基于单目立体视觉的三维重建装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于单目立体视觉的三维重建装置及方法，分别适用于十字线激光器和线激光器，包括平面基座、丝杠下安装座、右滑杆、丝杠、左滑杆、升降台、丝杠上安装座、转动手柄、舵机安装座、舵机、曲柄、伸缩杆、相机夹爪、工业相机和计算机。本发明专利技术装置结构简单且用途广泛，多个部件间的几何关系是可以调节的，通过调整升降台高度，调整激光器与工业相机的几何位置关系，可以在一个装置上实验多种不同的技术方案，相比传统的三维重建装置，省去了实现线激光器和待测量物体做相对直线运动的直线运动传动链部分，不仅降低了设计难度和设计成本，同时也避免了直线运动传动链所引入的多余误差，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于单目立体视觉的三维重建装置及方法
本专利技术属于三维重建
，尤其是涉及基于单目立体视觉的三维重建装置及方法。
技术介绍
目前，基于线激光单目立体视觉的测量与三维重建装置绝大部分采用的技术方案是，让线激光器和待测量物体做相对直线运动，由此达到扫描并获取整个待测量物体表面信息的目的。如公开号为CN111389777A的中国专利文献公开了一种基于线激光扫面的环绕式三维重建机构，包括底座，所述底座顶部设有两个箱体，两个所述箱体底部均通过滑轨与底座活动连接，两个所述箱体呈对称状均匀分布，两个所述箱体内部均设有扫描机构。公开号为CN107578464A的中国专利文献公开了一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，通过相机标定获取摄像头内外参数，通过图像预处理步骤进行滤波和激光光条中心位置的初步提取，并对光条中心坐标进行亚像素精度细化，通过激光光平面标定获取光平面方程，最终对待测工件的三维轮廓信息进行重建与测量。但是，采用上述这样的做法，一般需要将电动机的旋转运动转换为线激光器或待测量物体的直线运动，一方面会增加设计直线运动装置的工作量和成本；同时也引入了直线运动传动链，会带来多余的测量误差；同时，市面上常见的基于线激光单目立体视觉的测量与三维重建装置中所用到的工业相机和激光器的相对位置等参数是固定的，对于想从事基于线激光单目立体视觉的测量与三维重建装置研究的人们来说，是很不友好的。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术提供了基于单目立体视觉的三维重建装置及方法，不需要激光器与待测量物体做相对直线运动，亦即不需要引入直线运动传动链，解决了设计直线运动装置的工作量、成本以及由此引入的多余误差。一种基于单目立体视觉的三维重建装置，采用十字线激光器，包括：平面基座以及垂直固定在平面基座上的升降机构，所述的升降机构上活动固定有可上下移动的舵机安装座，所述舵机安装座的端部安装有舵机；所述舵机的舵盘上固定有曲柄，曲柄的一端固定有激光器安装座，另一端通过螺纹固定有伸缩杆；所述激光器安装座上安装有十字线激光器，所述伸缩杆的自由端通过相机夹爪与工业相机连接；所述舵机的转轴轴线、十字线激光器的轴线、伸缩杆的轴线均垂直于平面基座的上表面，所述的曲柄垂直于舵机的转轴轴线；所述的升降机构包括丝杆以及与丝杆两端通过轴承活动固定的丝杠上安装座和丝杆下安装座，所述的丝杆下安装座固定在平面基座上，所述丝杆上安装座上设有与丝杆上端固定的转动手柄；所述丝杠上安装座和丝杆下安装座之间还固定有左滑杆和右滑杆，所述的左滑杆和右滑杆对称设置在丝杆的两侧；所述的丝杆上设有螺纹连接的升降台，左滑杆和右滑杆穿过升降台上设置的通孔；所述的舵机安装座与升降台固定；所述的舵机、十字线激光器和工业相机分别与计算机电连接，所述的计算机用于控制舵机和十字线激光器的运动，采集工业相机拍摄到的图像数据并进行处理，重建被测量物体的三维特征。本专利技术的三维重建装置，采用了十字线激光器，对比传统的基于一字线激光单目立体视觉的三维重建装置，省去了实现线激光器和待测量物体做相对直线运动的直线运动传动链部分，不仅降低了设计难度和设计成本，同时也避免了直线运动传动链所引入的多余误差。同时，使用了十字线线激光器投射的十字线激光条纹来获取待测量物体表面信息，使工业相机获取到的图像比传统的一字线激光单目立体视觉方案多出了约一倍的信息。一种三维重建方法，使用上述基于单目立体视觉的三维重建装置，包括以下步骤：S1，根据待测量物体的大小，调节工业相机和十字线激光器的距离和角度参数；使得十字线激光器投射在待测量物体表面的十字线激光条纹在扫描时能够完整扫描待测量物体表面，同时工业相机所拍摄图像能够完整捕捉到待测量物体的整个表面信息；S2，分别标定初始相机坐标系、十字线激光器两个光平面上任意点的单应性变换矩阵、初始相机坐标系绕舵机轴转动的齐次坐标变换矩阵；S3，舵机旋转带动十字线激光器和工业相机绕舵机转轴轴线同步旋转，十字线激光条纹扫描待测量物体表面，同时工业相机采集图像数据并传输给计算机；S4，在计算机中对采集到的图像进行处理，重建待测量物体表面的三维信息。