本發(fā)明屬于三維曲面上的定位技術領域，具體指代一種主要利用激光掃描振鏡和工業(yè)相機在三維曲面上進行目標輪廓曲線標示方法。

背景技術：

隨著科學技術和工業(yè)生產的不斷發(fā)展，在三維曲面上標示出加工區(qū)域來輔助完成生產操作的需求量越來越多，例如，航空領域中的復合材料鋪層，需要在三維曲面上標示出復合材料鋪設的位置以及鋪設的形狀來完成復合材料的鋪設；商標或產品外觀圖案的噴涂，也需要在三維曲面標示出噴涂的位置及形狀來輔助噴涂。目前已有的方法先通過一種表面分布感光定位頭的特制的標定裝置來標定激光投影系統(tǒng)，然后在三維曲面上布置一定數(shù)量感光定位頭，再通過其它測量工具獲取感光定位頭的相對位置，感光定位頭是一種可以將激光束原路返回到激光投射系統(tǒng)的裝置，控制激光投射系統(tǒng)投射激光束搜索分布在三維曲面上的感光定位頭來建立三維曲面與激光投射系統(tǒng)的位姿關系，最后將需要標示的目標輪廓曲線投射到三維曲面上；這種方法結構較為復雜，成本較高。相比已有方法，本發(fā)明不僅不需要特制的標定裝置，而且也不需要感光定位頭；與此同時，采用現(xiàn)場實時標定的方法克服了已有方法的長時間使用所造成的精度下降需再次校準的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機器視覺輔助下的激光三維掃描標示方法，能夠有效地解決在復雜三維曲面上進行復雜目標輪廓曲線標示的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明的一種機器視覺輔助下的激光三維掃描標示方法，其基于一標示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：一個激光掃描振鏡、一個計算機和一個成像參數(shù)已標定過的工業(yè)相機；激光掃描振鏡包含一個控制器、一個激光發(fā)射器和兩個光學反射鏡片；計算機提供的數(shù)字控制信號通過控制器控制激光發(fā)射器發(fā)射激光并驅動兩個光學反射鏡片偏轉，從而控制激光束在一定的空間中的偏轉；工業(yè)相機接收計算機發(fā)送的信號，采集激光光斑與視覺標記點的圖像并傳回計算機；計算機負責圖像信息處理和激光掃描振鏡數(shù)字控制信號的定量計算，包括如下步驟：

步驟一：布設空間位置已知且與三維曲面之間相對位置關系已知的k(k≥n)個視覺特征點，接著用成像參數(shù)標定過的工業(yè)相機對這些視覺特征點進行拍照獲取圖像，并對圖像進行處理提取這些特征的像素坐標，應用n點透的理論，利用視覺特征的相對空間位置、像素坐標以及工業(yè)相機的成像參數(shù)求解出三維曲面到相機的空間位姿[R|T]；

步驟二：輸入數(shù)字控制信號d_i＝[^xd_i^yd_i],i＝1,2,...,N到控制器，控制激光發(fā)射器發(fā)射激光并驅動兩個光學反射鏡片投射出該激光束到三維曲面S，從而產生覆蓋三維曲面S的N個激光光斑，用標定過的工業(yè)相機對三維曲面S上的激光光斑拍攝圖像，并提取所有激光光斑中心的像素坐標；再利用標定過的工業(yè)相機內參數(shù)，把激光光斑中心的像素坐標轉變成物理坐標，將相機坐標系原點O_c與這些激光光斑中心的物理坐標相連構成N條直線l_i,i＝1,2,...,N；憑借步驟一中的[R|T]將三維曲面S的數(shù)模^wM從原始定義的坐標系轉換到相機坐標系下形成^cM，并求轉換后的數(shù)模^cM與l_i,i＝1,2,...,N的交點，求出的N個交點即為激光光斑中心在相機坐標系下的三維坐標^cP_i；

