本發(fā)明涉及三維檢測(cè)、三維重構(gòu)領(lǐng)域，特別是一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量的方法。

背景技術(shù)：

三維測(cè)量技術(shù)是獲取待測(cè)物體表面各點(diǎn)空間坐標(biāo)的一種技術(shù)。三維模型很好的反映了物體的真實(shí)形貌，快速三維測(cè)量技術(shù)在許多諸如軍事、文物、醫(yī)學(xué)、教育、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。

三維測(cè)量技術(shù)由來已久，技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。常用的三維測(cè)量方法分別接觸式和非接觸式，接觸式測(cè)量代表技術(shù)主要有cmm(三坐標(biāo)測(cè)量機(jī))、斷層掃描和層析法等。其優(yōu)點(diǎn)是精度相對(duì)較高，但對(duì)一些非接觸式表面卻無能為力，且只適合測(cè)量比較小型的物體及場(chǎng)景，對(duì)于大場(chǎng)景的三維測(cè)量，其測(cè)量速度較慢。非接觸式測(cè)量有：1.雙目立體視覺法：基于視差原理。通過在不同位置拍攝被測(cè)物體的兩幅圖像，并通過數(shù)字圖像處理的方式計(jì)算圖像像素點(diǎn)與物體對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的位置，從而獲得物體表面三維信息；2.飛行時(shí)間法：通過發(fā)射出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過接收物體表面反射回來的脈沖信號(hào)，計(jì)算得出接收的時(shí)間差，便可以得到物理到測(cè)量?jī)x器的距離；3.相位測(cè)量輪廓術(shù)：結(jié)構(gòu)光法的一種，它的原理是通過投影多幅具有一定相位差的條紋光柵至物體表面，通過變形的光柵條紋圖來計(jì)算相位，最后通過相位與高度的映射關(guān)系來得到物體的高度分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體的三維重建；4.激光線掃描：利用三角測(cè)量原理，投射出一條水平激光線，均勻移動(dòng)待測(cè)物體，使激光線通過物體的表面，從而測(cè)量得到物體的表面三維輪廓。

現(xiàn)有技術(shù)還未出現(xiàn)運(yùn)用線陣結(jié)構(gòu)光與查表法結(jié)合，簡(jiǎn)便快捷的完成物體表面三維輪廓測(cè)量的方法，本發(fā)明解決這樣的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，本發(fā)明通過運(yùn)用線陣結(jié)構(gòu)光與查表法的原理，簡(jiǎn)便快捷的完成物體表面三維輪廓測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，包括：放置待測(cè)物體的基準(zhǔn)平面，圖像采集器，對(duì)圖像采集器進(jìn)行標(biāo)定的棋盤標(biāo)定板，置于基準(zhǔn)平面上的線陣結(jié)構(gòu)光。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，線陣結(jié)構(gòu)光通過線陣激光器產(chǎn)生。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，線陣結(jié)構(gòu)光為通過投影儀做為光源生成的投影圖像。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，線陣結(jié)構(gòu)光為經(jīng)過光柵生成的衍射圖像。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，圖像采集器為單目相機(jī)。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，圖像采集器的中軸線與線陣激光發(fā)生器的光源線之間的角度范圍為0到180度。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，相機(jī)的中軸線和光源線之間的角度為九十度。

前述的一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量方法，包括：如下步驟：

步驟一：使用棋盤標(biāo)定板對(duì)圖像采集器進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定算法求出圖像采集器得到圖像采集器的內(nèi)參數(shù)矩陣，徑向畸變參數(shù)k1,k2,k3,切向畸變參數(shù)p1,p2和圖像采集器相對(duì)于待測(cè)平面的外參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)向量和平移向量；

步驟二：將圖像采集器和陣列激光發(fā)生器利用機(jī)械固定裝置分別固定；

步驟三：將陣列激光線投射到基準(zhǔn)平面，提高至少一次基準(zhǔn)平面的高度，采集圖像并記錄相應(yīng)高度值；

步驟四：利用插值法擬合出每條激光線的位置隨高度變化的關(guān)系，生成相應(yīng)

的檢索表并保存；假設(shè)高度h1的平面光線上某點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1,y1),其對(duì)應(yīng)

