一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法，從每個像元出發(fā)，設置過該像元的激光條紋邊界灰度值來定位激光條紋邊界；進而計算激光條紋右邊界過該像元時的時刻t，求出在時刻t時的激光平面在攝像機坐標系下的平面方程；最后通過聯(lián)立每個像元的光線束與時刻t時過該像元的激光平面方程求解該像元對應物點的三維坐標，從而最終獲取到物體表面的點云數(shù)據(jù)集。本發(fā)明可以自行搭建簡易掃描系統(tǒng)，方便實用、成本低、測量精度高，獲取點云數(shù)據(jù)更快速、便捷。
【專利說明】
一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于三維測量領域，尤其涉及一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的數(shù)字化、信息化逐漸滲透到各個領域，越來越多領域的科研與生 產(chǎn)過程都需要對物體的三維信息進行獲取，以近年來興起的3D打印技術為例，桌面級的3D 打印設備的成熟與普及對空間物體的三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生巨大需求，如何獲取桌面小型物體 的三維信息是我們面臨的一個主要問題。以激光三角測量原理為基礎的線激光三維測量技 術以大量程、速度快、效率高、無接觸等優(yōu)勢，可以對物體進行靜態(tài)或動態(tài)測量，在三維測量 領域中具有廣泛應用。
[0003] 現(xiàn)階段，線結構光三維測量利用半導體激光器或者利用投影設備產(chǎn)生的激光平 面，投射到被測物體表面形成激光條，利用三角測量原理求解物體表面點的三維坐標數(shù)據(jù)。 其主要包括兩步：
[0004] (1)獲取激光平面方程
[0005] 目前線結構光三維測量多采用激光器與圖像采集裝置相固定模式，依靠硬件之間 的幾何約束，標定出激光平面方程。這種方法依賴伺服電機驅動控制掃描設備移動，只需一 次標定激光平面方程，就可以完成三維測量工作，具有較高的測量效率和精度。
[0006] (2)定位激光條紋中心
[0007] 激光條橫截面上的光強近似呈高斯分布，導致定位激光條中心困難。由于光條中 心定位的精度和速度關系到最終的測量結果，因此如何有效求解光條中心坐標是當前面臨 的重要任務。目前光條中心定位算法主要包括灰度重心法、高斯擬合法、Hessian矩陣法等。
[0008] 解則曉申報的《基于線結構光的三維影像測量方法》（公開號:CN103438832A)利用 線結構光原理不僅能獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)，還能同時獲取空間物體的精確的邊緣輪廓 數(shù)據(jù)，其特征在于采用灰度重心法提取激光條中心坐標，系統(tǒng)的線結構光投射器和攝像機 固定在同一水平基座上，并且封裝在機殼內(nèi)，同時需要增加一個環(huán)形LED光源。
[0009] 南京郵電大學的聶建輝等申報的《一種基于雙目視覺的多線激光器光平面標定方 法》(公開號:CN105091782A)利用左右相機拍攝靶標圖像，對左右目圓形標記點中心依照排 列順序進行立體匹配，根據(jù)立體匹配結果，計算每個圓形標記點中心在攝像機坐標系下的 空間位置坐標，進而進行平面擬合，得到標靶平面在攝像機坐標系下的平面方程，然后對標 定靶中相鄰標記元圍成的區(qū)域進行處理，選擇本區(qū)域平均亮度1.5倍的像素作為激光條紋 上的像素點，然后將每行潛在的激光像素點位置依照亮度進行加權平均，得到準確的激光 點成像位置，通過移動標靶選擇至少三個激光點坐標，求解出各個激光平面方程。
[0010]沈陽飛機工業(yè)集團有限公司的杜寶瑞等申報的《基于線結構光的三維測量方法及 裝置》（公開號:CN102183216A)對所有的光條圖像采用基于骨架的方向模板法提取光條中 心，獲得光條中心點的二維圖像坐標，利用已確定的攝像機模型計算對應的三維坐標，獲得 掃描物體的點云數(shù)據(jù)。
[0011] 武漢微目科技有限公司的胡慶武等人申報的《文物旋轉結構光三維數(shù)字化建模方 法》（公開號:CN101853521A)用雙目CCD立體視覺系統(tǒng)同步拍攝文物成像，獲得文物立體像 對和外方位姿態(tài)元素構成的旋轉矩陣，通過提取激光條中心坐標點集，并建立立體像對的 兩個線特征點集的對應關系，從而獲得每個旋轉角度的掃描線結構光斷面的三維坐標。
