本發(fā)明涉及光學檢測領域，特別涉及一種基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法。

背景技術：

目前，三維激光掃描設備可以分為固定式和手持式兩種。固定式三維激光掃描設備的3d掃描通過一個標準的2d掃描器和一個機械制動器來實現(xiàn)，屬于靜態(tài)測量，需要多幅圖像，掃描測量時間長，掃描結果受環(huán)境光影響較大，且需要依靠支架進行工作，攜帶麻煩，操作繁瑣，無法獲取死角信息，難以實現(xiàn)對狹窄空間的三維測量。手持式單線三維激光掃描儀攜帶方便，不受地理位置的限制，可以掃描中小型物體，但這種掃描設備使用單線掃描技術，需要多次來回掃描才能完善數(shù)據，而且其精度低，累積誤差大，難以進行中大型物體的三維測量。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法，該基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法采用的基于平行多線的手持式激光三維掃描系統(tǒng)，提高了測量精度，減少了累計誤差的產生。

本發(fā)明通過以下技術方案得以實現(xiàn)。

本發(fā)明提供的一種基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法，在測量中，通過光平面約束以及極線約束的方法獲取中心像素點數(shù)據并匹配，隨后重建三維模型。

基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法，還包括以下步驟：

①搭建測量系統(tǒng):對系統(tǒng)所需部件進行準備，檢驗過關后進行搭建；

②對系統(tǒng)進行標定：對系統(tǒng)進行標定，得到相機內部參數(shù)、外部參數(shù)和激光空間平面方程；

③進行測試：啟動系統(tǒng)，對待測物進行測試，獲得所需數(shù)據；

④重建出物體三維模型：根據步驟②和步驟③，得到三維模型。

所述步驟①中的部件有左工業(yè)相機、環(huán)形紅光光源、濾鏡、激光投射器、待測物體、激光條、右工業(yè)相機、左圖像、右圖像和光平面，搭建方式如下：

設置兩個對立工業(yè)相機，分別為左工業(yè)相機和右工業(yè)相機，在左工業(yè)相機、右工業(yè)相機的前端連接有環(huán)形紅光光源，環(huán)形紅光光源上安裝有濾鏡，且在左工業(yè)相機、右工業(yè)相機中間設有一激光投射器。

所述步驟②分為以下步驟：

(2.1)進行標定：設置張正友的基于2d平面靶標的標定法，對左工業(yè)相機和激光投射器進行標定，得到左工業(yè)相機的內部參數(shù)和激光空間平面方程，對左工業(yè)相機、右工業(yè)相機進行標定，得到右工業(yè)相機的內部參數(shù)和左工業(yè)相機、右工業(yè)相機之間旋轉平移關系的外部參數(shù)，將左工業(yè)相機光心作為該系統(tǒng)坐標系的坐標原點；

(2.2)設計特殊標定模板：根據七線激光特殊標定，設計一種用于精確求出兩個工業(yè)相機內外參數(shù)和激光平面方程的標定模板。

所述步驟③分為以下步驟：

(3.1)測試待測物體：放一待測物體，啟動系統(tǒng)，由激光投射器投射出七條平行激光線與待測物體相交形成光條，光條位于光平面上，同時左工業(yè)相機、右工業(yè)相機獲得激光條圖像并透視投影在兩個工業(yè)相機的ccd上成像；

(3.2)提取多線激光光條中心：將步驟(3.1)中的激光條圖像，通過中值濾波和高斯濾波對圖像進行去噪處理，確定一固定閾值，通過圖像二值化對圖像上的激光條進行分割，通過對兩個工業(yè)相機拍攝到的圖像進行二值化處理后，得到相應的激光線二值化圖，利用灰度重心法對激光中心進行提取,得到細化后的單像素的激光線；

(3.3)多激光的匹配：根據步驟(3.1)采集到的激光條圖像，通過光平面約束以及極線約束的方法，得到單個激光光條中心像素點的準確匹配；

(3.4)重建激光線：重復步驟(3.3)，重建出完整激光線；

(3.5)空間標記點的匹配：根據左工業(yè)相機、右工業(yè)相機采集到的空間標記點，根據步驟(2.1)所述，通過兩個工業(yè)相機的內部參數(shù)、外部參數(shù)以及極線約束得到空間標記點的空間坐標；

(3.6)重建空間標記點：重復步驟(3.5)，重建空間標記點；

(3.7)多線激光快速拼接：根據能量算法對不同視角下的對應的空間標記點進行實時拼接，將不同視角下的對應的空間標記點歸一化到同一坐標系，使每次重建的激光線融合到同一個坐標系，并對物體連續(xù)實時掃描，重建出物體三維模型。

所述步驟(3.3)分為以下步驟:

(3.3.1)獲取左工業(yè)相機激光空間點坐標：任取左圖像激光線上一個像素點，根據步驟(2.1)中左工業(yè)相機的內部參數(shù)、激光線平面方程，得到七個光平面對應的七個激光空間點坐標；

