基于變尺度的高精度光學(xué)三維測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域，具體指代一種基于變尺度的高精度光學(xué)三維測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物體的三維掃描屬于逆向工程，是產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，人工智能，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的前提基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，基于光學(xué)的非接觸式三維物體形貌測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如文化藝術(shù)數(shù)字化保存、醫(yī)學(xué)研究中的重建下頌骨以及假肢的掃描重構(gòu)等方面。在逆向工程中，對(duì)待測(cè)實(shí)物模型或零件進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量并在此基礎(chǔ)上建立CAD模型等，另外在航空航天、建筑測(cè)繪、人工關(guān)節(jié)模型的建立等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。
[0003]對(duì)于傳統(tǒng)的掃描方法，在大視場(chǎng)為30cm*30cm?50cm*50cm情況下，通用的掃描方法為在待測(cè)物體上粘貼特征標(biāo)記點(diǎn)，獲取單個(gè)視角的圖像后，進(jìn)行標(biāo)志特征點(diǎn)的自動(dòng)提取和標(biāo)志點(diǎn)中心定位，通過(guò)提取得到的像點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)地匹配等，然后計(jì)算圖像特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在視場(chǎng)下投射單色光進(jìn)行整體的掃描，然后通過(guò)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行一系列的幾何分析與計(jì)算匹配拼接三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后在大視場(chǎng)尺度下對(duì)大型尺寸的物件進(jìn)行重建后精度無(wú)法保證，物件棱角、局部細(xì)節(jié)的點(diǎn)云比較稀疏，點(diǎn)云密集程度不足以體現(xiàn)原始物體的真實(shí)特征。
[0004]對(duì)于小尺寸的物件，視場(chǎng)為10(3111*100]1甚至更小2(3111*2(3111(例如牙科中牙齒模型的掃描)，在該視場(chǎng)下掃描尺寸較小的物件，通用的方法為通過(guò)投影儀投射結(jié)構(gòu)光(如:條紋結(jié)構(gòu)光等)到物體表面，條紋結(jié)構(gòu)光對(duì)物體表面進(jìn)行編碼，相機(jī)采取調(diào)制后的圖像，然后進(jìn)行解碼，獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)。但是一次掃描后只能獲取小視場(chǎng)下的點(diǎn)云，要獲取整個(gè)物件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須通過(guò)變換視場(chǎng)多次掃描，逐片點(diǎn)云拼接，掃描過(guò)程不具有完整性，拼接的精度也存在累計(jì)誤差，影響了整體點(diǎn)云還原原始物體的真實(shí)特征。
[0005]近幾年來(lái)，對(duì)于3D打印系統(tǒng)(Three-Dimens1nPrinter system)，CAD/CAM系統(tǒng)，以及他們相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品都屬于研究熱點(diǎn)。對(duì)于3D打印系統(tǒng)和CAD/CAM系統(tǒng)而言，光學(xué)掃描儀是必不可少的一部分，這要求三維掃描儀具有高精度和較大的掃描范圍。然后對(duì)于一般尺寸物件，若要一次獲取整個(gè)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且同時(shí)滿足高精度和較大的掃描區(qū)域是非常困難的。
[0006]在3D打印系統(tǒng)和CAD/CAM系統(tǒng)中，光學(xué)掃描是要求3D外形的核心部分。例如對(duì)于數(shù)字牙科CAD/CAM系統(tǒng)中正常牙齒的替代和移植需要在很短時(shí)間內(nèi)完成，這就要求三維掃描具有快速、高分辨率的特點(diǎn)。到目前為止，只有在定尺度下掃描一定的范圍才能獲取滿足要求的高精度外形，因此，光學(xué)掃描儀需要同時(shí)考慮大視場(chǎng)掃描范圍和高掃描精度。最常用的基本掃描方法是在雙目或單目系統(tǒng)定焦距尺度下，對(duì)一個(gè)視場(chǎng)尺度下對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)光對(duì)物體進(jìn)行三維掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描前需要對(duì)掃描系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，獲取標(biāo)定系統(tǒng)的位置的內(nèi)外參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于變尺度的高精度光學(xué)三維測(cè)量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中定尺度掃描方法掃描后局部點(diǎn)云稀疏，精度不高的問(wèn)題，本發(fā)明很好地避免了現(xiàn)有方法中大視場(chǎng)下無(wú)法進(jìn)行局部細(xì)節(jié)掃描重建、小視場(chǎng)下無(wú)法進(jìn)行整體掃描、多片拼接速度慢、拼接復(fù)雜的缺點(diǎn)。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基于變尺度的高精度光學(xué)三維測(cè)量方法，包括步驟:
1)搭建雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，選擇大視場(chǎng)尺度的焦距鏡頭，對(duì)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定；