[0012] 雖然近年來三維掃描設備有了快速發(fā)展，有大量的產(chǎn)品投入市場。但是，目前市場 上的三維掃描儀大多價格昂貴、結構復雜，較大地限制了它的應用和大眾化普及。通過以上 分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段線激光三維測量方法主要存在如下幾個方面的問題：
[0013] (1)大多數(shù)線激光三維測量方法需要借助復雜的硬件系統(tǒng)標定激光平面方程；
[0014] (2)掃描過程中，受激光光條寬度不同、光照不均勻及被測物體表面反射率差異等 因素影響，難以快速、準確地提取激光條紋中心坐標；
[0015] (3)由于傳統(tǒng)的線激光三維測量方法粗差剔除能力不足，因此其獲取的點云數(shù)據(jù) 難以抵抗噪聲及環(huán)境因素的影響；
[0016] (4)所需設備昂貴，普通用戶無力購買，難以有效普及；
[0017] (5)傳統(tǒng)的雙目立體視覺三維測量方法需要獲得線激光器掃描產(chǎn)生的立體像對， 因此需要解決兩相機同步拍攝的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法，解 決傳統(tǒng)測量方法在方便實用性方面存在的問題，實現(xiàn)快速、便捷、低成本的獲取三維點云數(shù) 據(jù)。
[0019] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0020] 一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法，包括：
[0021 ]步驟1，選定參考坐標系，對攝像機進行內(nèi)、外參數(shù)標定；
[0022] 步驟2,選擇相互垂直的輔助平面Η和輔助平面V，求解在攝像機坐標系下所述輔助 平面Η和輔助平面V的平面方程；
[0023] 步驟3,手持線激光器掃描被測物體，確定與被測物體對應的每個像元在攝像機拍 攝的連續(xù)視頻幀序列中的灰度最大值Vmax，設定Vb = 〇 Xvmax作為過所述像元的激光條紋邊 界的灰度值，其中〇〈〇〈1;
[0024] 針對與被測物體對應的每個像元分別執(zhí)行下述步驟4~步驟7,以得到激光條紋右 邊界分別在進入每個像元時的時刻t時所在的激光平面方程，然后執(zhí)行步驟8:
[0025] 步驟4,利用時間內(nèi)插計算連續(xù)視頻幀序列中激光條紋右邊界進入每個像元時的 時刻t;其中，時刻t大于所述連續(xù)視頻幀序列中第k幀對應的時刻k且小于所述連續(xù)視頻幀 序列中第k+Ι幀對應的時刻k+Ι，在所述第k幀時，所述像元在第k幀的灰度值小于激光條紋 右邊界灰度值，在所述第k+Ι幀時，所述像元的灰度值大于激光條紋右邊界灰度值；
[0026]步驟5,在像平面中任取三個參考行，使得所述三個參考行均不與被測物體相交且 與激光條紋右邊界的交點不在同一條直線上，對于所述三個參考行中的每個參考行r，利用 空間線性內(nèi)插求出所述參考行r分別與所述第k幀、第k+Ι幀中激光條紋右邊界相交的交點 的坐標;其中，對于所述第k幀和第k+Ι幀中激光條紋右邊界，在所述參考行r上均存在相鄰 的兩個像元a (r，j)、a(r，j+1)滿足a (r，j)的灰度值大于激光條紋右邊界的灰度值且a(r，j+ 1)的灰度值小于激光條紋右邊界的灰度值；
[0027] 步驟6,根據(jù)每個所述參考行r分別與第k幀、第k+Ι幀中激光條紋右邊界相交的交 點的坐標，利用空間線性內(nèi)插求出在所述時刻t時激光條紋右邊界與每個所述參考行r相交 的交點的坐標；
[0028] 步驟7,根據(jù)求出的所述時刻t時激光條紋右邊界與所述三個參考行在像平面上的 三個交點的坐標以及所述輔助平面H、輔助平面V的平面方程，求解在攝像機坐標系下所述 三個交點對應的光線束與所述輔助平面Η或輔助平面V相交的三個空間點的坐標，根據(jù)所述 三個空間點的坐標擬合激光條紋右邊界在所述時刻t時所在的激光平面方程；
[0029] 步驟8,將每個像元對應的光線束參數(shù)方程分別與激光條紋右邊界在進入該像元 時的時刻t時所在的激光平面方程聯(lián)立，求解每個像元對應物點在攝像機坐標系下的三維 坐標;保存或輸出由被測物體所有像元對應物點的三維坐標構成的點云數(shù)據(jù)集。
[0030] 步驟2中，設參考坐標系為0w-XwYwZ w，輔助平面Η與0w-XwYw平面重疊，輔助平面Η作 為水平放置被測物體的工作臺所在平面;輔助平面V與輔助平面Η垂直相交，且與0 w-ZwYw平 面重疊。
