一種高精度三維測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及三維圖像測量技術(shù)領(lǐng)域，具體的講是一種高精度三維測量方法，本發(fā)明在測量時將格雷碼進行移動，得到更為精確的測量圖樣，然后經(jīng)過一系列的運算，得到最終待測物體的圖樣，避免了環(huán)境光的干擾，在同一組測量物體中進行對比，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境光量2000lux的條件下，可以保證高精度的測量，其精度甚至可以高于500lux條件下相位移法的測量精度。
【專利說明】
一種高精度三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維圖像測量技術(shù)領(lǐng)域，具體的講是一種高精度三維測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維測量可定義為"一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的 導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)處 理器或計算機等計算出工件的各點坐標(Χ、γ、ζ)及各項功能的測量"，三維測量的測量功 能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等，其測量方式有如下三種： (1) 利用三坐標測量機進行測量:將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上 各測點的坐標位置，三坐標測量機是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效的方法之一，可以替代 多種表面測量工具，減少復雜的測量任務(wù)所需的時間，為操作者提供關(guān)于生產(chǎn)過程狀況的 有用信息； (2) 利用三維激光掃描儀進行測量:通過發(fā)射激光來掃描被測物，以獲取被測物體表面 的三維坐標。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復制技術(shù)，具有高效率、高精度的測量優(yōu)勢。 被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)測量、建筑測量、船舶制造、鐵路以及工程的建設(shè)等領(lǐng)域； (3) 利用拍照式三維掃描儀進行測量:采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算 機視覺技術(shù)的復合三維非接觸式測量技術(shù)。除此以外，拍照式三維掃描儀里還有利用復數(shù) 攝像機進行測量的方法，通過針對同一個被測量物體從不同角度拍攝到的圖像中找到記錄 了同一個物體的輝度值的像素，從而計算出像素間的位置差(視差)測量物體距離。
[0003] 根據(jù)以上測量方式中現(xiàn)在最常用的就是利用三維激光掃描儀進行掃描，但是三維 激光掃描儀價格昂貴、機器體積大，在一般的家庭裝修或是室內(nèi)工作中不宜使用，使用拍照 式三維掃描儀進行測量則會發(fā)生掃描不清楚，環(huán)境影響大的問題。
[0004] 現(xiàn)在常用的拍照式三維掃描儀，大多數(shù)都是使用相位移法的三維測量時，這種測 量方法精度高，但是受環(huán)境光干擾強、測量時間慢，Spatial fringe，測量時不宜受環(huán)境光 干擾，但是測量精度低，時間慢，Random dot雖然提高了測量速度，但是容易受環(huán)境光干擾 并且測量精度低，為此需要設(shè)計一種可以降低環(huán)境光干擾，同時具有高測量精度的新型測 量方法是十分重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)的難題，設(shè)計了一種可以降低環(huán)境光干擾，同時具有高測 量精度的新型測量方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明設(shè)計了一種高精度三維測量方法，包括標定處理流程 和圖像測量流程，其特征在于:按照如下步驟進行測量： 步驟1:將投影儀、攝像機、標定板、數(shù)據(jù)處理裝置放置平穩(wěn)； 步驟2:確定測量與標定的范圍Wz; 步驟3:進行標定處理流程； 步驟4:進行圖像測量流程； 步驟5:得到最終測量結(jié)果； 所述標定處理分為圖像采集流程和格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程。
[0007] 所述圖像采集流程，分為以下步驟： 步驟1):打開攝像機與投影儀，確定攝像機與標定板之間的初始投影距離W0; 步驟2):進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生 的圖像； 步驟3):移動標定板，移動的距離為AWz，使攝像機與標定板之間的投影距離為Wn，n為 標定板移動次數(shù)，然后重復步驟2); 步驟4):當Wn=Wz時，停止移動標定板，完成標定處理中的圖像米集流程。
