專利名稱：一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維視覺測量拼接技術(shù)，尤其涉及一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法及裝置。
背景技術(shù)：
為實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸被測物三維形貌的測量，一般將大尺寸被測物表面分成多個(gè)子區(qū)域，從多個(gè)視角分別對(duì)各子區(qū)域進(jìn)行測量，并將各局部測量數(shù)據(jù)拼接到全局坐標(biāo)系下。三維數(shù)據(jù)拼接的精度決定了對(duì)大尺寸被測物三維形貌視覺測量能夠達(dá)到的精度，因此，對(duì)三維數(shù)據(jù)拼接方法的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，用于三維數(shù)據(jù)拼接的方法主要有三種第一種，是通過精密平臺(tái)、經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀等大型裝置來擴(kuò)展測量范圍，這種方法中所用的測量裝置價(jià)格昂貴，且測量范圍有限；第二種，是通過在測量裝置相鄰兩次測量的公共視場內(nèi)粘貼標(biāo)記點(diǎn)，利用其中非共線的三個(gè)點(diǎn)來求取拼接矩陣，這種方法存在著粘貼和清除標(biāo)記的工作較為繁瑣，且會(huì)損害被測物表面的缺點(diǎn)；第三種,是迭代最近點(diǎn)法(ICP, Iterative Closest Point)算法,但這種方法存在迭代運(yùn)算量大，運(yùn)行時(shí)間長等問題，且不適合于表面曲率變化不豐富的被測物。基于平面靶標(biāo)的方法克服了以上三種方法的不足，該方法利用相鄰兩次測量公共視場內(nèi)的平面靶標(biāo)提供的特征點(diǎn)來計(jì)算拼接矩陣，不僅操作方便，而且精度高，有著廣泛的使用前景。目前，常用的是基于方格特征的平面靶標(biāo)，利用方格角點(diǎn)的匹配求取拼接矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)拼接。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，在平面靶標(biāo)部分被遮擋的情況下，方格角點(diǎn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤匹配的情況，從而導(dǎo)致三維數(shù)據(jù)拼接失敗。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法及裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)在平面靶標(biāo)部分被遮擋情況下三維數(shù)據(jù)拼接失敗的問題，保證了三維測量數(shù)據(jù)拼接的精度，提高了三維測量數(shù)據(jù)拼接可靠性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法，該方法包括將被測物固定并放置在已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)能觀測的合理位置，并建立全局坐標(biāo)系;放置平面圓靶標(biāo)在被測物前，移動(dòng)已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)，拍攝平面圓靶標(biāo)在移動(dòng)前后測量位置所成的橢圓圖像；從拍攝的平面圓靶標(biāo)圖像中提取橢圓，并擬合橢圓方程，重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征；根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解拼接矩陣。
上述方案中，所述圓特征包括圓心坐標(biāo)和圓平面的法向量。上述方案中，所述擬合橢圓方程，為結(jié)合隨機(jī)抽樣一致性算法(RANSAC，RandomSample Consensus)的直接最小二乘法擬合出橢圓方程。 上述方案中，所述重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征，為基于結(jié)合RANSAC的直接最小二乘法擬合出的橢圓方程、攝像機(jī)參數(shù)矩陣、以及平面圓靶標(biāo)上圓特征的半徑值，利用幾何相交的圓特征三維重建方法，重建在局部測量坐標(biāo)系下的圓特征。上述方案中，所述根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解拼接矩陣，為利用重建的前后測量位置的圓特征在空間中的同一性，構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)RANSAC擬合橢圓方程時(shí)得到的內(nèi)外點(diǎn)比值；設(shè)置匹配的邊緣點(diǎn)集對(duì)應(yīng)的權(quán)重，利用列文伯格-馬夸爾特法(Levenberg-Marquardt)非線性優(yōu)化方法計(jì)算出高精度的拼接矩陣。本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接裝置，該裝置包括橢圓圖像獲取模塊、重建圓特征模塊和拼接矩陣計(jì)算模塊；其中，橢圓圖像獲取模塊，用于獲取平面圓靶標(biāo)在移動(dòng)前后測量位置所成的橢圓圖像；重建圓特征模塊，用于從拍攝的平面圓靶標(biāo)橢圓圖像中提取橢圓，并擬合橢圓方程，重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征；拼接矩陣計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解拼接矩陣。上述方案中，所述橢圓圖像獲取模塊、重建圓特征模塊、拼接矩陣計(jì)算模塊，設(shè)置于雙目視覺系統(tǒng)中。本發(fā)明所提供的基于平面圓靶標(biāo)的三維數(shù)據(jù)拼接方法及裝置，利用圓特征的同一性以及圓豐富的邊緣信息；在獲取拼接矩陣的過程中，通過高精度的檢測橢圓邊緣點(diǎn)集，提高擬合橢圓方程的精度，進(jìn)而提高了拼接矩陣的求取精度。并且，本發(fā)明利用圓特征在部分被遮擋情況下也可以被精確提取和匹配的優(yōu)點(diǎn)，能提高三維數(shù)據(jù)拼接的精度和可靠性，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用平面方格靶標(biāo)法在部分被遮擋情況下三維數(shù)據(jù)拼接失敗的問題，保證了三維測量數(shù)據(jù)拼接的精度，提高了三維測量數(shù)據(jù)拼接可靠性。另外，由于圓靶標(biāo)不易受到部分遮擋的影響，所以更適于在各種復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下的應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接模型示意圖；圖2為本發(fā)明基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法流程示意圖；圖3為本發(fā)明平面圓靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明一具體實(shí)例實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖；圖6為本發(fā)明局部測量位置的三維點(diǎn)云圖；圖7為本發(fā)明拼接所得結(jié)果與ICP法拼接所得結(jié)果的對(duì)比圖；圖8為右攝像機(jī)拍攝部分遮擋圖像的場景示意圖；圖9為部分遮擋情況下方格靶標(biāo)三維點(diǎn)集示意圖10為部分遮擋情況下位置I與位置2方格靶標(biāo)三維點(diǎn)集匹配圖。
