一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法

摘要

本发明涉及一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法，该方法包括以下步骤：1)以固定的相对位置安装相机和结构光，且结构光在相机的视场范围内；2)建立相机坐标系；3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式；4)将标定过的结构光投射在物体上，结构光形成物体的轮廓线，相机采集结构光在物体轮廓上的图像，提取轮廓线在成像面上的坐标；5)根据步骤4)得到的坐标计算物体轮廓的三维坐标。与现有技术相比，本发明具有操作简单、造价低廉等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维摄影测量方法，尤其是涉及一种相机与结构光源结合获 取物体轮廓三维坐标的方法。

背景技术

物体的三维信息记录方法主要有：直接测量、基于X射线的CT扫描法，基于 计算机视觉的方法和激光三维扫描仪等方法。直接测量的方法耗费大量人力，工作 量大；采用CT扫描的方法价格昂贵，专用仪器体积巨大，使用不够方便，并且扫 描耗时长；激光三维扫描仪数据处理复杂，设备造价高；计算机视觉的方法需要对 数据进行三维重建，自动化处理困难，存在测量不精确，容易遗漏被遮挡位置的问 题。

目前广泛应用的三维坐标测量主要有光学坐标测量和结构光照明的主动光学 三维坐标测量技术。

光学坐标测量技术主要是采用校正好的摄像机和一个辅助测量棒进行测量，辅 助测量棒上有多个标记点和一个可以与被测物体接触的测头。测量前精密测定标记 点和测头在辅助测量棒坐标系中的坐标。通过计算辅助测量棒上测头的坐标能够得 出被测点的三维坐标。近年来，已有多家公司研制出较为成熟的产品，例如瑞士 Leica公司推出的T2 pro通用坐标测量机和德国AICON 3D Systems公司的Procam 便携式坐标测量机。

采用结构光照明的主动光学三维坐标测量技术具有非接触、速度快和测量精度 高等优点，被大多数实用的三维面形测量仪使用。通过标定结构光和光学传感元件 之间的位置关系，即可计算出结构光和物体交线上点的三维坐标。但是由于线结构 光测量一次只能得到物体表面某一截面上的轮廓线，为了得到完成的物体表面必须 附加一维扫描。该技术应用上的困难主要是标定结构光和旋转中心的过程繁琐和复 杂，这些标定方法都需要使用经过精密加工的标准模型，而且模型的定位精度也要 求很高。专业人员需要使用高精度的辅助设备对线结构光和旋转中心进行精密的调 节，并且通过测量标准件来保证其误差在允许的范围内才能得到满意的标定结果。 当结构光与相机的相对位置发生改变时，则需要重新进行上述复杂的标定，会耗费 大量的精力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、 造价低廉的相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法，该方法包括以下步 骤：

1)以固定的相对位置安装相机和结构光，且结构光在相机的视场范围内；

2)建立相机坐标系；

3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式；

4)将标定过的结构光投射在物体上，结构光形成物体的轮廓线，相机采集结 构光在物体轮廓上的图像，提取轮廓线在成像面上的坐标k_i(x，y，id)，成像面到相 机中心的垂直距离为id；

5)根据步骤4)得到的坐标k_i(x，y，id)计算物体轮廓的三维坐标。

所述的相机和结构光通过安装支架刚性连接。

所述的步骤2)中，建立相机坐标系时，取相机中心为坐标系原点，相机的相 机光轴为Z轴，成像面的水平方向为X轴，成像面的竖直方向为Y轴，其中Z轴 垂直于成像面，并过成像面的中心。

所述的步骤3)具体为：

301)计算结构光和靶标平面A的交线

在相机与结构光的交线处放置靶标，调整靶标位置，使靶标和结构光同时在相 机的视场范围内，记录该位置为A处，该位置处靶标的平面方程为S_A；

相机拍摄靶标和结构光在A处的图像，通过图像阈值分割技术，分别提取靶 标上的4个靶点和结构光在像平面上的坐标信息；

由4个靶点的坐标信息计算出S_A的方程式，结构光在像平面上的所有点和相 机坐标系原点构成一个平面P_A，根据透射投影模型，P_A与S_A的交线即是结构光和 靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的实际位置；