的高度h2的坐標(biāo)為(x2,y2),假設(shè)光線沿x軸方向，利用插值法可得像素坐

標(biāo)和高度的關(guān)系：

根據(jù)該式，可以將y1,y2之間所有的點(diǎn)擬合出來，并生成相應(yīng)的查詢表保存

起來。

步驟五：將物體放在基準(zhǔn)高度為0的平面，通過圖像采集器采集其平面的線陣光，對(duì)采集到的圖片進(jìn)行圖像處理，提取激光線的位置得到表面激光線坐標(biāo)(x1,y1),根據(jù)關(guān)系表w，去查找(x1,y1)對(duì)應(yīng)的高度h，進(jìn)而還原出物體的三維輪廓；

圖像處理的方法具體為：a)打開待處理的圖像，并校正圖像的畸變；b)生成灰度圖像，并進(jìn)行平滑濾波、高斯去噪、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等預(yù)處理；c)對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值化；d)查找激光線的位置，利用重心法確定激光線的中心坐標(biāo)；

關(guān)系表w的制作過程為：

a)確定基準(zhǔn)平面，其空間高度看作0，采集此平面的線陣圖像，經(jīng)過圖像處理后得到激光線的坐標(biāo)位置(x,y)；

b)將該基準(zhǔn)平面上升h高度，同樣采集線陣圖像并處理，利用插值法計(jì)算出在高度0到h的范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)與空間高度h的關(guān)系；

c)將平面再上升h高度，同理得到h到2h的范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)與空間高度h的關(guān)系；

d)依次類推，便可得到0到h的連續(xù)范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)隨空間高度變化的關(guān)系表w(x,y,h)，將該表保存起來。

本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明提供一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，本發(fā)明通過運(yùn)用線陣結(jié)構(gòu)光和查詢表的原理，簡(jiǎn)便快捷的完成物體表面三維輪廓測(cè)量。首先利用傳統(tǒng)標(biāo)定方法得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)；再采集不同空間高度的線陣結(jié)構(gòu)光圖像，利用標(biāo)定參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行畸變矯正；然后利用插值計(jì)算得到每條激光線圖像坐標(biāo)位置和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成相應(yīng)的檢索表并保存；查詢表只需要生成一次，保持相機(jī)和光源相對(duì)位置不變，再測(cè)量其他物體時(shí)，只需要將待測(cè)物體放在基準(zhǔn)平面，利用圖像采集器得到線陣結(jié)構(gòu)光在其表面的圖像；利用圖像處理得出激光線的圖像坐標(biāo)，直接查找之前的檢索表就可以得到激光線的深度信息；進(jìn)而快速還原出物體的三維輪廓。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明制作關(guān)系表w的原理圖；

圖中附圖標(biāo)記的含義：

h為采集不同高度的平面時(shí)，每次上升的距離；，h為多次上升后平面的最終高度。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。

一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置，包括：放置待測(cè)物體的基準(zhǔn)平面，圖像采集器，對(duì)圖像采集器進(jìn)行標(biāo)定的棋盤標(biāo)定板，置于基準(zhǔn)平面上的線陣結(jié)構(gòu)光。作為一種優(yōu)選，圖像采集器為單目相機(jī)，測(cè)量精度0.2mm時(shí)要求相機(jī)的像元大小最少5um,精度要求更高時(shí)，像元需要更小。

作為一種實(shí)施例，線陣結(jié)構(gòu)光通過線陣激光器產(chǎn)生；線陣結(jié)構(gòu)光也可以為通過投影儀做為光源生成的投影圖像；線陣結(jié)構(gòu)光也可以為經(jīng)過光柵生成的衍射圖像。

圖像采集器的中軸線與線陣激光發(fā)生器的光源線之間的角度范圍為0到180度；角度越小其深度測(cè)量范圍越小，角度越大深度測(cè)量范圍越大，就測(cè)量精度而言，角度越接近九十度，測(cè)量精度越高。作為一種優(yōu)選，相機(jī)的中軸線和光源線之間的角度為九十度。

一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量方法，包括：如下步驟：

步驟一：使用棋盤標(biāo)定板對(duì)圖像采集器進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定算法求出圖像采集器得到圖像采集器的內(nèi)參數(shù)矩陣，徑向畸變參數(shù)k1,k2,k3,切向畸變參數(shù)p1,p2和圖像采集器相對(duì)于待測(cè)平面的外參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)向量和平移向量；