步驟三：根據步驟二中的d_i和^cP_i來標定三維曲面S上點在相機坐標系下三維坐標^cP與對應的激光掃描振鏡的數(shù)字控制信號d的映射關系^cP→d；

步驟四：將需要標示的目標輪廓曲線離散成一定密度的在曲面坐標系下三維點

步驟五：將步驟四中的三維離散點通過步驟一中的[R|T]轉換到相機坐標系下然后再通過步驟三中獲得的映射關系^cP→d，求解出對應的數(shù)字控制信號_tgtd_j,j＝1,2,...,L；

步驟六：依次將_tgtd_j,j＝1,2,...,L輸入到激光掃描振鏡，從而標示出三維曲面S上的目標輪廓曲線C。

優(yōu)選地，上述步驟三具體包括：構建單隱層前饋神經網絡來描述這二者的映射關系，用步驟二中激光光斑中心的三維坐標^cP_i與對應的振鏡數(shù)字控制信號d_i分別作為訓練所構建網絡的輸入、輸出數(shù)據集，然后再通過種前饋神經網絡的學習算法ELM來求解單隱層前饋神經的網絡結構參數(shù)輸入權重w、輸出權重β以及偏置b，由于激光光斑中心坐標就是曲面上的點的坐標，從而可以標定出三維曲面上點在相機坐標系下三維坐標與對應數(shù)字控制信號的映射關系^cP→d。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明不需要特制的標定工具，也不需要特制的標定裝置，標定步驟簡單，采用現(xiàn)場實時標定保證了每次使用的精度和可靠性，整個標示操作十分方便，可用于復合材料鋪層、商標噴涂以及零部件裝配等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明標示系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的激光光斑三維重建示意圖。

圖3為本發(fā)明的描述相機坐標系曲面上的點坐標^cP到對應的數(shù)字控制信號d之間映射關系的單隱層前饋神經網絡結構示意圖。

圖4為本發(fā)明的在機器視覺輔助下的三維激光掃描標示方法的步驟流程圖。

具體實施方式

為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發(fā)明作進一步的說明，實施方式提及的內容并非對本發(fā)明的限定。

本發(fā)明提出的機器視覺輔助下的激光三維掃描標示方法只需要被標示的三維曲面的數(shù)模^wM和布設空間位置已知且與三維曲面之間相對位置關系已知的k(k≥n)個視覺特征點。

參照圖1所示，本發(fā)明的機器視覺輔助下的激光三維掃描標示方法，其基于一標示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：成像參數(shù)已標定過的工業(yè)相機、激光掃描振鏡和計算機；激光掃描振鏡包含一個控制器、一個激光發(fā)射器和兩個光學反射鏡片；計算機提供的數(shù)字控制信號通過控制器控制激光發(fā)射器發(fā)射激光并驅動兩個光學反射鏡片偏轉，從而控制激光束在一定的空間中的偏轉；工業(yè)相機接收計算機發(fā)送的信號，采集激光光斑與視覺標記點的圖像并傳回計算機；計算機負責圖像信息處理和激光掃描振鏡數(shù)字控制信號的定量計算；

三維曲面S位于在工業(yè)相機的視野和激光掃描振鏡的掃描區(qū)域內，計算機負責向控制器輸入數(shù)字控制信號和工業(yè)相機拍照，控制器負責控制激光掃描振鏡和激光發(fā)射器。

上述的標示系統(tǒng)的原理如下：首先，向控制器輸入數(shù)字控制信號，則會在三維曲面上產生光斑，用工業(yè)相機得到記錄這些光斑的圖像，此處可以借助濾鏡濾除激光波段外的可見光來提高工業(yè)相機所拍攝的圖像質量，依據相機針孔模型、畸變模型以及三維曲面的數(shù)學模型重建這些光斑在相機坐標系下的三維坐標；再構建光斑在相機坐標系下的三維坐標到對應數(shù)字控制信號的映射關系的單隱層前饋神經網絡，然后用獲取的數(shù)據集訓練該網絡，即可標定映射關系^cP→d；再確定三維曲面坐標系與相機坐標系的空間位姿關系，將需要標示的輪廓離散成一定密度的點，再將這些離散的點利用求解出的空間位姿關系轉換到相機坐標系下，最終利用建立好的映射關系^cP→d求出對應的數(shù)字控制信號，來完成目標輪廓的標示。