具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明，首先介紹一下三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接的基本原理，圖I為基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接模型原理圖，如圖I所示，在局部測量位置k和位置k+Ι分別建立攝像機(jī)坐標(biāo)系Od5XdJd5Zd5和0Λ+1χΛ+1γΛ+1ζΛ+1，將全局坐標(biāo)系建立在位置I的攝像機(jī)坐標(biāo)系OcaXciyclZcl下；在前后兩次局部測量的攝像機(jī)移動(dòng)過程中，平面圓靶標(biāo)11保持不動(dòng)，即平面圓靶標(biāo)11上的圓特征在全局坐標(biāo)系下不變；這里，所述圓特征包括圓心坐標(biāo)和圓平面的法向量；假設(shè)圓特征為P V P，P在攝像機(jī)坐標(biāo)系0ckxckyckzcl^P 0ck+1xck+1yck+1zck+1的結(jié)果分別為Λ，圯和凡+1，>^ ;假設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系0ckxckyckzck和0ck+1xck+1yck+1zck+1的拼接矩陣為Mk+1,k，Mk+1,k由正交的3X3旋轉(zhuǎn)矩陣Rk+1,k和3X1平移矢量tk+1,k組成，其表達(dá)式如公式⑴所示
權(quán)利要求
1.一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法，其特征在于，所述方法包括 將被測物固定并放置在已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)能觀測的合理位置，并建立全局坐標(biāo)系; 放置平面圓靶標(biāo)在被測物前，移動(dòng)已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)，拍攝平面圓靶標(biāo)在移動(dòng)前后測量位置所成的橢圓圖像； 從拍攝的平面圓靶標(biāo)圖像中提取橢圓，并擬合橢圓方程，重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征； 根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解拼接矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述圓特征包括圓心坐標(biāo)和圓平面的法向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述擬合橢圓方程，為 結(jié)合隨機(jī)抽樣一致性算法RANSAC的直接最小二乘法擬合出橢圓方程。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征,為 基于結(jié)合RANSAC的直接最小二乘法擬合出的橢圓方程、攝像機(jī)參數(shù)矩陣、以及平面圓靶標(biāo)上圓特征的半徑值，利用幾何相交的圓特征三維重建方法，重建在局部測量坐標(biāo)系下的圓特征。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解拼接矩陣，為 利用重建的前后測量位置的圓特征在空間中的同一性，構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)RANSAC擬合橢圓方程時(shí)得到的內(nèi)外點(diǎn)比值；設(shè)置匹配的邊緣點(diǎn)集對(duì)應(yīng)的權(quán)重，利用列文伯格-馬夸爾特法Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法計(jì)算出高精度的拼接矩陣。
6.一種實(shí)現(xiàn)基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接裝置，其特征在于，該裝置包括橢圓圖像獲取模塊、重建圓特征模塊和拼接矩陣計(jì)算模塊；其中， 橢圓圖像獲取模塊，用于獲取平面圓靶標(biāo)在移動(dòng)前后測量位置所成的橢圓圖像； 重建圓特征模塊，用于從拍攝的平面圓靶標(biāo)橢圓圖像中提取橢圓，并擬合橢圓方程，重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征； 拼接矩陣計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解拼接矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述橢圓圖像獲取模塊、重建圓特征模塊、拼接矩陣計(jì)算模塊，設(shè)置于雙目視覺系統(tǒng)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接方法，包括將被測物固定并放置在已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)能觀測的合理位置，并建立全局坐標(biāo)系；放置平面圓靶標(biāo)在被測物前，移動(dòng)已標(biāo)定的雙目視覺系統(tǒng)，拍攝平面圓靶標(biāo)在移動(dòng)前后測量位置所成的橢圓圖像；從拍攝的平面圓靶標(biāo)圖像中提取橢圓，并擬合橢圓方程，重建平面圓靶標(biāo)在前后兩次局部測量坐標(biāo)系下的圓特征；根據(jù)所述圓特征構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解拼接矩陣。本發(fā)明還同時(shí)公開了一種基于平面圓靶標(biāo)的三維視覺測量數(shù)據(jù)拼接裝置，采用本發(fā)明，能解決現(xiàn)有技術(shù)在靶標(biāo)部分被遮擋情況下三維數(shù)據(jù)拼接失敗的問題，保證了三維測量數(shù)據(jù)拼接的精度，提高了三維測量數(shù)據(jù)拼接可靠性。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102944191SQ20121049495
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者魏新國, 張廣軍, 劉震, 孫軍華, 劉濤 申請人:北京航空航天大學(xué)