[0008] 所述格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程，分為以下步驟： 步驟（1):數(shù)據(jù)處理裝置讀取Wn位置上的第N次移動格雷碼產(chǎn)生的圖像，并進行二值化 處理； 步驟(2):將二值化處理后的圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置進行二進制計算，從而計算出每個 像素的格雷碼數(shù)值； 步驟(3): iWn=Wz時，進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V; 當Wn#Wz時，則重復上述步驟（1)和步驟(2)，直到Wn=W z時結(jié)束并進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù) V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V。
[0009] 所述圖像測量流程按照以下步驟進行測量： 步驟a:移除標定板，將被測物體平穩(wěn)放置在測量范圍Wz中； 步驟b:進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生的 圖像； 步驟c:數(shù)據(jù)處理裝置讀取步驟b中記錄的圖像，并進行二值化處理，得到N組二值化處 理圖像； 步驟d:將N組二值化處理圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置中進行二進制計算，從而計算出每次 移動得到的圖像中每個像素的格雷碼數(shù)值，共計N組； 步驟e:格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程所得到的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V，確定N組格 雷碼數(shù)值中每個格雷碼數(shù)值對應(yīng)的距離Z( i，j); 步驟f:對步驟e得到的N組距離Z( i，j)進行均值化處理，得到最終的測量結(jié)果。
[0010] 所述投影距離Wn=Wrrf+AWz，其中

[0011] 所述攝像機、投影機視野的寬高均要大于標定板的寬高;所述投影機的光源可以 為紅外線光源。
[0012] 所述格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的計算如下:根據(jù)么 推算出每個像素的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V。
[0013] 所述距離
[0015] 所述格雷碼可以為黑白格雷碼或者是RGB3色格雷碼;所述移動格雷碼的移動方式 可以為平移或是旋轉(zhuǎn)，在同一件待測物體的標定及測量中，格雷碼采用的移動方式均相同， 且移動量也相同。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在測量時將格雷碼進行移動，得到更為精確的測量圖樣， 然后經(jīng)過一系列的特殊運算，得到最終待測物體的圖樣，避免了環(huán)境光的干擾，在同一組測 量物體中進行對比，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境光量20001UX的條件下，可以保證高精度的測量，其精度甚 至可以高于5001ux條件下相位移法的測量精度。
【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上突破性的設(shè)計了一種高精度三維測量方法，包括標定 處理流程和圖像測量流程，按照如下步驟進行測量： 步驟1:將投影儀、攝像機、標定板、數(shù)據(jù)處理裝置放置平穩(wěn)； 步驟2:確定測量與標定的范圍Wz; 步驟3:進行標定處理流程； 步驟4:進行圖像測量流程； 步驟5:得到最終測量結(jié)果； 本發(fā)明中標定處理分為圖像采集流程和格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程。
[0018] 本發(fā)明中圖像采集流程，分為以下步驟： 步驟1):打開攝像機與投影儀，確定攝像機與標定板之間的初始投影距離W0; 步驟2):進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生 的圖像； 步驟3):移動標定板，移動的距離為AWz，使攝像機與標定板之間的投影距離為Wn，n為 標定板移動次數(shù)，然后重復步驟2); 步驟4):當?11=?2時，停止移動標定板，完成標定處理中的圖像米集流程。
[0019] 本發(fā)明中格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程，分為以下步驟： 步驟（I):數(shù)據(jù)處理裝置讀取Wn位置上的第N次移動格雷碼產(chǎn)生的圖像，并進行二值化 處理； 步驟(2):將二值化處理后的圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置進行二進制計算，從而計算出每個 像素的格雷碼數(shù)值； 步驟(3): iWn=Wz時，進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V; 當Wn#Wz時，則重復上述步驟（1)和步驟(2)，直到Wn=W z時結(jié)束并進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù) V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V。