步骤(2)的具体过程为：S201，工业相机还未开始绕舵机转轴轴线旋转时，以工业相机的光轴为Z轴，光心为原点，据此建立初始相机坐标系，初始相机坐标系为右手系，Z轴正方向指向十字线激光器，让标定板平面垂直于十字线激光器产生的两个激光光平面，移动标定板，工业相机拍摄两幅图像；S202，计算机对采集到的两幅图像数据进行处理，提取出两幅图像中的激光条纹，进行特征点匹配，分别得出十字线激光器所投射出的两个光平面上任意点到初始相机坐标系的单应性变换矩阵，记为H1和H2；同时，提取出上述两幅图像中的十字线激光条纹的交点，根据得到的单应性变换矩阵H1或H2，求出上述两幅图像中的十字线激光条纹的交点在初始相机坐标系下的坐标，分别记为p1(a,b,c)，p2(c,d,e)，并进一步求出舵机转轴轴线在初始相机坐标系下的单位向量，记为S203，设定初始相机坐标系每次绕舵机转轴轴线旋转α角度时，工业相机采集一次当前图像，计算机进行矩阵运算，得到初始相机坐标系绕舵机转轴轴线旋转到当前相机坐标系时的位姿变换矩阵Mα；具体包括：当相机坐标系每次绕舵机转轴轴线旋转α角度时，得到的新的相机坐标系对上一个相机坐标系的位姿变换矩阵Aα，根据解析几何原理，得位姿变换矩阵Aα为：记录从初始相机坐标系到当前相机坐标系绕舵机转轴轴线转过了n个α角度，将对应的位姿变换矩阵Mn作用于当前十字线激光条纹上特征点在当前相机坐标系下的三维点坐标，将当前相机坐标系下的三维点坐标变换到初始相机坐标系下。步骤(3)的具体过程为：S301，计算机控制十字线激光器和工业相机启动，工业相机采集第一张图像并传输给计算机；S302，计算机控制舵机转动，同时每当舵机转轴转动α角度时，工业相机采集当前图像，并传递给计算机，同时计算机记录下当前舵机转轴已经转过多少个α角度，记为n；S303，当舵机转轴转动90°时，说明十字线激光条纹已经完整扫描了待测量物体表面，计算机保存先前采集到的图像数据，同时控制舵机、十字线激光器和工业相机停止工作。步骤(4)的具体过程为：S401，计算机提取图像中的十字线激光条纹，同时提取出记录当前图像数据时对应舵机转轴转过的角度α的个数n；S402，计算机对图像中的十字线激光条纹进行特征匹配，利用两个十字线激光光平面上任意点到初始相机坐标系的单应性变换矩阵H1和H2，解算出图像中的十字线激光条纹上的特征点在当前相机坐标系下的三维表达式，然后将对应的相机坐标系旋转变化矩阵Mn作用于当前相机坐标系下十字线激光条纹上的特征点的三维表达式，将其变换到初始相机坐标系中；S403，进行三维重建运算，获取待测量物体的表面信息。本专利技术还提供第二种基于单目立体视觉的三维重建装置，采用线激光器，包括：平面基座以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单目立体视觉的三维重建装置，其特征在于，包括平面基座以及垂直固定在平面基座上的升降机构，所述的升降机构上活动固定有可上下移动的舵机安装座，所述舵机安装座的端部安装有舵机；所述舵机的舵盘上固定有曲柄，曲柄的一端固定有激光器安装座，另一端通过螺纹固定有伸缩杆；所述激光器安装座上安装有十字线激光器，所述伸缩杆的自由端通过相机夹爪与工业相机连接；/n所述舵机的转轴轴线、十字线激光器的轴线、伸缩杆的轴线均垂直于平面基座的上表面，所述的曲柄垂直于舵机的转轴轴线；/n所述的升降机构包括丝杆以及与丝杆两端通过轴承活动固定的丝杠上安装座和丝杆下安装座，所述的丝杆下安装座固定在平面基座上，所述丝杆上安装座上设有与丝杆上端固定的转动手柄；所述丝杠上安装座和丝杆下安装座之间还固定有左滑杆和右滑杆，所述的左滑杆和右滑杆对称设置在丝杆的两侧；所述的丝杆上设有螺纹连接的升降台，左滑杆和右滑杆穿过升降台上设置的通孔；所述的舵机安装座与升降台固定；/n所述的舵机、十字线激光器和工业相机分别与计算机电连接，所述的计算机用于控制舵机和十字线激光器的运动，采集工业相机拍摄到的图像数据并进行处理，重建被测量物体的三维特征。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于单目立体视觉的三维重建装置，其特征在于，包括平面基座以及垂直固定在平面基座上的升降机构，所述的升降机构上活动固定有可上下移动的舵机安装座，所述舵机安装座的端部安装有舵机；所述舵机的舵盘上固定有曲柄，曲柄的一端固定有激光器安装座，另一端通过螺纹固定有伸缩杆；所述激光器安装座上安装有十字线激光器，所述伸缩杆的自由端通过相机夹爪与工业相机连接；
所述舵机的转轴轴线、十字线激光器的轴线、伸缩杆的轴线均垂直于平面基座的上表面，所述的曲柄垂直于舵机的转轴轴线；
所述的升降机构包括丝杆以及与丝杆两端通过轴承活动固定的丝杠上安装座和丝杆下安装座，所述的丝杆下安装座固定在平面基座上，所述丝杆上安装座上设有与丝杆上端固定的转动手柄；所述丝杠上安装座和丝杆下安装座之间还固定有左滑杆和右滑杆，所述的左滑杆和右滑杆对称设置在丝杆的两侧；所述的丝杆上设有螺纹连接的升降台，左滑杆和右滑杆穿过升降台上设置的通孔；所述的舵机安装座与升降台固定；
所述的舵机、十字线激光器和工业相机分别与计算机电连接，所述的计算机用于控制舵机和十字线激光器的运动，采集工业相机拍摄到的图像数据并进行处理，重建被测量物体的三维特征。