计算P_A和S_A相交，得到结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的方 程L_A；

302)计算结构光和靶标平面B的交线

调整靶标位置到B处，重复步骤301)的过程，计算出结构光和靶标在位置B 处的交线方程L_B；

303)计算结构光的平面方程式

L_A和L_B都在结构光平面上，由直线方程L_A和L_B计算出结构光在相机坐标系中 的平面方程式S。

所述的靶标在位置A处和位置B处时的夹角在60°～90°之间。

所述的步骤5)具体为：

501)作射线Ok_i，O为相机中心；

502)根据透射投影关系，求解Ok_i和S的交点，即得到物体轮廓的三维坐标 f_i(x_f，y_f，z_f)。

与现有技术相比，本发明提供了简单的结构光和相机标定技术方案，可方便结 构光对物体轮廓进行三维测量，与计算机视觉技术结合能够适应于大规模、快速的 工业三维测量过程。

附图说明

图1为相机坐标系示意图；

图2为靶标示意图；

图3为标定结构光平面过程示意图；

图4为方靶模型示意图；

图5为透射投影示意图；

图6为测量物体三维坐标过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种相机与结构光源结合获取物体轮廓三维坐标的方法，该方法通过标定后的 结构光和相机位置关系计算出结构光在物体轮廓上的三维坐标，具体包括以下步 骤：

(1)固定结构光和相机的相对位置

为了保证结构光和相机在标定和测量过程中的相对位置不变，通过安装支架将 结构光元件和相机刚性绑定在一起。相机和结构光的位置关系要保证相机在视场范 围的合适角度内能够观测到结构光。

(2)建立相机坐标系

如图1所示，取相机中心为坐标系原点，相机的相机光轴为Z轴，成像面的 水平方向为X轴，成像面的竖直方向为Y轴，其中Z轴垂直于成像面，并过成像 面的中心，成像面到相机中心的垂直距离为id。

(3)标定结构光在相机坐标系中的平面方程式

如图2所示，靶标平面上有4个靶点，4个靶点中心严格的构成一个边长已知 的正方形。如图3所示，使结构光和靶标平面相交，通过方靶模型计算出靶标在相 机坐标系中的平面方程，由透射投影模型计算出结构光和靶标平面的交线在相机坐 标系中的直线方程。调整一次靶标的位置，重复上述计算过程，可以得到另外一条 结构光平面上的直线方程。上述两条直线均在结构光平面上，由上述两个方程可以 计算出相机坐标系中结构光的平面方程。该过程具体包括如下子步骤：

301)计算结构光和靶标平面A的交线

在相机与结构光的交线处放置靶标，调整靶标位置，使靶标和结构光同时在相 机的视场范围内，记录该位置为A处，该位置处靶标的平面方程为S_A。相机拍摄 靶标和结构光在A处的图像，通过图像阈值分割技术，分别提取靶标上的4个靶 点和结构光在像平面上的坐标信息，根据4个靶点的信息，通过方靶模型计算出S_A的方程式：S_A：I_A·x+J_A·y+K_A·z+L_A＝0。

如图4所示，这里的方靶模型是指实物平面上的4个正方形靶点(A₁，A₂，A₃，A₄)在 成像过程中，由于成像面和物平面不平行，造成图像上的四个靶点(a₁，a₂，a₃，a₄)并 不是正方形。固定在两条对角线的中心点o，在OA₁，OA₂，OA₃，OA₄射线上将a₁，a₂，a₃，a₄点调整到a₁′，a₂′，a₃′，a₄′，使得a₁′，a₂′，a₃′，a₄′构成一个正方形，进而计算出a₁′，a₂′，a₃′，a₄′ 的坐标信息。通过三角形Oa₁′a₂′和OA₁A₂的相似关系，得到，由于 A₁A₂＝d为已知条件，从而可以计算出线段OA₁的长度。由于和的方向与 和的方向平行，计算出向量和。以为平面的法方向， 可以计算出靶标平面的方程式S：I·x+J·y+K·z+L＝0。

