每个光点的亮度与照射角度之间的关系式，优选按照下列关系式进行：

其中，n是相移，为整数，T_j是第j个周期，j是周期的数量，N是总周期数量，A是设定的亮度均值，B是亮度幅值，x是光点的编号，

是第j个周期在相移n下的亮度。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述利用该直线图像建立图像上的点与光点之间的对应关系优选按照下列步骤：

(c1)设定相移n和周期j的取值，计算周期T_j对应的卷绕相位φ_j；

(c2)利用所有周期各自对应的卷绕相位求解反映直线图像上的点和光点之间关系的绝对相位φ，以此获得图像上的点与光点的对应关系。

进一步优选地，在步骤(c1)中，当n＝0,1,2,3，j＝1,2,3时，

卷绕相位优选按照下列表达式进行：

绝对相位按照下列表达式进行：

其中，

进一步优选地，在步骤(d)后，还需对光点O坐标进行验证，优选采用下列方法，

(d1)将步骤(b)中获得MEMS扫描振镜上激光发射点到所有光点的连线形成的光线方程拟合为一个平面，即线光平面；

(d2)判断所述光点O的坐标是否在所述线光平面上，在该线光平面上，则该光点O坐标合格，否则，该光点O坐标不合格。

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、本发明通过设计基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，MEMS扫描振镜和相机组成线结构光测量***用于获得被测目标的三维点云信息，通过调节MEMS扫描振镜每个扫描方向上光点亮度实现对扫描方向的编码，对相机获取的光条图案进行解码可确定扫描方向对应性，从而可确定光条上每点的方向，因此可以消除由于光条过曝而导致光条中心提取不准的影响提高三维测量精度；

2、本申请中通过设定每个光点的亮度区分不同的光点，并采用二维棋盘靶标标定激光发射点和光点的光线方程确定光线方向，减小计算复杂度，同时消除提取光条中心的误差，提高测量准确度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-相机，2-MEMS扫描振镜，3-待测物体，4-线光平面，5-光线方向。

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。

一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，包括如下步骤：

步骤一：通过光刀平面标定方法确定激光发射点和光点形成的光线方程，以及所有光线方程形成的线光平面，具体包括如下步骤：

Step 1：将二维靶标放置在相机1的视场内，相机拍摄二维靶标的图像，通过PnP(pespective-n-point的简写)方法求解二维靶标在相机坐标系下的相机坐标与棋盘格所在坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，旋转旋转的z轴分量是平面方程的法向量，平移矩阵的三维点坐标在棋盘格在相机坐标系中的平面上，点法式计算获得二维靶标的棋盘格平面在相机坐标系下的平面方程；

Step 2：保持Step 1中二维靶标的位姿，通过MEMS扫描振镜像二维靶标投射亮度编码线，所有扫描点的亮度均编码为最大亮度值，相机拍摄表面具有亮度编码线的二维靶标图案；

Step 3：通过光条中心算法提取Step 2中相机中二维靶标图案的亮度编码线中心点坐标；

Step 4：中心点和相机光心的连线形成的直线与Step 1中获得的棋盘格平面在相机坐标系下的平面方程相交，该交点即在相机坐标系中在二维靶标棋盘上光点的坐标；

Step 5：改变二维靶标的位置和角度，并重复Step1，Step2，Step3

Step 6：对不同位置下的二维靶标上亮度编码线中心坐标进行平面拟合，激光发射点A与光点的连线形成的光线方程；以此方式获得激光发射点到每个光点的连线形成的光线方程M。

步骤二：MEMS扫描振镜为单点扫描，在扫描方向上可快速连续扫描，对每个扫描位置的光点亮度进行编码，亮度编码方法采用4步相移编码法(公式1)，可在物体表面形成一条亮度编码线。MEMS扫描振镜2投射的亮度编码线照射在被测物体上，相机1拍摄被测物体表面3上的亮度编码线。

其中，n是相移，为整数，T_j是第j个周期，j是周期的数量，A是设定的亮度均值，B是亮度幅值，x是光点的编号，

是第j个周期在相移n下的亮度，本实施例中，用三个不同的周期对光点亮度进行编码，MEMS扫描振镜的扫描范围为60度，每隔0.025度扫描一个光点，则x的取值范围为1到2400；N取值为4,n是相移。