參照圖1-圖4所示，本發(fā)明的標示方法具體包括步驟如下：

步驟一：布設空間位置已知且與三維曲面之間相對位置關系已知的k(k≥n)個視覺特征點，接著用成像參數(shù)標定過的工業(yè)相機對這些視覺特征點進行拍照獲取圖像，并對圖像進行處理提取這些特征的像素坐標，應用n點透(Perspective n Points,PnP)的理論，利用視覺特征的相對空間位置、像素坐標以及工業(yè)相機的成像參數(shù)求解出三維曲面到相機的空間位姿[R|T]；

步驟二：輸入數(shù)字控制信號d_i＝[^xd_i^yd_i],i＝1,2,...,N到控制器，控制激光發(fā)射器發(fā)射激光并驅動兩個光學反射鏡片投射出該激光束到三維曲面S，如圖2所示，在三維曲面上形成N個激光光斑，由于一次投射的光斑數(shù)量有限，故采用分批投射，形成完全覆蓋三維曲面S的激光光斑；用標定過的工業(yè)相機對三維曲面S上的激光光斑拍攝圖像，并提取所有激光光斑中心的像素坐標；再利用標定過的相機內參數(shù)，把激光光斑中心的像素坐標轉變成物理坐標，將相機坐標系原點O_c與這些激光光斑中心的物理坐標相連構成N條直線l_i,i＝1,2,...,N；憑借步驟一中的[R|T]將三維曲面S的數(shù)模^wM從原始定義的坐標系轉換到相機坐標系下形成^cM，并求轉換后的數(shù)模^cM與l_i,i＝1,2,...,N的交點，求出的N個交點即為激光光斑中心在相機坐標系下的三維坐標^cP_i＝[^cX_i^cY_i^cZ_i],i＝1,2,...,N；

步驟三：標定三維曲面S上點在相機坐標系下三維坐標^cP與對應的振鏡數(shù)字控制信號d的映射關系：如圖3所示，構建單隱層前饋神經網絡來描述這二者的映射關系，用步驟三中激光光斑中心的三維坐標^cP_i＝[^cX_i^cY_i^cZ_i],i＝1,2,...,N與對應的數(shù)字控制信號d_i＝[^xd_i^yd_i],i＝1,2,...,N分別作為訓練所構建網絡的輸入、輸出數(shù)據集，然后再通過一種前饋神經網絡的學習算法ELM來求解表達網絡結構參數(shù)的輸入權重w、輸出權重β以及偏置b，由于激光光斑中心坐標就是曲面上的點的坐標，從而可以標定出三維曲面上點在相機坐標系下三維坐標與對應的數(shù)字控制信號的映射關系^cP→d；

步驟四：將需要標示的目標輪廓曲線離散成一定密度的在曲面坐標系下三維點

步驟五：將步驟四中的三維離散點通過步驟一中的[R|T]轉換到相機坐標系下然后再通過步驟三中獲得的映射關系^cP→d，求解出對應的數(shù)字控制信號_tgtd_j,j＝1,2,...,L；

步驟六：依次將_tgtd_j,j＝1,2,...,L輸入到激光掃描振鏡，從而激光掃描出標示出三維曲面S上的目標輪廓曲線C。

從上述介紹可知，本發(fā)明所提出的標示方法，只需要用工業(yè)相機記錄投射到三維曲面上的光斑的圖像即可完成整個系統(tǒng)的標定，標定步驟簡單易行，十分適合現(xiàn)場標定。

本發(fā)明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。