[0031 ] 步驟3中，取〇 = 〇. 5，用灰度值vb = 0.5 X vmax定位過所述像元的激光條紋邊界。
[0032]步驟4中，利用時間內(nèi)插計算激光條紋右邊界進入每個像元a(i，j)時的時刻t為：
[0034]其中，v(i，j，k)表示第k幀中位置在像平面第i行、第j列的像元a(i，j)的灰度值。 [0035]步驟5中，所述參考行r分別與所述第k幀、第k+Ι幀中激光條紋右邊界相交的交點 的坐標分別為：
[0038] 步驟6中，在所述時刻t時激光條紋右邊界與每個所述參考行r相交的交點的坐標 為：
[0039] y = (]_-(t-k)) · ji+(t_k) · j2 (4)
[0040] 步驟7中，設像平面上任意一點在攝像機坐標系下的坐標為(x，y，z)，則所述點對 應的光線束參數(shù)方程表不為：
[0042]其中，（p，m，n)為所述點對應的光線束的方向向量。
[0043] 一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法，還包括：
[0044]步驟9，雙目點云粗差剔除，步驟1中的攝像機包括主、輔兩臺攝像機，主攝像機用 于拍攝整個激光掃描過程，輔助攝像機在掃描前拍攝一張背景圖像，利用雙目視覺測量原 理完成點云粗差的提取與點云質(zhì)量改善。
[0045]雙目點云粗差剔除包括查找對應點和前方交會改正點云；所述查找對應點為：利 用雙目攝像機標定結果，將點云數(shù)據(jù)集中的每個三維點Pi反投影到主、輔攝像機的像平面 上，得到位于主攝像機像平面上對應的同名像點pn和位于輔攝像機像平面上對應的同名像 點口 12,基于窗口匹配為原則，以pu、pl2為原點選擇(2n+l)X(2n+l)窗口進行灰度匹配，設置 閾值，如果相關系數(shù)大于閾值，則認為該三維點ΡαΗ確，反之則不正確，在輔助攝像機像平 面上查找與pu對應的真實同名像點p l2'；所述前方交會改正點云的過程為:對主、輔攝像機 進行標定，確定主、輔攝像機中心的位置關系，過主、輔攝像機中心與對應攝像機上的同名 像點得到兩條射線，所述兩條射線的交點即為同名像點在被測物體表面上的對應三維點； 根據(jù)立體像對，建立同名像點的特征點集，根據(jù)立體像對的內(nèi)、外方位元素計算所述三維點 坐標，利用所述三維點坐標替換點云數(shù)據(jù)集中錯誤的三維點坐標。
[0046] 本發(fā)明能夠達到以下有益效果：（1)本發(fā)明可以自行購買設備、搭建測量系統(tǒng)，通 過手持線激光器代替伺服電機作為驅動，無需任何機械定位與傳動裝置，掃描方向更加靈 活，不受硬件之間的幾何約束，所需設備少、成本低；（2)不再依靠激光器與攝像機之間的幾 何約束關系求解激光平面方程，而是采用時空內(nèi)插求解過像元的激光平面方程，避免了計 算激光條紋中心的費時操作，具有更高的速度和精度。
【附圖說明】
[0047] 此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申 請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中： [0048]圖1為本發(fā)明的三維點云數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)示意圖。
[0049]圖2為本發(fā)明的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法流程圖。
[0050]圖3為本發(fā)明線激光器掃描物體的幾何原理圖。
[0051 ]圖4為本發(fā)明線激光器投射的激光條紋與平面相交示意圖。
[0052]圖5為本發(fā)明攝像機拍攝的連續(xù)視頻幀層疊構成的視頻立方體。
[0053]圖6為本發(fā)明中任意像元灰度值隨幀序列的變化情況曲線圖。
[0054]圖7為本發(fā)明中某參考行與第k幀上的激光條紋相交示意圖。
[0055]圖8為本發(fā)明的連續(xù)視頻幀中激光條紋右邊界穿過某參考行中一像元的示意圖。 [0056]圖9為本發(fā)明的線激光原理圖。
[0057]圖10為本發(fā)明雙目攝像機標定示意圖。
[0058]圖11為本發(fā)明雙目點云粗差剔除的流程圖。
[0059]圖12為本發(fā)明雙目點云粗差剔除步驟中前方交會獲取點云的示意圖。
【具體實施方式】