步驟二：將圖像采集器和陣列激光發(fā)生器利用機(jī)械固定裝置分別固定；

步驟三：將陣列激光線投射到基準(zhǔn)平面，提高至少一次基準(zhǔn)平面的高度，采集圖像并記錄相應(yīng)高度值；

步驟四：利用插值法擬合出每條激光線的位置隨高度變化的關(guān)系，生成相應(yīng)的檢索表并保存；假設(shè)高度h1的平面光線上某點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1,y1),其對(duì)應(yīng)的高度h2的坐標(biāo)為(x2,y2),假設(shè)光線沿x軸方向，利用插值法可得像素坐標(biāo)和高度的關(guān)系：

根據(jù)該式，可以將y1,y2之間所有的點(diǎn)擬合出來，并生成相應(yīng)的查詢表保存起來。

步驟五：將物體放在基準(zhǔn)高度為0的平面，通過圖像采集器采集其平面的線陣光，對(duì)采集到的圖片進(jìn)行圖像處理，提取激光線的位置得到表面激光線坐標(biāo)(x1,y1),根據(jù)關(guān)系表w，去查找(x1,y1)對(duì)應(yīng)的高度h，進(jìn)而還原出物體的三維輪廓；

圖像處理的方法具體為：a)打開待處理的圖像，并校正圖像的畸變；b)生成灰度圖像，并進(jìn)行平滑濾波、高斯去噪、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等預(yù)處理；c)對(duì)灰度圖像進(jìn)行閾值化；d)查找激光線的位置，利用重心法確定激光線的中心坐標(biāo)；

關(guān)系表w的制作過程為：

a)確定基準(zhǔn)平面，其空間高度看作0，采集此平面的線陣圖像，經(jīng)過圖像處理后得到激光線的坐標(biāo)位置(x,y)；

b)將該基準(zhǔn)平面上升h高度，同樣采集線陣圖像并處理，利用插值法計(jì)算出在高度0到h的范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)與空間高度h的關(guān)系；

c)將平面再上升h高度，同理得到h到2h的范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)與空間高度h的關(guān)系；

d)依次類推，便可得到0到h的連續(xù)范圍內(nèi)，光線坐標(biāo)隨空間高度變化的關(guān)系表w(x,y,h)，將該表保存起來。

查詢表只需要生成一次，保持相機(jī)和光源相對(duì)位置不變，再測(cè)量其他物體時(shí)，可以采用快速三維測(cè)量的方法：

構(gòu)建查詢表之后，相機(jī)和線陣結(jié)構(gòu)光的相對(duì)位置保持不變，放置待測(cè)物體，采集其表面的線陣結(jié)構(gòu)光圖像，圖像處理得到表面激光線某點(diǎn)坐標(biāo)(x,y),根據(jù)之前保存的關(guān)系表或者叫查詢表w，去查找(x,y)對(duì)應(yīng)的高度h，最后根據(jù)一系列的三維坐標(biāo)值進(jìn)行三維表面還原。

本發(fā)明提供一種線陣結(jié)構(gòu)光三維快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，本發(fā)明通過運(yùn)用線陣結(jié)構(gòu)光和查詢表的原理，簡(jiǎn)便快捷的完成物體表面三維輪廓測(cè)量。首先利用傳統(tǒng)標(biāo)定方法得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)；再采集不同空間高度的線陣結(jié)構(gòu)光圖像，利用標(biāo)定參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行畸變矯正；然后利用插值計(jì)算得到每條激光線圖像坐標(biāo)位置和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成相應(yīng)的檢索表并保存；查詢表只需要生成一次，保持相機(jī)和光源相對(duì)位置不變，再測(cè)量其他物體時(shí)，只需要將待測(cè)物體放在基準(zhǔn)平面，利用圖像采集器得到線陣結(jié)構(gòu)光在其表面的圖像；利用圖像處理得出激光線的圖像坐標(biāo)，直接查找之前的檢索表就可以得到激光線的深度信息；進(jìn)而快速還原出物體的三維輪廓。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。