CN113432558A - 一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法 - Google Patents

一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及不规则的表面或轮廓的计量，具体涉及一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法，装置包括三维激光扫描仪，与现有技术不同的是，还包括三维摄像机、计算机，所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机分别固设在悬臂上，能相对于被测量物体上/下位移、周向旋转、倾角俯/仰，所述计算机连接所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机。与现有技术相比，本发明通过三维激光扫描和三维视觉重建两种方法的结合，能更精确地得到不规则物体的表面积。

Description

一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及不规则的表面或轮廓的计量，具体涉及一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法。
背景技术
不规则的物体由于其形状不规则，人工往往难以获取精确的表面积，而较大误差的测得数据对数据的应用产生不良影响。
公开号CN111536908A的中国发明专利公开了一种基于机器视觉的复杂柱体表面积测量装置及方法，该测量装置包含桌面组合视觉检测支架、调整连接器、测距模块、移动对焦平台、CCD相机及照明模块等，测量时，利用该测量装置获取待测工件高度、检测表面标定参数并拍摄待测工件图像，基于连通域筛选、边缘检测等机器视觉技术获得待测工件底面轮廓与形状，并藉由上述参数快速计算复杂柱体工件表面积。但该发明所描述方法仅适用复杂柱体表面积测量，对于形状更为复杂的不规则物体并不适用，且测量精度不高。
发明内容
为克服现有技术的缺陷或缺陷之一，本发明公开一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置及方法，所采取的技术方案是：
这种测量装置包括三维激光扫描仪，与现有技术不同的是，还包括三维摄像机、计算机，所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机分别固设在悬臂上，能相对于被测量物体上/下位移、周向旋转、倾角俯/仰，所述计算机连接所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机。
进一步地，所述三维激光扫描仪为天宝TX8，自带激光发射器、激光反射接收器、石英钟计时器，内置天宝RealWorks软件；所述三维摄像机为单目或双目摄像机；所述计算机内置基于点云库框架的三维重建程序和三角格面积累积计算程序。
这种测量方法，包括如下步骤：
a）利用三维激光扫描仪对被测量物体进行360º×317º的视场角和每秒1000000点的数据获取，获取的数据通过天宝RealWorks软件生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积扫描值M1；
b）利用单目摄像机获取被测量物体不同视角的深度图像，通过计算机对多个深度图像通过点云计算、数据融合、纹理映射生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积重建值M2；或者利用双目摄像机对多个深度图像通过视差和像素点坐标恢复物体三维坐标从而生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积重建值M2；
c）按照公式（1）得到被测量物体表面积M：
M=（x1M1+x2M2）/（x1+ x2） （1）
式中，x1为通过天宝RealWorks软件生成的三角格的总数量，x2为通过点云计算、数据融合、纹理映射生成的三角格的总数量或者过视差和像素点坐标恢复物体三维坐标生成三角格的总数量。
与现有技术相比，本发明通过三维激光扫描和三维视觉重建两种方法的结合，能更精确地得到不规则物体的表面积。
附图说明
图1是具体实施方式拟测量表面积的不规则物体的形状。
图2是图1物体通过三维激光扫描仪扫描、天宝RealWorks软件处理后生成的三角格网模型。
图3是图1物体通过三维摄像机获取的深度图经点云计算、数据融合、纹理映射生成后生成的三角格网模型。
图4是双目摄像机成像原理图。
图5是双目摄像机深度变化对其他参数的影响示意图。
图6是双目摄像机深度不变与其他参数的关系示意图。
具体实施方式
以下通过一个具体实施例对本发明做进一步说明。
为验证本发明测量结果的准确性，通过三维打印做出如图1所示形状的不规则物体，包括一个边长、高都为1分米的正十边形柱体，上面是由一个直径为1分米的圆柱和半球，边长为1分米的正方体、三角形形柱体；正方体、三角形形柱体和圆柱体互不重叠且均位于正十边形柱体顶面范围之内。
下面计算该不规则形状物体理论上的实际表面积M理论，单位：平方分米
1. 正十边形柱体的侧面积=10×1×1=10
2. 正十边形柱体的顶面积/底面积=10×1×1.5389÷2=7.6946（正十边形连上对角线把正10边形分成10个等腰三角形，三角形的底=1，顶角36°，高=1÷2÷tan（36°÷2）≈1.53892）
3. 圆柱侧面积=3.1416×1×1=3.1416
4. 圆柱底面积=πr^2=0.7854
5.半球表面积=4πr^2÷2=4×3.1416×0.25÷2=1.570
6.正方体侧面积=4×1×1=4
7. 正方体顶面积/底面积=1×1=1
8. 三棱柱侧面积=3×1×1=3
9. 三棱柱顶面积/底面积=1/2×1×1×sin60°≈0.433012
实际表面积M理=正十边形柱体的侧面积+正十边形柱体的底面积+正十边形柱体的顶面积-圆柱底面积-正方形底面积-三棱柱底面积+圆柱侧面积+正方形侧面积+三棱柱侧面积+正方体顶面积+半球表面积=10+7.6946+7.6946-0.7854-1-0.433012+3.1416+4+3+1+1.570=36.88228。
本发明的一种基于三维激光扫描和三维视觉重建的不规则物体表面积的测量装置，包括三维激光扫描仪，其特征在于，还包括三维摄像机、计算机，所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机分别固设在悬臂上，能相对于被测量物体上/下位移、周向旋转、倾角俯/仰，所述计算机连接所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机。
