一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统及方法，三维测量系统中的振镜模组包括反射镜和伺服电机，伺服电机与反射镜连接并用于驱动反射镜旋转；线激光器用于发射线性激光、且激光输出端朝向反射镜的镜面布置，反射镜设置于线激光器发射的线性激光的光路上，反射镜用于将线性激光反射后照射于待测量物体的表面；若干组相机分别设置于待测量物体表面的四周，每组相机的镜头均朝向待测量物体的表面，所有的相机组合后的镜头捕捉面域覆盖整个待测量物体的测量表面。本发明专利技术能够在保持激光扫描测量精度的同时，大幅提升测量速度，具有测量精度高、速度快、灵活性好的优势，且数据不易缺失、测量面域全覆盖。且数据不易缺失、测量面域全覆盖。且数据不易缺失、测量面域全覆盖。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及三维激光扫描的
，具体为一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统及方法。

技术介绍

[0002]三维激光扫描技术是基于三角测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。
[0003]现有三维扫描技术主要包括结构光投影式三维扫描技术以及手持式激光三维扫描技术两种。结构光投影式三维扫描仪容易受到环境光照影响，不适用于光滑金属材质物体的测量；手持式激光三维扫描仪抗干扰性强，但是需要在被测物体表面粘贴标志点，扫描过程必须处于完全离线的状态，这大大限制了激光三维测量技术在实时性要求较高的场景中的应用。
[0004]现有的单目振镜式激光三维快速扫描技术能够在保持激光扫描测量精度的同时，大幅提升测量速度，具有测量精度高、速度快、灵活性好的优势，然而单目振镜激光三维扫描测量高反射率表面时存在数据缺失的问题，且容易产生测量盲区。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统及方法，本专利技术利用多部相机实时采集激光线图像，测量面域全覆盖、且数据不易缺失。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统，包括线激光器、振镜模组和若干组相机；
[0008]所述振镜模组包括反射镜和伺服电机，所述伺服电机与反射镜连接并用于驱动反射镜旋转；
[0009]所述线激光器用于发射线性激光、且激光输出端朝向反射镜的镜面布置，所述反射镜设置于线激光器发射的线性激光的光路上，反射镜用于将线性激光反射后照射于待测量物体的表面；
[0010]若干组相机分别设置于待测量物体表面的四周，每组相机的镜头均朝向待测量物体的表面，所有的相机组合后的镜头捕捉面域覆盖整个待测量物体的测量表面。
[0011]优选的，所述相机的组数为三个以上，一般取3～6组即可。
[0012]优选的，相机采用面阵相机，相机的镜头采用工业镜头。
[0013]本专利技术还提供了一种三维测量方法，该三维测量方法采用已预标定的本专利技术如上所述的基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统进行，包括如下过程：
[0014]线激光器发射线性激光，反射镜将线性激光反射于待测量物体表面，伺服电机驱
动反射镜旋转，使反射镜反射的线性激光在待测量物体表面进行扫描；
[0015]所有相机实时采集待测量物体表面的激光线图像；
[0016]利用采集到的图像以及基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统的系统参数，计算得到待测量物体表面的三维坐标，根据三维坐标重建出被测物体的三维轮廓。
[0017]优选的，待测量物体表面的三维坐标(X，Y，Z)通过下式计算得到：
[0018][0019]式中，i为相机的序号，ρ1～ρ
i
为缩放因子，(u1，v1)～(u
i
，v
i
)分别为每个(X，Y，Z)下所对应的各相机坐标系所对应的X轴数值、Y轴数值，K1～K
i
分别为各相机的内外参数，T
world_to_cam1
～T
world_to_cami
分别为世界坐标系和各相机坐标系之间的坐标变换矩阵；T
mirror_to_world
为以世界坐标系以及振镜坐标系这两个坐标系坐标轴的单位向量与原点确定出的旋转矩阵和平移向量组合形成的映射变换矩阵；为光平面偏转角度。
[0020]优选的，本专利技术三维测量方法，还包括对所述的基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统的标定过程，标定过程包括：
[0021]建立系统数学模型：建立各组相机以及振镜的坐标系；
[0022]标定相机：使用带有标准角点的标定板，标定板所对应的坐标系为世界坐标系，在所有相机的共同视场内的不同位置进行摆放，每组相机采集每个位置下的标定板图像，利用采集到的标定板图像，基于角点提取算法和张正友标定算法得到每个相机的内参数外参数以及世界坐标系和任意相机坐标系之间的坐标变换矩阵，获得每组相机内外参数，以及世界坐标系和各相机坐标系之间的坐标变换矩阵；
[0023]标定振镜，以振镜的转轴方向为振镜坐标系其中的一个坐标轴，当振镜控制电压为预设值时，激光平面的法线方向为振镜坐标系其中的另一个坐标轴建立世界坐标系，获得振镜坐标系和世界坐标系映射变换矩阵。