2)對(duì)物體進(jìn)行雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)下采圖，左相機(jī)獲取圖像為L(zhǎng)imgl，右相機(jī)獲取圖像為Rimgl；
3)對(duì)圖像Limgl，Rimgl進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別、提取、匹配，并分別保存下來(lái)匹配后特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)LI (Xi，y i )，Rl (Xi，y i )，將匹配好的特征點(diǎn)進(jìn)行三維重建，得到三維世界坐標(biāo)點(diǎn)Wl(xi，yi，zi),其中i=l，2，3...;
4)在該尺度下利用結(jié)構(gòu)光對(duì)物體進(jìn)行三維掃描、輪廓重建，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)PCI;
5)切換雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，選擇小視場(chǎng)尺度的焦距，獲取圖像后命名為L(zhǎng)img2，Rimg2;
6)對(duì)圖像Limg2，Rimg2進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別、提取、匹配，并保存匹配后的特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)1^(^，7丨)，1?2(“，7丨)，然后重建得到三維世界坐標(biāo)點(diǎn)￥2(^，7丨，4)，在1^，1?2中提取出與1^1，1?1中共有的特征點(diǎn)1^3(1丨，7丨)，1?(1丨，7丨)，即提取出￥1、￥2中與共有且相對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)點(diǎn)，定義為W3(xi，yi，zi)，其中，i=l，2，3…；
7)利用W3中的世界坐標(biāo)和L3，R3中與之相對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)，對(duì)小視場(chǎng)尺度下的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)采取一定的策略進(jìn)行標(biāo)定，獲取系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)；
8)在小視場(chǎng)尺度下，利用結(jié)構(gòu)光對(duì)物體進(jìn)行三維掃描、輪廓重建，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)PC2;
9)利用Wl，W3中足夠多的特征點(diǎn)，將兩片點(diǎn)云進(jìn)行拼接，得到更密集，精度更高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
10)若完成一次掃描拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然不完整，不能充分體現(xiàn)場(chǎng)景或物體的細(xì)節(jié)程度，將物體平移旋轉(zhuǎn)后繼續(xù)重復(fù)進(jìn)行上述步驟1)_9)，直到點(diǎn)云完整，測(cè)量數(shù)據(jù)滿足要求。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明的方法相對(duì)其他三維掃描方法，精度較高，點(diǎn)云稠密，很好地避免了傳統(tǒng)方法中大視場(chǎng)下無(wú)法進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的掃描重建、小視場(chǎng)下無(wú)法進(jìn)行整體掃描，多片拼接速度慢，拼接復(fù)雜的缺點(diǎn)；切換尺度后的系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程更加簡(jiǎn)單，掃描方式自由性更好;能廣泛用于各種不同視場(chǎng)場(chǎng)合下進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描，特別是大視場(chǎng)下，局部細(xì)節(jié)部分的三維數(shù)據(jù)重建。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明中雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0011]圖2a為大視場(chǎng)尺度下左圖像特征點(diǎn)提取。
[0012]圖2b為大視場(chǎng)尺度下右圖像特征點(diǎn)提取。
[0013]圖2c為小視場(chǎng)尺度下左圖像特征點(diǎn)提取。
[0014]圖2d為小視場(chǎng)尺度下右圖像特征點(diǎn)提取。
[0015]圖3a為大視場(chǎng)尺度下物體三維重建點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0016]圖3b為小視場(chǎng)尺度下物體三維重建點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0017]圖3c為點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配拼接后的結(jié)果。
[0018]圖4整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取圓圈部分圖。
[0019]圖5a為大視場(chǎng)下局部特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)放大效果圖。
[0020]圖5b為小視場(chǎng)下局部特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)放大效果圖。
[0021 ]圖5c為兩個(gè)視場(chǎng)下局部特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接融合后效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。
[0023]本發(fā)明的基于變尺度的高精度光學(xué)三維測(cè)量方法，包括步驟如下:
步驟1:搭建雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，選擇大視場(chǎng)尺度的焦距鏡頭，對(duì)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定；
參照?qǐng)D1所示，所述的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主