2.一种三维重建方法，其特征在于，使用权利要求1所述的基于单目立体视觉的三维重建装置，包括以下步骤：
S1，根据待测量物体的大小，调节工业相机和十字线激光器的距离和角度参数；使得十字线激光器投射在待测量物体表面的十字线激光条纹在扫描时能够完整扫描待测量物体表面，同时工业相机所拍摄图像能够完整捕捉到待测量物体的整个表面信息；
S2，分别标定初始相机坐标系、十字线激光器两个光平面上任意点的单应性变换矩阵、初始相机坐标系绕舵机轴转动的齐次坐标变换矩阵；
S3，舵机旋转带动十字线激光器和工业相机绕舵机转轴轴线同步旋转，十字线激光条纹扫描待测量物体表面，同时工业相机采集图像数据并传输给计算机；
S4，在计算机中对采集到的图像进行处理，重建待测量物体表面的三维信息。


3.根据权利要求2所述的三维重建方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：
S201，工业相机还未开始绕舵机转轴轴线旋转时，以工业相机的光轴为Z轴，光心为原点，据此建立初始相机坐标系，初始相机坐标系为右手系，Z轴正方向指向十字线激光器，让标定板平面垂直于十字线激光器产生的两个激光光平面，移动标定板，工业相机拍摄两幅图像；
S202，计算机对采集到的两幅图像数据进行处理，提取出两幅图像中的激光条纹，进行特征点匹配，分别得出十字线激光器所投射出的两个光平面上任意点到初始相机坐标系的单应性变换矩阵，记为H1和H2；同时，提取出上述两幅图像中的十字线激光条纹的交点，根据得到的单应性变换矩阵H1或H2，求出上述两幅图像中的十字线激光条纹的交点在初始相机坐标系下的坐标，分别记为p1(a,b,c)，p2(c,d,e)，并进一步求出舵机转轴轴线在初始相机坐标系下的单位向量，记为
S203，设定初始相机坐标系每次绕舵机转轴轴线旋转α角度时，工业相机采集一次当前图像，计算机进行矩阵运算，得到初始相机坐标系绕舵机转轴轴线旋转到当前相机坐标系时的位姿变换矩阵Mα；具体包括：
当相机坐标系每次绕舵机转轴轴线旋转α角度时，得到的新的相机坐标系对上一个相机坐标系的位姿变换矩阵Aα，根据解析几何原理，得位姿变换矩阵Aα为：



记录从初始相机坐标系到当前相机坐标系绕舵机转轴轴线转过了n个α角度，将对应的位姿变换矩阵Mn作用于当前十字线激光条纹上特征点在当前相机坐标系下的三维点坐标，将当前相机坐标系下的三维点坐标变换到初始相机坐标系下。


4.根据权利要求3所述的三维重建方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：
S301，计算机控制十字线激光器和工业相机启动，工业相机采集第一张图像并传输给计算机；
S302，计算机控制舵机转动，同时每当舵机转轴转动α角度时，工业相机采集当前图像，并传递给计算机，同时计算机记录下当前舵机转轴已经转过多少个α角度，记为n；
S303，当舵机转轴转动90°时，说明十字线激光条纹已经完整扫描了待测量物体表面，计算机保存先前采集到的图像数据，同时控制舵机、十字线激光器和工业相机停止工作。


5.根据权利要求4所述的三维重建方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为：
S401，计算机提取图像中的十字线激光条纹，同时提取出记录当前图像数据时对应舵机转轴转过的角度α的个数n；
S402，计算机对图像中的十字线激光条纹进行特征匹配，利用两个十字线激光光平面上任意点到初始相机坐标系的单应性变换矩阵H1和H2，解算出图像中的十字线激光条纹上的特征点在当前相机坐标系下的三维表达式，然后将对应的相机坐标系旋转变化矩阵Mn作用于当前相机坐标系下十字线激光条纹上的特征点的三维表达式，将其变换到初始相机坐标系中；
S403，进行三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡松钰，赖锦祥，傅建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33