(3.3.2)獲取右工業(yè)相機激光空間點坐標：根據左工業(yè)相機、右工業(yè)相機之間的外部參數(shù)，將得到的七個激光空間點坐標轉換到以右工業(yè)相機光心為坐標原點的坐標系中，得到右工業(yè)相機坐標系下七個空間點坐標；

(3.3.3)獲取右圖像的二維坐標點：根據步驟(2.1)中右工業(yè)相機的內部參數(shù)，將步驟(3.3.2)中右工業(yè)相機坐標系中的七個空間坐標點轉換到右工業(yè)相機圖像坐標系上，得到七個右工業(yè)相機圖像坐標系下的二維坐標點；

(3.3.4)獲取正確匹配點：根據相機之間的極線約束條件找到左圖像上像素點對應于右圖像的點，將對應的右圖像上的像素點與步驟(3.3.3)中得到的七個二維坐標點進行對比，得到重合的兩個點的正確匹配點；所述正確匹配的距離范圍為δ≤1pixel，其中δ為距離。

所述激光投射器有七條平行激光線。

所述左工業(yè)相機的內部參數(shù)為αlx，αly，ul0，vl0；右工業(yè)相機的內部參數(shù)為αrx，αry，ur0，vr0。；左工業(yè)相機、右工業(yè)相機之間旋轉平移關系的外部參數(shù)為r，t；左工業(yè)相機的激光線的空間平面方程為：

zln＝anxln+bnyln+cn；

其中，zln為激光線的空間平面方程，an、bn和cn為常數(shù)，xln為x軸坐標值，yln為y軸坐標值。

所述像素點為：

pl＝[xl,yl]^t；

其中，pl為像素點，xl為橫坐標值，yl為縱坐標值，t為指向量轉置；

所述像素點的齊次坐標為：

pl＝[xl，yl，1]^t；

其中，pl為像素點，xl為橫坐標，y1為縱坐標，t為指向量轉置。

所述空間點坐標分別為p1、p2、p3、p4、p5、p6和p7；右工業(yè)相機圖像坐標系下的二維坐標點為pr1、pr2、pr3、pr4、pr5、pr6和pr7；所述激光空間點坐標為：

pn＝[xln,yln,zln]^t；

其中，pn為激光空間點坐標，xln為橫坐標值，yln為縱坐標值，zln為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；

所述激光空間點坐標的齊次坐標為：

pn＝[xln，yln，zln，1]^t；

其中，pn為激光空間點坐標的齊次坐標，xln為橫坐標值，yln為縱坐標值，zln為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；

所述像素點pl轉換得到的空間點坐標為：

pn′＝[xrn,yrn,zrn]^t；

其中，p′n為像素點pl轉換得到的空間點坐標，xrn為橫坐標值，yrn為縱坐標值，zrn為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；

所述像素點pl轉換得到的空間點坐標的齊次坐標為：

p′n＝[xrn，yrn，zrn，1]^t；

其中，p′n為像素點pl轉換得到的空間點坐標的齊次坐標，xrn為橫坐標值，yrn為縱坐標值，zrn為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7。

本發(fā)明的有益效果在于：解決了掃描設備攜帶不便，操作過程繁瑣的問題，利用平行多線的方法突破性的解決了單線激光掃描速度慢的問題，還利用光平面約束以及極線約束的方法對多線激光條進行重建，大大提高了激光條中心像素點的匹配精度和重建的效率，且采用了加濾鏡的方式減少周圍環(huán)境光的干擾，此時普通的非編碼標記點會被濾鏡濾掉，再在工業(yè)相機周圍增加一圈紅光光源，并對標記點做了一些改變，將白色圓心換成了涂上了啞光材質，使其可以反光，通過這些改善后大大增加了掃描的穩(wěn)定性和標記點的識別率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的標定模塊圖；

圖3是本發(fā)明的圖像匹配原理圖。

具體實施方式

下面進一步描述本發(fā)明的技術方案，但要求保護的范圍并不局限于所述。

如圖1所示，一種基于非編碼平行多線的穩(wěn)定實時激光測量方法，在測量中，通過光平面約束以及極線約束的方法獲取中心像素點數(shù)據并匹配，隨后重建三維模型；包括左工業(yè)相機1、環(huán)形紅光光源2、濾鏡3、激光投射器4、待測物體5、激光條6、右工業(yè)相機7、左圖像8、右圖像9和光平面10；步驟如下：

①建測量系統(tǒng):設置兩個對立工業(yè)相機，分別為左工業(yè)相機1和右工業(yè)相機7，在左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7的前端連接有環(huán)形紅光光源2,環(huán)形紅光光源2上安裝有濾鏡3，且在左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7中間設有一激光投射器4，其中所述激光投射器4有七條平行激光線；

②對系統(tǒng)進行標定：設置張正友的2d平面靶標的標定法，對左工業(yè)相機1和激光投射器4進行標定，得到左工業(yè)相機1的內部參數(shù)和激光空間平面方程，對左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7進行標定，得到右工業(yè)相機7的內部參數(shù)和左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7之間旋轉平移關系的外部參數(shù)，將左工業(yè)相機1光心作為該系統(tǒng)坐標系的坐標原點；