[0060] 為使本申請的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本申請具體實施例及 相應的附圖對本申請技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本申請一 部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做 出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。
[0061] 以下結合附圖，詳細說明本申請各實施例提供的技術方案。
[0062] 實施例1
[0063] 本發(fā)明實施例無需外部的機械裝置，如旋轉云臺、伺服電機等。所需設備包括一臺 CCD攝像機，一臺線激光器、一個固定攝像機的支架、兩塊相互垂直的平面板(作為輔助平面 H、輔助平面V)、以及打印的棋盤格圖像，參見圖1。
[0064]結合圖2,本發(fā)明實施例提供一種基于線激光的三維點云數(shù)據(jù)獲取方法，包括：
[0065]步驟S101:選定參考坐標系，對攝像機進行內(nèi)、外參數(shù)標定。具體為：
[0066] 選擇平坦桌面作為實驗場地，安置并固定攝像機，選擇棋盤格圖像制作標定板。
[0067] 選定參考坐標系，利用張正友標定法，標定出攝像機內(nèi)外參數(shù)矩陣、畸變系數(shù)。 [0068]步驟S102:選擇相互垂直的輔助平面Η和輔助平面V，求解在攝像機坐標系下分別 對應的平面方程，所述平面方程用于輔助確定在手持線激光器掃描被測物體時所投射的激 光平面在攝像機坐標系下的激光平面方程;具體為：
[0069] 設參考坐標系為0w-XwYwZ w，輔助平面Η與0w-XwYw平面重疊，輔助平面Η作為水平放 置被測物體的工作臺所在平面;輔助平面V與輔助平面Η垂直相交，且與0 w-ZwYw平面重疊。
[0070] 輔助平面Η與輔助平面V所在平面方程的求解方法類似，以水平的輔助平面Η為例 進行說明，其平面方程的求解過程如下：
[0071] (1)設輔助平面Η的法向量ηΗ=(0,0，100)τ，在輔助平面Η上放置棋盤格，設置棋盤 格的左上角作為參考坐標系〇 w-XwYwZw的坐標原點，根據(jù)步驟S101的攝像機標定步驟求出η Η 在攝像機坐標系下的方向向量為mc(nx，ny，ηζ)。設參考坐標系原點在攝像機坐標系下的坐 標為(T x，Ty，Τζ)，則輔助平面Η的平面方程可由下式計算得
[0072] nx(x-Tx)+ny(y-Ty)+nz(z-Tz) =0 (a)
[0073] 化簡得：
[0074] aix+biy+ciz+1 =0 (b)
[0075] 同理，在與輔助平面Η垂直的輔助平面V上粘貼棋盤格，求出輔助平面V在攝像機坐 標系下的平面方程為：
[0076] a2X+b2y+C2Z+l =0 (c)
[0077] 線激光器經(jīng)透鏡投射出一個激光平面，與被測物體相交形成激光條紋，由于物體 表面形狀的調(diào)制，發(fā)生變形，借助輔助平面Η和輔助平面V所在的平面方程，可輔助求出激光 條紋所在激光平面對應的激光平面方程，利用三角測量原理即可計算出被測物體表面點的 三維坐標。
[0078] 步驟S103:手持線激光器掃描被測物體，確定與被測物體對應的每個像元在攝像 機拍攝的連續(xù)視頻幀序列中的灰度最大值Vmax，設定Vb = 〇 Xvmax作為過所述像元的激光條 紋邊界的灰度值，其中0〈〇〈1。具體為：
[0079] 如圖3所示，Oc-Xc^Z。為攝像機坐標系，0。是攝像機的鏡頭中心，陰影部分S表示激 光平面。平面W為像平面，平面Η為水平工作臺平面，平面V作為參考平面。手持線激光發(fā)射器 掃描被測物體表面，攝像機拍攝整個掃描過程。
[0080] 激光平面并非理想的平面，而是具有一定厚度，與平面H、V相交產(chǎn)生四條明顯的直 線￥1、￥2、11 1、112，如圖4，￥2、112構成激光條紋的左邊界，￥ 1、111構成激光條紋的右邊界。在掃描 時，激光條紋右邊界比激光條紋左邊界在連續(xù)視頻幀序列中先經(jīng)過任一像元。本實施例若 沒有特殊說明，激光條紋邊界均指的是激光條紋右邊界，激光條紋右邊界指的是攝像機拍 攝的激光條紋右邊界。
[0081] 把攝像機拍攝的連續(xù)視頻幀按照順序進行層疊，構成視頻立方體，如圖5所示，每 一層代表一幀在像平面上的圖像。用i、j分別表示每幀中像元在像平面的行號、列號，k表示 層疊方向上第k幀，每一幀對應一個時刻，第k幀對應時刻為k。圖5中每個小方塊的值為圖像 坐標系中每個像元在相應幀中對應的灰度值。隨著激光平面掃過物體，每個像元灰度變換 曲線呈高斯分布（由于線激光器投射的激光平面并非理想的平面，光條的光強變化近似呈 高斯分布，隨著激光平面掃過被測物體，視場范圍內(nèi)任意像元的灰度變化曲線如圖6所示）， 對任意給定的像元a( i，j)，定義Vmadt為像元a( i，j)在整個視頻幀序列中的灰度最大值：