本实施例的三维激光扫描仪为市售的型号为天宝TX8，自带激光发射器、激光反射接收器、石英钟计时器，内置天宝RealWorks软件，由天宝TX8获取的数据可以直接导入到天宝RealWorks软件和天宝Scan Explorer软件中。通过天宝 TX8和天宝RealWorks的配合，还可以提供能够导入主流CAD软件的高效数据流。天宝TX8是获取真实场景细节数据的理想工具。它可以在不损失测量范围和精度的情况下进行高速的测量，为设计及分析专业人员提供其所需的高密度三维点云数据。天宝TX8具有360º×317º的视场角和每秒1000000点的数据获取速度，可以在3分钟时间内完成一次典型的测量任务。TX8在其整个120米测程范围内都可以保持高精度测量，配合可选升级配置，其测程更可以扩展至340米。
本装置计算机内置基于点云库框架的三维重建程序和三角格面积累积计算程序。所述三维摄像机为单目或双目摄像机；
下面通过三维激光扫描仪得到该不规则物体的被测量物体表面积扫描值M1：
利用三维激光扫描仪得到不规则物体的三角格网模型为现有技术，本实施例中通过天宝RealWorks软件生成模拟该不规则物体的三角格网模型数目为3627个，通过计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积扫描值M1为38.45234。
下面介绍如何利用单目摄像机或双目摄像机得到被测量物体表面积重建值M2：
利用单目摄像机对多个深度图像通过点云计算、数据融合、纹理映射生成模拟被测量物体的三角格网模型为现有技术，为进一步理解本发明的技术方案，进行如下说明。
点云计算预处理后的深度图像具有二维信息，像素点的值是深度信息，表示物体表面到Kinect传感器之间的直线距离，以毫米为单位。以摄像机成像原理为基础，可以计算出世界坐标系与图像像素坐标系之间具有下式的转换关系：
Figure 476147DEST_PATH_IMAGE001
其中u，v为图像坐标系下的任意坐标点。u0，v0分别为图像的中心坐标。xw，yw，zw表示世界坐标系下的三维坐标点。zc表示相机坐标的z轴值，即目标到相机的距离。R，T分别为外参矩阵的3x3旋转矩阵和3x1平移矩阵。
总的来说图像到相机转换为：
Figure 759361DEST_PATH_IMAGE002
（u0， v0）是图像坐标系原点（图像中心）在像素坐标系（以左上角为原点）中的坐标，dx 和 dy分别是每个像素在图像平面x和y方向上的物理尺寸。f 为焦距（像平面与相机坐标系原点的距离）。 M称之为内参矩阵可以理解为矩阵内各值只与相机内部参数有关，且不随物***置变化而变化。其中fx，fy的单位为个（像素数目）。用一幅图来总结从世界坐标系到像素坐标系（不考虑畸变）的转换关系：
Figure 50665DEST_PATH_IMAGE003
数据融合采用的已有的算法TSDF，该方法只存储距真实表面接近的数层体素，而非所有体素，减少了模型的冗余点。
最后纹理映射就是表面的生成，是为了构造物体的可视等值面，常用体素级方法直接处理原始灰度体数据。采用已有的MC（移动立方体）法。移动立方体法首先将数据场中八个位置相邻的数据分别存放在一个四面体体元的八个顶点处。对于一个边界体素上一条棱边的两个端点而言，当其值一个大于给定的常数T，另一个小于T时，则这条棱边上一定有等值面的一个顶点。然后计算该体元中十二条棱和等值面的交点，并构造体元中的三角面片，所有的三角面片把体元分成了等值面内与等值面外两块区域。最后连接此数据场中的所有体元的三角面片，构成等值面。合并所有立方体的等值面便可生成完整的三维表面。
利用双目摄像机对多个深度图像通过视差和像素点坐标恢复物体三维坐标从而生成模拟被测量物体的三角格网模型也是现有技术，为进一步理解本发明的技术方案，进行如下说明。
如图4所示，P是待测物体上的某一点，OR与OT分别是两个相机的光心，点P在两个相机感光器上的成像点分别为P和P’（相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方），f为相机焦距，B为两相机中心距，Z为我们想求得的深度信息，设点P到点P’的距离为dis，则：
Figure 52119DEST_PATH_IMAGE004
根据相似三角形原理：
Figure 719861DEST_PATH_IMAGE005
可得：
Figure 123160DEST_PATH_IMAGE006
从图5及下述表格可以得出的结论：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
深度变化（EG'EFI（AB+CD）或者H到EF的距离），会导致AB，CD和AB+CD的变化，这里不过多强调AB，CD的变化，只讨论AB+CD，这个原因后边会提到。当深度变大时，AB+CD逐渐变小。从公式AC=EF-AB-DC，设Z为深度，那么AC/EF=（Z-EG）/Z这样就可以推导出来了。
从图6和下述表格可以明显看出：
Figure 319786DEST_PATH_IMAGE008
只要深度不变，那么AB+CD也就不会改变，可以看出，深度和单独的AB与CD没有直接关系，而只与两者的和有关。
AB+CD与同一距离的视差是想等的。AB+ DC= XR-XT注意此处AB DC用向量相加（AB+DC= （Bx-Ax）+（Cx ·Dx）【Bx为左图像的中点x， Dx为右图像的中点x Ax，Cx为两幅图同一特征点的x坐标】XR - XT= XRx -XTx （XRx 与XTx分别是两幅图同一特征点的x坐标）。
备注：此处的公式都是假设摄像头是水平的，如果摄像头垂直，应该使用y坐标。
通过点云计算、数据融合、纹理映射生成模拟被测量物体的三角格网模型数目为2829个，通过计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积重建值M2为34.8824。
下面利用按照公式（1）得到被测量物体表面积M：
M=（x1M1+x2M2）/（x1+ x2）=（3627×38.45234+2829×34.8824）/（3627+2829）=36.8766
各数值与理论值的误差见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
从上表可以看出，单独基于三维激光扫描或单独基于三维视觉重建所得到的测量值与实际理论值的误差均在5%左右，而通过本发明的测量方法得到的测量值与实际理论值的误差在0.01%左右，大大提高了准确率，值得大力推广。