[0024]优选的，坐标系的建立过程包括：
[0025]以每组相机摄像机镜头的光心O
C
为原点建立相机的坐标系，其中以光轴方向为Z
C
轴，X
C
轴与Y
C
轴分别平行于图像物理坐标系的X轴和Y轴的三维坐标系；
[0026]世界坐标系是以平面棋盘格其中一个角的角点为原点O
w
、以棋盘格行和列的方向作分别为X
w
轴与Y
w
轴、以右手定则确定Z
w
轴的三维坐标系；
[0027]振镜坐标系O
m
X
m
Y
m
Z
m
是以振镜的转轴方向为Y
m
轴，Y
m
轴与世界坐标系O
w
X
w
Z
w
平面的交点作为原点O
m
，当振镜控制电压为U0时，激光平面的法线方向作为X
m
轴，以右手定则确定Z
w
轴的三维坐标系。
[0028]优选的：以世界坐标系以及振镜坐标系这两个坐标系坐标轴的单位向量与原点确定出的旋转矩阵和平移向量组合形成的映射变换矩阵T
mirror_to_world
满足如下关系：
[0029][0030]式中，(Xm，Ym，Zm)为点在振镜坐标系下的坐标，(Xw，Yw，Zw)为(Xm，Ym，Zm)对应的世界坐标系下的坐标。
[0031]优选的，获取坐标值(Xm，Ym，Zm)所对应的(Xw，Yw，Zw)的过程包括：
[0032]打开线激光器；
[0033]调节标定板处在不同位置，当标定板调节至某一位置时，控制所有的相机采集伺服电机在不同的控制电压下时的激光线条纹图像；
[0034]利用采集到的激光线条纹图像，基于激光中心线提取算法提取每条激光条纹的像素坐标，再基于多目视觉匹配算法得到每条激光条纹在世界坐标系下的坐标(Xw，Yw，Zw)。
[0035]优选的，伺服电机驱动反射镜旋转时，伺服电机的驱动电压满足如下条件：
[0036]在世界坐标系下，伺服电机的控制电压与光平面方程的对应关系如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统，其特征在于，包括线激光器(1)、振镜模组(2)和若干组相机；所述振镜模组包括反射镜(21)和伺服电机，所述伺服电机与反射镜(21)连接并用于驱动反射镜(21)旋转；所述线激光器(1)用于发射线性激光、且激光输出端朝向反射镜(21)的镜面布置，所述反射镜(21)设置于线激光器(1)发射的线性激光的光路上，反射镜(21)用于将线性激光反射后照射于待测量物体的表面；若干组相机分别设置于待测量物体表面的四周，每组相机的镜头均朝向待测量物体的表面，所有的相机组合后的镜头捕捉面域覆盖整个待测量物体的测量表面。2.根据权利要求1所述的一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统，其特征在于，所述相机的组数为三个以上。3.根据权利要求1所述的一种基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统，其特征在于，相机采用面阵相机，相机的镜头采用工业镜头。4.一种三维测量方法，其特征在于，该三维测量方法采用已预标定的权利要求1
‑
3任意一项所述的基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统进行，包括如下过程：线激光器(1)发射线性激光，反射镜(21)将线性激光反射于待测量物体表面，伺服电机驱动反射镜(21)旋转，使反射镜(21)反射的线性激光在待测量物体表面进行扫描；所有相机实时采集待测量物体表面的激光线图像；利用采集到的图像以及基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统的系统参数，计算得到待测量物体表面的三维坐标，根据三维坐标重建出被测物体的三维轮廓。5.根据权利要求4所述的一种三维测量方法，其特征在于，待测量物体表面的三维坐标(X，Y，Z)通过下式计算得到：式中，i为相机的序号，ρ1～ρ
i
为缩放因子，(u1，v1)～(u
i
，v
i
)分别为每个(X，Y，Z)下所对应的各相机坐标系所对应的X轴数值、Y轴数值，K1～K
i
分别为各相机的内外参数，T
world_to_cam1
～T
world_to_cami
分别为世界坐标系和各相机坐标系之间的坐标变换矩阵；T
mirror_to_world
为以世界坐标系以及振镜坐标系这两个坐标系坐标轴的单位向量与原点确定出的旋转矩阵和平移向量组合形成的映射变换矩阵；为光平面偏转角度。6.根据权利要求4或5所述的一种三维测量方法，其特征在于，还包括对所述的基于多目视觉和振镜激光扫描的三维测量系统的标定过程，标定过程包括：建立系统数学模型：建立各组相机以及振镜的坐标系；标定相机：使用带有标准角点的标定板，标定板所对应的坐标系为世界坐标系，在所有相机的共同视场内的不同位置进行摆放，每组相机采集每个位置下的标定板图像，利用采集到的标定板图像，基于角点提取算法和张正友标定算法得到每个相机的内参数外参数以及世界坐标系和任意相机坐标系之间的坐标变换矩阵，获得每组相机内外参数，以及世界

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树明，刘勇，胡鹏宇，张国锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：