[0082] Vmax( i , j) =max{v( i , j , t)}
[0083] 其中，v(i，j，t)表示第t幀（時刻t)位置在像平面第i行、第j列的像元a(i，j)灰度 值；
[0084] 通過設置動態(tài)閾值Vb = 〇 X vmax作為激光條紋邊界的灰度值，0〈σ〈 1。
[0085]圖3顯示了在線激光器掃描過程中某一瞬時t時刻線激光掃描姿態(tài)，AB、BC、⑶、DE、 EF、FG為激光平面與場景的交線即為激光條紋，P為場景中物體上的一點，它在像平面上所 對應的像點為P。為定位過像元P時對應的激光條紋邊界，可設定激光條紋邊界處的灰度值 為像元P在整個視頻幀序列中最大灰度值Vm ax的二分之一，即取σ = 0.5，用灰度值Vb = 0.5 X Vmax定位過像元p的激光條紋邊界。
[0086]針對與被測物體對應的每個像元分別執(zhí)行下述步驟S104~步驟S107，以得到激光 條紋右邊界分別在進入每個像元時的時刻t時所在的激光平面方程，然后執(zhí)行步驟S108: [0087]步驟S104:利用時間內(nèi)插計算連續(xù)視頻幀序列中激光條紋右邊界進入每個像元時 的時刻t;其中，時刻t大于所述連續(xù)視頻幀序列中第k幀對應的時刻k且小于所述連續(xù)視頻 幀序列中第k+Ι幀對應的時刻k+Ι，在所述第k幀時，所述像元在第k幀的灰度值小于激光條 紋右邊界灰度值，在所述第k+Ι幀時，所述像元的灰度值大于激光條紋右邊界灰度值;其中k 取1、2、……、N-1，N為攝像機所拍攝視頻幀的總數(shù)。具體為：
[0088]參見圖8,在整個視頻幀掃描序列中一定存在連續(xù)兩幀:第k幀和第k+Ι幀，在第k幀 時，像元a(i，j)暫未進入到激光條紋區(qū)域，則a(i，j)在第k幀的灰度值v(i，j，k)一定小于激 光條紋右邊界灰度值;在第k+Ι幀時刻，像元a( i，j)進入到右激光條紋區(qū)域內(nèi)，則此時像元a (i，j)的灰度值v (i，j，k+1)-定大于激光條紋右邊界灰度值；由于攝像機幀率以及手持線 激光掃描速度的影響，激光條紋右邊界進入像元a(i，j)時的時刻t對應的視頻幀并不為整 數(shù)，我們采用如下方法:視頻流兩幀之間相隔時間很短，可以認為兩幀之間屬于勻速掃描， 利用時間內(nèi)插求出激光條紋右邊界進入像元a( i，j)的時刻t:
[0090]步驟S105:在像平面中任取三個參考行，使得所述三個參考行均不與被測物體相 交且與激光條紋右邊界的交點不在同一條直線上，對于所述三個參考行中的每個參考行:r， 利用空間線性內(nèi)插求出所述參考行r分別與所述第k幀、第k+Ι幀中激光條紋右邊界相交的 交點的坐標;其中，對于所述第k幀和第k+Ι幀中激光條紋右邊界，在所述參考行r上均存在 相鄰的兩個像元3(^_)、 &(^_ + 1)滿足8(^」）的灰度值大于激光條紋右邊界的灰度值且3 (r，j+Ι)的灰度值小于激光條紋右邊界的灰度值。
[0091 ]上述被測物體指的是被測物體在攝像機的像平面上的成像。
[0092] 步驟S105具體為：
[0093]對于第k幀中激光條紋右邊界，參見圖7,在參考行r上一定存在兩像元a(r，j)、a (r, j+1)滿足v(r, j，k)>vb、v(r, j+1，k)<vb，由圖6可知每個像元灰度隨時間的變化關系， 利用空間線性內(nèi)插求出第k幀中激光條紋右邊界所在的位置，即參考行r與激光條紋右邊界 在第k幀中的交點的坐標，坐標公式如式(e)所示：
[0095]同理，得到第k+Ι幀中激光條紋右邊界所在的位置，即參考行r與激光條紋右邊界 在第k+Ι幀中的交點的坐標，坐標公式如式(f)所示：
[0097]步驟S106:根據(jù)每個所述參考行r分別與第k幀、第k+Ι幀中激光條紋右邊界相交的 交點的坐標，利用空間線性內(nèi)插求出在所述時刻t時激光條紋右邊界與每個所述參考行r相 交的交點的坐標。
[0098] 利用式(e)、（f)求出每個參考行r與激光條紋右邊界在第k幀和k+Ι幀中的交點坐 標j#Pj2,利用公式⑷求出每個像元與激光條紋邊右邊界相交的時刻t，由于k<t<k+l，利 用空間線性內(nèi)插求解出在時刻t時每個參考行r與激光條紋右邊界的交點的坐標(亞像素坐 標），坐標公式如式(g)所示：