[0020] 本發(fā)明中圖像測量流程按照以下步驟進行測量： 步驟a:移除標定板，將被測物體平穩(wěn)放置在測量范圍Wz中； 步驟b:進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生的 圖像； 步驟c:數(shù)據(jù)處理裝置讀取步驟b中記錄的圖像，并進行二值化處理，得到N組二值化處 理圖像； 步驟d:將N組二值化處理圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置中進行二進制計算，從而計算出每次 移動得到的圖像中每個像素的格雷碼數(shù)值，共計N組； 步驟e:格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程所得到的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V，確定N組格 雷碼數(shù)值中每個格雷碼數(shù)值對應(yīng)的像素距離Z( i，j ); 步驟f:對步驟e得到的N組距離Z( i，j)進行均值化處理，得到最終的測量結(jié)果。
[0021] 本發(fā)明中投影距離Wn=Wt1+AWz，其中
$中心為測量與標定的范圍，η為 標定板的移動次數(shù)，△ Wz為每次標定板移動的距離。
[0022] 本發(fā)明中攝像機、投影機視野的寬高均要大于標定板的寬高；本發(fā)明中投影機的 光源可以為紅外線光源。
[0023] 本發(fā)明中格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算如下:根據(jù)公式： 推算出每個像素的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V，其中Va(i J，k)是第k次移動時的圖像橫方向i， 縱方向j的格雷碼-距離推算用行列式a，Vb(i，j，k)是第k次移動時的像素橫方向i，縱方向j 的格雷碼-距離推算用行列式b，V( i，j，k)是第k次移動時的像素橫方向i，縱方向j的格雷 碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)行列。
[0024] 本發(fā)明中距離
其中X(i，j，k)第k次移動 時的像素橫方向i，縱方向j的格雷碼數(shù)值;Z( i，j)為橫方向i，縱方向j的像素的距離值;V (i，j，k，1)第k次移動時的像素橫方向i，縱方向j的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)行列中第1個系 數(shù);N為格雷碼總移動次數(shù);M格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)行列中的系數(shù)總個數(shù)。
[0025]本發(fā)明中的Va( i，j，k)其計算公式如下：
其中x( i，j，I，k)為格雷碼第k次移動，第1次標定板移動時的像素橫方向i，縱方向j的 格雷碼數(shù)值，m為最小二乘法的近似維數(shù)，η為標定板移動次數(shù)。
[0026] 本發(fā)明中的Vb(i，j，k)其計算公式如下：
其中x( i，j，I，k)為第k次移動格雷碼，第1次標定板移動時的像素橫方向i，縱方向j的 格雷碼數(shù)值，z( i，j，I，k)為第k次移動，第1次標定板移動時的像素橫方向i，縱方向j的距 離，m為最小二乘法的近似維數(shù)，η為標定板移動次數(shù)。
[0027] 本發(fā)明中移動格雷碼的移動方式可以為平移或是旋轉(zhuǎn)。
[0028] 本發(fā)明中投影儀的光源可以為紅外線光源，離開了可視波長從而達到保護測量員 視覺健康的效果，增加了對環(huán)境光的抵抗能力。
[0029]本發(fā)明中格雷碼可以為黑白格雷碼或者是RGB3色格雷碼，把相鄰的3組格雷碼的 顏色分別設(shè)為R，G，B3色，從而可以一次投影并拍攝3組格雷碼圖像，使得投影次數(shù)減少2/3。
[0030] 本發(fā)明中平移的規(guī)則為:第n+1組的格雷碼必須比第η組的格雷碼多平移k毫米，其 中平移量k由測量精度決定。
[0031] 本發(fā)明中的格雷碼-距離測量系數(shù)V的推算結(jié)果、測量范圍、攝像機位置、投影儀位 置均可以記錄下來形成一個格雷碼-距離測量系數(shù)V查表，在日后的測量中如果遇到測量范 圍、攝像機位置、投影儀位置均記錄在表的時候，則無需再進行格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的推 算，直接可以查表得出。
[0032] 本發(fā)明中當測量的攝像機、投影儀位置均不改變，僅改變被測物體的時候，無需再 進行上述標定處理流程，可以直接測量，因此可以節(jié)省很多測量時間，而且方便了測量的流 程。
[0033] 在具體實施中： 實施例1: 在測量系統(tǒng)前方設(shè)置寬和高等于攝像機視野范圍的平面標定板，標定板表面顏色為白 色;確定測量與標定的范圍1到5米，并且將標定板的初始位置設(shè)為1米，移動間隔為0.1米， 格雷碼的移動方式為旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)次數(shù)為6次，每次旋轉(zhuǎn)角度為2度;計算出格雷碼-距離轉(zhuǎn)換 系數(shù)。
[0034] 然后去除標定板，將測量系統(tǒng)設(shè)置在樓梯的前方，且樓梯和測量系統(tǒng)之間的距離 在標定距離范圍內(nèi)；按照測量環(huán)境的光強，調(diào)節(jié)攝像機光圈和曝光時間，使拍攝圖像中的最 亮點輝度值小于CCD/CM0S的最大輝度值;然后進行測量，得到測量結(jié)果。
[0035] 如果采用格雷碼的移動方式旋轉(zhuǎn)平移，則平移方向為格雷碼的黑白排列方向，平 移間隔在圖像上可以為1個像素，而平移次數(shù)至少要在3次以上。