③特殊標定模板：根據七線激光特殊標定，設計一種用于精確求出兩個工業(yè)相機內外參數(shù)和激光平面方程的特殊標定模板，如圖2所示；

④進行測試：放一待測物體5，啟動系統(tǒng)，由激光投射器4投射出七條平行激光線與待測物體5相交形成光條，光條位于光平面10上，同時左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7獲得激光條圖像并透視投影在兩個工業(yè)相機的ccd上成像；

⑤提取多線激光光條中心：將步驟④中的激光條圖像，通過中值濾波和高斯濾波對圖像進行去噪處理，確定一固定閾值，讓圖像二值化對圖像上的激光條進行分割，通過對工業(yè)相機拍攝到的圖像進行二值化處理后，得到相應的激光線二值化圖，利用灰度重心法對激光中心進行提取,得到細化后的單像素的激光線；

⑥多激激光的匹配：根據步驟④采集到的激光條圖像，通過光平面約束以及極線約束的方法，得到激光光條中心像素點的準確匹配，如圖3所示，具體操作如下：

(6.1)獲取左工業(yè)相機1激光空間點坐標：任取左圖像8激光線上一個像素點，根據步驟②中左工業(yè)相機1的內部參數(shù)、激光線平面方程，得到七個光平面對應的七個激光空間點坐標；

(6.2)獲取右工業(yè)相機7激光空間點坐標和齊次坐標：根據左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7之間的外部參數(shù)，將得到的七個激光空間點坐標轉換到以右工業(yè)相機7光心為坐標原點的坐標系中，得到右工業(yè)相機7坐標系下七個空間點坐標；

(6.3)獲取右圖像9的二維坐標點：根據步驟②中右工業(yè)相機7的內部參數(shù)，將步驟(6.2)中右工業(yè)相機7坐標系中的七個空間坐標點轉換到右工業(yè)相機7圖像坐標系上，得到七個右工業(yè)相機7圖像坐標系下的二維坐標點；

(6.4)獲取正確匹配點：根據相機之間的極線約束條件找到左圖像8上像素點對應于右圖像9的點，將對應的右圖像9上的像素點與步驟(6.3)中得到的七個二維坐標點進行對比，得到重合的兩個點的正確匹配點，所述正確匹配的距離范圍為δ≤1pixel，其中δ為距離；

⑦重建激光線：重復步驟⑥，重建出完整激光線；

⑧空間標記點的匹配：根據左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7采集到的空間標記點，重復步驟②，通過兩個工業(yè)相機的內部參數(shù)、外部參數(shù)以及極線約束得到空間標記點的空間坐標；

⑨重建空間標記點：重復步驟⑧，重建空間標記點；

⑩多線激光快速拼接：根據能量算法對不同視角下的對應的空間標記點進行實時拼接，將不同視角下的對應的空間標記點歸一化到同一坐標系，使每次重建的激光線融合到同一個坐標系，并對物體連續(xù)實時掃描，重建出物體三維模型。

其中，所述像素點pl轉換得到的空間點坐標為pn′＝[xrn,yrn,zrn]^t，p′n為像素點pl轉換得到的空間點坐標，xrn為橫坐標值，yrn為縱坐標值，zrn為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；所述像素點pl轉換得到的空間點坐標的齊次坐標為p′n＝[xrn，yrn，zrn，1]^t，p′n為像素點pl轉換得到的空間點坐標的齊次坐標，xrn為橫坐標值，yrn為縱坐標值，zrn為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；所述左工業(yè)相機1的內部參數(shù)為αlx，αly，ul0，vl0；右工業(yè)相機7的內部參數(shù)為αrx，αry，ur0，vr0。；左工業(yè)相機1、右工業(yè)相機7之間旋轉平移關系的外部參數(shù)為r,t；所述左工業(yè)相機1的激光線的空間平面方程為zln＝anxln+bnyln+cn，zln為激光線的空間平面方程，an、bn和cn為常數(shù)，xln為x軸坐標值，yln為y軸坐標值；所述像素點為pl＝[xl,yl]^t，pl為像素點，xl為橫坐標值，yl為縱坐標值，t為指向量轉置；所述像素點的齊次坐標為pl＝[xl，yl，1]^t，pl為像素點，xl為橫坐標，yl為縱坐標，t為指向量轉置；所述激光空間點坐標為pn＝[xln,yln,zln]^t，pn為激光空間點坐標，xln為橫坐標值，yln為縱坐標值，zln為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；所述激光空間點坐標的齊次坐標為pn＝[xln，yln，zln，1]^t，pn為激光空間點坐標的齊次坐標，xln為橫坐標值，yln為縱坐標值，zln為豎坐標值，t為指向量轉置，n為1-7；所述空間點坐標分別為p1、p2、p3、p4、p5、p6和p7；右工業(yè)相機7圖像坐標系下的二維坐標點為pr1、pr2、pr3、pr4、pr5、pr6和pr7。