[0099] y = (i-(t-k)) · ji+(t_k) · j2 (g)
[0100] 步驟S107:根據(jù)求出的所述時刻t時激光條紋右邊界與所述三個參考行在像平面 上的三個交點的坐標以及所述輔助平面H、輔助平面V的平面方程，求解在攝像機坐標系下 所述三個交點對應的光線束與所述輔助平面Η或輔助平面V相交的三個空間點的坐標（即： 將所述三個交點對應的光線束參數(shù)方程分別與所述輔助平面Η或輔助平面V的平面方程聯(lián) 立，求解所述三個交點在攝像機坐標系下對應的三個空間點的坐標），根據(jù)所述三個空間點 的坐標擬合激光條紋右邊界在所述時刻t時所在的激光平面方程
[0101] 圖9中像平面上的三條虛線ri、r2、r3代表像平面上取的三個參考行， ri、r2、r3分別 與所述時刻1：時的激光條紋右邊界相交于三個交點：1、、1^、1^。圖3上交點,1、1^、1^分 另|J為三個交點 X\、xW 3對應的光線束與輔助平面Η或輔助平面V相交得到的三個空間點。
[0102] 為了保證三個交點為Χ\、Υ2、Υ3不在一條直線上，選取參考行時，需要保證三個 參考行n、r 2、r3不同時位于輔助平面Η在像平面對應的區(qū)域h內(nèi)或輔助平面V在像平面對應 的區(qū)域v內(nèi)，參見圖9。由于三個交點為X' i、X' 2、X' 3不在一條直線上，三個空間點X:、X2、X3也 必定不在一條直線上，即可通過點Χ:、Χ 2、Χ3的坐標擬合激光條紋右邊界在所述時刻t時所在 的激光平面方程。
[0103] 參見圖9,光線束的參數(shù)方程的求解如下：
[0104] 設0。為攝像機中心點，像平面上任意一點P在攝像機坐標系下的坐標為(x，y，z)， 從攝像機中心點向點P作一條射線，該射線即為點P對應的光線束，則點P對應的光線束參數(shù) 方程表示為：
[0106] 式(h)中，（p，m，n)為點P對應的光線束的方向向量。
[0107] 步驟S108:將每個像元對應的光線束參數(shù)方程分別與激光條紋右邊界在進入該像 元時的時刻t時所在的激光平面方程聯(lián)立，求解每個像元對應物點在攝像機坐標系下的三 維坐標;保存或輸出由被測物體所有像元對應物點的三維坐標構成的點云數(shù)據(jù)集data，記 為{P | Pi，i e (〇，N])，其中N為獲得的點云數(shù)量。
[0108] 通過圖9可以直觀地理解，激光平面S受到物體表面形狀的調(diào)制，產(chǎn)生變形的激光 條紋，點P為物體表面一點，經(jīng)攝像機采集后得到其對應的像元P坐標為(u，v)，過攝像機中 心0。求出過該像元P的光線束參數(shù)方程，聯(lián)立激光平面方程，即可求得物體表面點P在攝像 機坐標系下的三維坐標。
[0109] 綜上，本發(fā)明從每個像元出發(fā)，首先根據(jù)每個像元在整個視頻序列中的灰度變化 曲線，設置過該像元的激光條紋邊界灰度值對激光條紋邊界定位;進而計算激光條紋邊界 過該像元時的時刻t，求出在時刻t時的激光平面在攝像機坐標系下的平面方程;最后通過 聯(lián)立像元的光線束與時刻t時過該像元的激光平面方程求解該像元對應物點的三維坐標， 從而最終獲取到點云數(shù)據(jù)集。
[0110] 本實施例采用時空內(nèi)插求解過像元的激光平面方程，不再依靠激光器與攝像機之 間的幾何約束關系求解激光平面方程，避免了傳統(tǒng)計算激光條紋中心的費時操作，具有更 高的精度和速度。
[0111] 實施例2
[0112] 為了改善所獲取點云數(shù)據(jù)集data中點云質(zhì)量，在實施例1的基礎上還可以增加步 驟S109:雙目點云粗差剔除;通過增加一個攝像機作為輔助攝像機，即步驟S101中，攝像機 包括分別用支架固定的主、輔兩臺攝像機，參見圖10,移動標定板到測量區(qū)域的不同位置， 兩攝像機依次拍攝至少三張標定圖像，完成雙目攝像機的內(nèi)、外參數(shù)標定;雙主攝像機用于 拍攝整個激光掃描過程，輔助攝像機在掃描前拍攝一張背景圖像，利用雙目視覺測量原理 完成點云粗差的提取與點云質(zhì)量改善。具體如下：
[0113] 參見圖11，雙目點云粗差剔除包括查找對應點和前方交會改正點云，
[0114] (1)查找對應點