同时可以在靶标平面上建立一个坐标系，坐标原点为A₁，以为X轴，为Y轴，为Z轴，该坐标系的基向量与相机坐标系之 间有如下转换关系：

$\overrightarrow{p}=\overrightarrow{t}+R·\overrightarrow{q}$

是平移向量，等于A₁点在相机坐标系统中的向量

转角矩阵R有如下性质：

(1)R^T＝R^-1；

$\left(2\right),R=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha \\ 0& -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)·\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& -\sin \beta \\ 0& 1& 0\\ \sin \beta & 0& \cos \beta \end{array}\right)·\left(\begin{array}{ccc}\cos \gamma & \sin \gamma & 0\\ -\sin \gamma & \cos \gamma & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$其中α，β，γ分 别是基向量分别绕i，j，k轴旋转到与向量相同的三个转角。

结构光在像平面上的所有点和相机坐标系原点构成一个平面P_A，根据透射投 影模型，P_A与S_A的交线即是结构光和靶标在位置A处的交线在相机坐标系中的实 际位置。对于提取的结构光的点坐标，由透射投影关系得到结构光PA_i在成像面上 的投影点坐标为P_i(x_A′，y_A′，id)，那么结构光的实物点在相机坐标系中的坐标为 W_i(x，y，z)，解下述方程组

$\left(\begin{array}{c}{I}_A·x+J_A·y+K_A·z+L_A=0\\ x=\frac{x^{\prime }}{\mathrm{id}}·z\\ y=\frac{y^{\prime }}{\mathrm{id}}·z\end{array}\right)$

即可得到W_i(x，y，z)。W_i(x，y，z)均在结构光和靶标平面的交线上，用最小二乘法 拟合即可得到结构光平面上的一条直线方程L_A。

如图5所示，这里的投射投影模型是指相机坐标系的空间中一点(x，y，z)，在 成像面上的投影点坐标为(x′，y′，id)，物体点、成像点和相机中心在一条直线上。从 而有：

$\frac{x}{z}=\frac{x^{\prime }}{\mathrm{id}}$

$\frac{y}{z}=\frac{y^{\prime }}{\mathrm{id}}$

由于x′，y′，id均是已知数值，从而计算出

302)计算结构光和靶标平面B的交线

调整靶标位置到B处，保证靶标在位置A处和位置B处时的夹角在60°～90° 之间，重复步骤301)的过程，计算出结构光和靶标在位置B处的交线方程L_B；

303)计算结构光的平面方程式

L_A和L_B都在结构光平面上，由直线方程L_A和L_B计算出结构光在相机坐标系中 的平面方程式S：A·x+B·y+C·z+D＝0，这里A、B、C、D为求得的平面的系 数。

(4)采集结构光在物体轮廓上的图像

结构光和相机位置关系固定，那么结构光平面在相机坐标系中的平面方程式也 是固定的。将标定过的结构光投射在物体上，结构光形成物体的轮廓线，相机采集 结构光在物体轮廓上的图像，提取轮廓线在成像面上的坐标k_i(x，y，id)。

(5)物体轮廓的三维坐标。

如图6所示，从相机中心O通过成像面上结构光的像k_i(x_k，y_k，id)做射线Ok_i， 根据透射投影关系，求解Ok_i和S的交点，即得到物体轮廓的三维坐标f_i(x_f，y_f，z_f)。 可由以下公式：

$\left(\begin{array}{c}A·x_f+B·y_f+C·z_f+D=0\\ \frac{x_f}{x_k}=\frac{z_f}{\mathrm{id}}\\ \frac{y_f}{y_k}=\frac{z_f}{\mathrm{id}}\end{array}\right)$

计算得出f_i点处的x_f，y_f，z_f。

虽然已经结合具体的示范性实施例并结合附图充分的描述了本发明，对于本领 域技术人员来说，对本发明的各种修改和改变是显而易见的。因此，除非这些改变 和变形脱离本发明的范围，否则它们应该被解释为包括在本发明的范围内。