Claims (3)

1.一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置，包括三维激光扫描仪，其特征在于，还包括三维摄像机、计算机，所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机分别固设在悬臂上，能相对于被测量物体上/下位移、周向旋转、倾角俯/仰，所述计算机连接所述三维激光扫描仪和所述三维摄像机。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光的不规则物体表面积的测量装置，其特征在于，所述三维激光扫描仪为天宝TX8，自带激光发射器、激光反射接收器、石英钟计时器，内置天宝RealWorks软件；所述三维摄像机为单目或双目摄像机；所述计算机内置基于点云库框架的三维重建程序和三角格面积累积计算程序。
3.一种基于激光的不规则物体表面积的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）利用三维激光扫描仪对被测量物体进行360º×317º的视场角和每秒1000000点的数据获取，获取的数据通过天宝RealWorks软件生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积扫描值M1；
b）利用单目摄像机获取被测量物体不同视角的深度图像，通过计算机对多个深度图像通过点云计算、数据融合、纹理映射生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积重建值M2；或者利用双目摄像机对多个深度图像通过视差和像素点坐标恢复物体三维坐标从而生成模拟被测量物体的三角格网模型，计算机累积三角格网模型中的每个三角格的面积得到被测量物体表面积重建值M2；
c）按照公式（1）得到被测量物体表面积M：
M=（x1M1+x2M2）/（x1+ x2） （1）
式中，x1为通过天宝RealWorks软件生成的三角格的总数量，x2为通过点云计算、数据融合、纹理映射生成的三角格的总数量或者过视差和像素点坐标恢复物体三维坐标生成三角格的总数量。
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