[0115]利用雙目攝像機標定結果，將點云數(shù)據(jù)集中的每個三維點P,反投影到主、輔攝像 機的像平面上，得到位于主攝像機像平面上對應的同名像點PU和位于輔攝像機像平面上對 應的同名像點Pi2,基于窗口匹配為原則，以Pii、pi2為原點選擇(2n+l) X (2n+l)窗口進行灰 度匹配，設置閾值，如果相關系數(shù)大于閾值，則認為該三維點ΡαΗ確，反之則不正確，需要剔 除，在輔助攝像機像平面上通過圖像匹配查找與 P1對應的真實同名像點Ρ/ ;為提高查找對 應點的速度，在匹配工作開始前首先對圖像進行極線校正，使得各極線和坐標系的橫軸平 行，從而使得查詢對應點的過程從二維降到一維，提高了匹配速度。
[0116] (2)前方交會獲取點云
[0117] 對主、輔攝像機進行標定，確定主、輔攝像機中心的位置關系，過主、輔攝像機中心 與對應攝像機上的同名像點得到兩條射線，所述兩條射線的交點即為同名像點在被測物體 表面上的對應三維點;根據(jù)立體像對（即主、輔攝像機拍攝的背景圖片），建立同名像點的特 征點集，根據(jù)立體像對的內(nèi)、外方位元素計算所述三維點的坐標，利用所述三維點的坐標替 換點云集中錯誤的三維點坐標。
[0118] 上述同名像點指的是在查找對應點步驟中得到的、與點云數(shù)據(jù)集中的三維點Pi對 應的位于主攝像機像平面上的同名像點pu，或位于輔助攝像機像平面上的、與pu對應的真 實同名像點P2或P2'。
[0119] 以物體表面一點P為例，從圖12可知點P在主、輔攝像機上分別對應的同名像點為 pi、Pr，由于攝像機中心(、〇2 )、像點（pi、Pr )、交點P滿足三點共線，過所述三點的射線的方 程表達式如下：
[0122] 式(i)中，f為攝像機焦距，（X，y)為像點坐標，（X，Y，Z)為待求三維點P的三維坐標， (xs，Ys，zs)為攝像機中心三維坐標：
為攝像機的外方位參數(shù)矩陣。
[0123] 因此可以利用主、輔攝像機像平面上的同名像點，根據(jù)式（i)可以求解出同名像點 對應的空間三維點P的坐標。
[0124] 利用空間前方交會獲取的所述新的空間三維點替換掉原點云數(shù)據(jù)集中的錯誤點， 如此便可有效改善點云質(zhì)量，更有利于后續(xù)的三維重建工作。
[0125] 本實施例將線結構光與雙目視覺相結合，解決了結構光測量數(shù)據(jù)修正困難的問 題，并采用主輔攝像機設置，避免了因攝像機無法同步帶來的誤差問題。
[0126] 以上所述僅為本申請的實施例而已，并不用于限制本申請。對于本領域技術人員 來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同 替換、改進等，均應包含在本申請的權利要求范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于線激光的Ξ維點云數(shù)據(jù)獲取方法，其特征在于，包括： 步驟1，選定參考坐標系，對攝像機進行內(nèi)、外參數(shù)標定； 步驟2，選擇相互垂直的輔助平面Η和輔助平面V，求解在攝像機坐標系下所述輔助平面 Η和輔助平面V的平面方程； 步驟3，手持線激光器掃描被測物體，確定與被測物體對應的每個像元在攝像機拍攝的 連續(xù)視頻帖序列中的灰度最大值Vmax，設定Vb = 〇XVmax作為過所述像元的激光條紋邊界的 灰度值，其中0如<1; 針對與被測物體對應的每個像元分別執(zhí)行下述步驟4~步驟7，W得到激光條紋右邊界 分別在進入每個像元時的時刻t時所在的激光平面方程，然后執(zhí)行步驟8: 步驟4,利用時間內(nèi)插計算連續(xù)視頻帖序列中激光條紋右邊界進入每個像元時的時刻 t;其中，時刻t大于所述連續(xù)視頻帖序列中第k帖對應的時刻k且小于所述連續(xù)視頻帖序列 中第k+1帖對應的時刻k+1，在所述第k帖時，所述像元在第k帖的灰度值小于激光條紋右邊 界灰度值，在所述第k+1帖時，所述像元的灰度值大于激光條紋右邊界灰度值； 步驟5,在像平面中任取Ξ個參考行，使得所述Ξ個參考行均不與被測物體相交且與激 光條紋右邊界的交點不在同一條直線上，對于所述Ξ個參考行中的每個參考行r，利用空間 線性內(nèi)插求出所述參考行r分別與所述第k帖、第k+1帖中激光條紋右邊界相交的交點的坐 標;其中，對于所述第k帖和第k+1帖中激光條紋右邊界，在所述參考行r上均存在相鄰的兩 個像元曰片，如、曰^^'+1)滿足曰片〇'）的灰度值大于激光條紋右邊界的灰度值且曰片〇'+1)的 灰度值小于激光條紋右邊界的灰度值； 步驟6,根據(jù)每個所述參考行r分別與第k帖、第k+1帖中激光條紋右邊界相交的交點的 坐標，利用空間線性內(nèi)插求出在所述時刻t時激光條紋右邊界與每個所述參考行r相交的交 點的坐標； 步驟7,根據(jù)求出的所述時刻t時激光條紋右邊界與所述Ξ個參考行在像平面上的Ξ個 交點的坐標W及所述輔助平面H、輔助平面V的平面方程，求解在攝像機坐標系下所述Ξ個 交點對應的光線束與所述輔助平面Η或輔助平面V相交的Ξ個空間點的坐標，根據(jù)所述Ξ個 空間點的坐標擬合激光條紋右邊界在所述時刻t時所在的激光平面方程； 步驟8,將每個像元對應的光線束參數(shù)方程分別與激光條紋右邊界在進入該像元時的 時刻t時所在的激光平面方程聯(lián)立，求解每個像元對應物點在攝像機坐標系下的Ξ維坐標； 保存或輸出由被測物體所有像元對應物點的Ξ維坐標構成的點云數(shù)據(jù)集。