然后，相机拍摄MEMS扫描振镜根据公式(2)投射的12幅亮度编码线，对每个编码周期T_j的四幅图像根据公式(3)求解得到卷绕相位。

其中，φ_j表示对应周期T_j的卷绕相位。

最终，根据φ₁，φ₂，φ₃确定绝对相位φ，绝对相位反映了像素点和光点位置的对应关系。

步骤三：根据绝对相位φ确定的光点位置(光线方向)和相机像素对应性，通过三角法确定被测点三维坐标；

Step 1：相机拍摄MEMS扫描振镜向被测物体表面投射的12幅亮度编码线图像，并通过多频外差法解码获得像素和光点位置(光线方向)对应性；

Step 2：相机像素点坐标和光心的连线表示为直线1，光点位置所在的光线方向表示为直线2，计算直线1和直线2的交点，当直线1和直线2不相交是则计算其公垂点。

步骤四：错误点剔除，由于激光透射在待测物体表面投出来的光点比较大，很多个像素对应一个光点，使得P点有很多个，因此，会产生很多的不正确的点，而距离平面越近越正确。

Step 1：计算3中得到的三维点坐标和2中得到的平面方M的距离；

Step 2：设定阈值T，当三维点坐标和平面M的距离大于T时则判断为错误点，当距离小于等于T时则判断为正确点。

综上所述，本发明提供一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，通过一维可编码MEMS扫描振镜和相机组成线结构光测量***，通过对光条图案进行编码确定光条每点方向，从而消除由于光条过曝而导致光条中心提取不准的影响提高三维测量精度。

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 (5)

1.一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)设定MEMS扫描振镜的扫描范围，光点之间的间隔角度，将所述扫描范围按照该间隔角度均分，并对均分后的光点进行编号，以此获得每个光点编号；

(b)将二维棋盘标靶放置MEMS扫描振镜的扫描域内，采用光刀平面标定方法对MEMS扫描振镜进行标定，以此获得MEMS扫描振镜上激光发射点A到每个光点的连线形成的光线方程；

其中，所述采用光刀平面标定方法对MEMS扫描振镜进行标定，按照下列步骤进行：

(b1)相机拍摄二维棋盘靶标，利用拍摄的棋盘靶标图像获得二维棋盘靶标的平面在相机坐标系下的平面方程；

(b2)MEMS扫描振镜上的激光发射点A发出激光按照步骤(a)中设定的扫描范围和光点间隔角度在所述二维棋盘靶标表面扫描，相机拍摄扫描在二维棋盘靶标表面的任意光点Q的图像，以此获得在相机坐标系中该图像上任意光点的像素坐标Q’；

所述MEMS扫描振镜扫描二维棋盘靶标时，将每个光点的亮度设定为亮度最大值，则获得在相机坐标系中该图像上任意光点的像素坐标Q’是采用光条中心算法提取获得；

(b3)利用步骤(b2)中获得的像素坐标Q’与所述平面方程求交，以此获得在相机坐标系下所述任意光点Q在二维棋盘靶标中的坐标Q₁；

(b4)改变二维棋盘的位置,重复步骤((b2)和(b3)，以此获得在相机坐标系下所述任意光点Q在二维棋盘靶标中的坐标Q₂，直线Q₁Q₂条即为激光发射点A与光点Q的连线形成的光线方程；以此方式获得激光发射点到每个光点的连线形成的光线方程；

(c)移除二维棋盘并将测物体放置在MEMS扫描振镜的扫描域内，设定每个光点的亮度与光点编号之间的关系式，根据该关系式对每个光点的亮度进行设定，MEMS扫描振镜按照设定的光点亮度、扫描范围和间隔角度在待测物体表面扫描，使得在待测物体表面形成一条亮度不一的直线，相机拍摄该直线获得直线图像，利用该直线图像建立图像上的点与光点之间的对应关系；

(d)对于步骤(c)中获得的直线图像上的任意点P，根据步骤(c)获得的直线图像上的点与光点之间的对应关系获得在待测物体表面与所述任意点P对应的光点O，在根据步骤(b)中获得的所有直线方程中找到O点所在的光线方程AO，计算P点与相机的光心B连线形成的直线PB与光线AO的交点，该交点坐标即为所需的光点O坐标，以此方式获得待测物体表面所有光点的坐标，即实现待测物体的三维测量。

2.如权利要求1所述的一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述设定每个光点的亮度与照射角度之间的关系式，按照下列关系式进行：

其中，n是相移，为整数，T_j是第j个周期，j是周期的数量，N是总周期数量，A是设定的亮度均值，B是亮度幅值，x是光点的编号，

是第j个周期在相移n下的亮度。

3.如权利要求1所述的一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述利用该直线图像建立图像上的点与光点之间的对应关系按照下列步骤：

(c1)设定相移n和周期j的取值，计算周期T_j对应的卷绕相位φ_j；

(c2)利用所有周期各自对应的卷绕相位求解反映直线图像上的点和光点之间关系的绝对相位φ，以此获得图像上的点与光点的对应关系。

4.如权利要求3所述的一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，其特征在于，在步骤(c1)中，当n＝0,1,2,3，j＝1,2,3时，

卷绕相位按照下列表达式进行：

绝对相位按照下列表达式进行：

其中，

5.如权利要求1所述的一种基于MEMS扫描振镜的线结构光三维测量方法，其特征在于，在步骤(d)后，还需对光点O坐标进行验证，采用下列方法，

(d1)将步骤(b)中获得MEMS扫描振镜上激光发射点到所有光点的连线形成的光线方程拟合为一个平面，即线光平面；

(d2)判断所述光点O的坐标是否在所述线光平面上，在该线光平面上，则该光点O坐标合格，否则，该光点O坐标不合格。

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