[0036] 如果采用RGB3色格雷碼的測量，則必須使用彩色攝像機并且將RGB3色格雷碼分配 在投影儀的RGB的3個通道上，從而拍攝到的RGB分別為N組，N+1組，N+2組旋轉(zhuǎn)格雷碼的投影 結(jié)果。
[0037]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在測量時將格雷碼進行移動，得到更為精確的測量圖樣， 然后經(jīng)過一系列的特殊運算，得到最終待測物體的圖樣，避免了環(huán)境光的干擾，在同一組測 量物體中進行對比，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境光量20001UX的條件下，可以保證高精度的測量，其精度甚 至可以高于5001ux條件下相位移法的測量精度。
【主權(quán)項】
1. 一種高精度三維測量方法，包括標定處理流程和圖像測量流程，其特征在于:按照如 下步驟進行測量： 步驟1:將投影儀、攝像機、標定板、數(shù)據(jù)處理裝置放置平穩(wěn)； 步驟2:確定所需的測量范圍Wz; 步驟3:進行標定處理流程； 步驟4:進行圖像測量流程； 步驟5:得到最終測量結(jié)果； 所述標定處理流程分為圖像采集流程和格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于所述圖像采集流程，分 為以下步驟： 步驟1):打開攝像機與投影儀，確定攝像機與標定板之間的初始投影距離W0; 步驟2):進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生 的圖像； 步驟3):移動標定板，移動的距離為AWz，使攝像機與標定板之間的投影距離為Wn，n為 標定板移動次數(shù)，然后重復步驟2); 步驟4):當Wn=Wz時，停止移動標定板，完成標定處理中的圖像米集流程。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于所述格雷碼-距離轉(zhuǎn)換 系數(shù)V推算流程，分為以下步驟： 步驟(1):數(shù)據(jù)處理裝置讀取Wn位置上的第N次移動格雷碼產(chǎn)生的圖像，并進行二值化處 理； 步驟(2):將二值化處理后的圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置進行二進制計算，從而計算出每個 像素的格雷碼數(shù)值； 步驟(3): iWn=Wz時，進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V; 當Wn#Wz時，則重復上述步驟（1)和步驟(2)，直到Wn=W z時結(jié)束并進入格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù) V的計算，得到格雷碼距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于所述圖像測量流程按 照以下步驟進行測量： 步驟a:移除標定板，將被測物體平穩(wěn)放置在測量范圍Wz中； 步驟b:進行投影攝像，在投影過程中對格雷碼進行N次移動，并且記錄每次移動產(chǎn)生的 圖像； 步驟c:數(shù)據(jù)處理裝置讀取步驟b中記錄的圖像，并進行二值化處理，得到N組二值化處 理圖像； 步驟d:將N組二值化處理圖像再在數(shù)據(jù)處理裝置中進行二進制計算，從而計算出每次 移動得到的圖像中每個像素的格雷碼數(shù)值，共計N組； 步驟e:格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V推算流程所得到的格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V，確定N組格 雷碼數(shù)值中每個格雷碼數(shù)值對應(yīng)的距離Z( i，j); 步驟f:對步驟e得到的N組距離Z( i，j)進行均值化處理，得到最終的測量結(jié)果。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于:所述投影距離Wn=Wt1+ AWZ，其中6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于:所述攝像機、投影機 視野的寬高均要大于標定板的寬高;所述投影機的光源可以為紅外線光源。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于:所述格雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V的計算如下：根據(jù)公式 1推算出每個像素的格 雷碼-距離轉(zhuǎn)換系數(shù)V。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于：所述距離10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度三維測量方法，其特征在于:所述格雷碼可以為 黑白格雷碼或者是RGB3色格雷碼;所述移動格雷碼的移動方式可以為平移或是旋轉(zhuǎn)，在同 一件待測物體的標定及測量中，格雷碼采用的移動方式均相同，且移動量也相同。
【文檔編號】G01B11/00GK105890558SQ201610262944
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】蔣秋明, 陳喜云, 姚昌玉, 吳毓華, 楊介平
【申請人】圖友信息技術(shù)（上海）有限公司