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中，設參考坐標系為Ow-XwYwZw，輔助平 面Η與Ow-XwYw平面重疊，輔助平面Η作為水平放置被測物體的工作臺所在平面;輔助平面V與 輔助平面Η垂直相交，且與Ow-ZwYw平面重疊。 3 .根據(jù)權利要求1所述的方法，其特化在于，步驟3中，取σ = 0.5 ,用灰度值Vb = 0.5 X Vmax 定位過所述像元的激光條紋邊界。4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4中，利用時間內(nèi)插計算激光條紋右邊 界進入每個像元a( i，j)時的時刻t為：其中，V(i，j，k)表示第k帖中位置在像平面第i行、第j列的像元a(i，j)的灰度值。5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟5中，所述參考行r分別與所述第k帖、 第k+1帖中激光條紋右邊界相交的交點的坐標分別為：6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟6中，在所述時刻t時激光條紋右邊界 與每個所述參考行r相交的交點的坐標為： y=(l-(t-k)) · ji+(t-k) · J.2。 （4)7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟7中，設像平面上任意一點在攝像機坐 標系下的坐標為(x，y，z)，則所述點對應的光線束參數(shù)方程表示為：(5) 其中，（P，m，n)為所述點對應的光線束的方向向量。8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括步驟9:雙目點云粗差剔除，步驟1中 的攝像機包括主、輔兩臺攝像機，主攝像機用于拍攝整個激光掃描過程，輔助攝像機在掃描 前拍攝一張背景圖像，利用雙目視覺測量原理完成點云粗差的提取與點云質(zhì)量改善。9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，雙目點云粗差剔除包括查找對應點和前方 交會改正點云;所述查找對應點為:利用雙目攝像機標定結果，將點云數(shù)據(jù)集中的每個Ξ維 點Pi反投影到主、輔攝像機的像平面上，得到位于主攝像機像平面上對應的同名像點Pil和 位于輔攝像機像平面上對應的同名像點Pi2,基于窗口匹配為原則，Wpii、pi2為原點選擇(2n + l)X(2n+l)窗口進行灰度匹配，設置闊值，如果相關系數(shù)大于闊值，則認為該Ξ維點Pi正 確，反之則不正確，在輔助攝像機像平面上查找與Pil對應的真實同名像點Pi2 '；所述前方交 會改正點云的過程為:對主、輔攝像機進行標定，確定主、輔攝像機中屯、的位置關系，過主、 輔攝像機中屯、與對應攝像機上的同名像點得到兩條射線，所述兩條射線的交點即為同名像 點在被測物體表面上的對應Ξ維點;根據(jù)立體像對，建立同名像點的特征點集，根據(jù)立體像 對的內(nèi)、外方位元素計算所述Ξ維點坐標，利用所述Ξ維點坐標替換點云數(shù)據(jù)集中錯誤的 Ξ維點坐標。
【文檔編號】G06T7/00GK106091984SQ201610395507
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610395507.0, CN 106091984 A, CN 106091984A, CN 201610395507, CN-A-106091984, CN106091984 A, CN106091984A, CN201610395507, CN201610395507.0
【發(fā)明人】童曉沖, 韓碩, 安子閣, 賴廣陵, 范帥博, 丁璐, 汪瀅
【申請人】中國人民解放軍信息工程大學