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CN109493418B - 一种基于LabVIEW的三维点云获取方法 - Google Patents

一种基于LabVIEW的三维点云获取方法 Download PDF

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CN109493418B
CN109493418B CN201811298233.9A CN201811298233A CN109493418B CN 109493418 B CN109493418 B CN 109493418B CN 201811298233 A CN201811298233 A CN 201811298233A CN 109493418 B CN109493418 B CN 109493418B
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shooting
imaging
image
point cloud
labview
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Ningxia Juneng Robot Co Ltd
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Ningxia Juneng Robot Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，包括以下步骤：S1、固定拍摄系统：包括相对位置固定的激光发生器和相机；S2、图像畸变矫正：基于LabVIEW编制畸变矫正程序，将畸变标定板成像图像进行畸变矫正；S3、标定位置关系：拍摄系统在不同拍摄高度对标定板成像，确定实际尺寸和成像尺寸变换关系；S4、成像图像采集：拍摄系统对待测物体进行表面连续拍照，获得待测物体表面信息成像图像；S5、获取三维点云：将成像图像经畸变矫正处理后，确定点对应的拍摄高度，并将成像图像点按顺序合成，获得三维点云图像。本发明基于LabVIEW获取三维点云，可以直接获得点云与实际拍摄对象的映射关系，避免了复杂的相机标定，简化了三维点云算法程序。

Description

一种基于LabVIEW的三维点云获取方法
技术领域
本发明涉及三维点云获取方法，具体涉及一种基于LabVIEW的三维点云获取方法。
背景技术
逆向工程是从产品原型出发，通过核实的测量方法获取产品的三维数字模型的技术，点云数据是逆向工程中不可缺少的一环。大多数点云数据是由3D视觉设备产生的，或者由三维坐标测量机、三维激光扫描仪获取，激光三角法也可以得到点云。其中激光三角法可以得到高精度的点运数据，并具有很强的抗干扰能力，因而激光三角法在获取点云数据中被广泛使用。
传统的激光三角法获取点云数据标定过程中，需要进行复杂的相机标定，且点云算法复杂。
发明内容
本发明为了克服现有技术中三维点云算法复杂并需要进行复杂的相机标定等问题，提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，避免了复杂的相机标定，直接获得点云与实际拍摄对象的映射关系，方便后续进行点云定位，简化了点云算法程序。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，包括以下步骤：
S1、固定拍摄系统：所述拍摄系统包括激光发生器和相机，所述激光发生器和所述相机相对位置固定；
S2、图像畸变矫正：基于LabVIEW编制畸变矫正程序，将畸变标定板成像图像进行畸变矫正；
S3、标定位置关系：所述拍摄系统在不同拍摄高度对标定板拍照成像，确定实际尺寸和成像尺寸变换关系；
S4、成像图像采集：拍摄系统对待测物体进行表面连续拍照，获得待测物体表面成像图像；
S5、获取三维点云：将所述表面成像图像经畸变矫正处理后，确定所述表面成像图像点对应的拍摄高度，将所述表面成像图像按顺序合成，获得三维点云图像。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S1进一步包括以下步骤：
S11、将相机相对于激光发生器固定水平距离和角度放置组合为拍摄系统，激光发生器发射激光照射在标定板上，激光照射位置记为当前点，相机捕获当前点成像；
S12、移动拍摄系统改变拍摄高度，拍摄系统捕获当前点成像；
S13、拍摄高度与当前点在相机芯片上的成像点具有如下几何关系：
Figure BDA0001851655070000011
其中：
θ为当前点与成像点连线与激光线的夹角；
α为相机镜头轴线与激光线的夹角；
b为相机镜头中心到激光线的水平距离；
a为相机芯片的1/2尺寸；
f为相机的焦距；
h为拍摄高度；
x为成像点到芯片边界的距离；
S14、将两次拍摄高度和相应的两次成像点到芯片边界距离带入几何关系，即可得出常量α和b值，从而使相机相对于激光发生器位置固定。
根据激光三角法成像原理以简单的几何关系确定激光发生器与相机的相对位置关系，取点数量少，精度高，避免了传统激光发生器和相机的联合标定过程中的坐标变化，简化了算法程序。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S13中距离x根据成像点与图像像素关系获得，距离x具有如下关系：
Figure BDA0001851655070000021
其中：
u为芯片边界长度；
t为成像点到图像边界的像素数；
z为图像中长度方向总像素数；
采用统一相机采集成像图像时，芯片长度与图像长度方向总像素数固定，成像点到图像边界的像素数可以通过软件测量得到，精度较高且算法简单。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S2进一步包括以下步骤：
S21、所述拍摄系统捕获畸变标定板成像图像，所述拍摄系统相对于所述畸变标定板的拍摄高度与对所述待测物体图像采集时拍摄高度一致，所述畸变标定板为分布均匀的点阵模板；
S22、将所述畸变标定板成像图像输入LabVIEW，并进行畸变矫正处理，处理后的所述畸变标定板成像图像作为畸变矫正模板；
S23、所述畸变矫正模板与所述畸变标定板成像图像具有如下畸变矫正关系：
Figure BDA0001851655070000022
m为矫正前像素点所在行数；
n为矫正前像素点所在行列数；
m矫为矫正后像素点所在行数；
n矫为矫正后像素点所在列数；
km为第m行像素的矫正系数；
kn为第n列像素的矫正系数；
基于LabVIEW进行图像畸变矫正并编制图像处理程序，简化了点云算法程序，提高运行过程。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S3具体方法如下：
S31、所述拍摄系统对所述标定板进行拍摄，获得具有所述标定板清晰轮廓线的成像图像；
S32、移动所述拍摄系统改变拍摄高度，获得当前位置具有所述标定板清晰轮廓线的成像图像；
S33、统计拍摄高度、所述标定板轮廓线实际长度、所述标定板轮廓线成像长度进行数据拟合，获得所述成像尺寸数据关系如下：
l＝ksh
其中：
l为标定板轮廓线实际长度；
s为标定板轮廓线成像长度所占像素点数；
k为常值系数；
h为拍摄高度。
通过数据拟合直接获得点云与实际拍摄对象的映射关系，为后续点云定位提供基础，且操作简单，避免了复杂的相机标定，简化了点云算法。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，标定板为具有清晰轮廓且已知轮廓线尺寸的模板。轮廓清晰的标定板使数据更精确，减少误差。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S4具体方法如下：
拍摄系统位于待测物体纵向边缘一侧开始并沿待测物体横向边缘水平移动，同时拍摄系统以固定频率连续拍摄，直至完成对所待测物体完整的表面成像图像采集。拍摄系统沿待测物体边缘水平移动，简化了表面图像合成基础，且本发明提供的表面图像采集方法不受待测物体表面形状和尺寸的影响。调整合适的拍摄频率和拍摄照片数目，使采集到的成像图像横向跨度范围较小，提高算法精度。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，拍摄系统相对待测物体的位置，满足拍摄系统在横向水平移动过程中能完整采集待测物体相对区间内的纵向表面图像。拍摄系统移动到一定位置时，能够采集相对区间内的完整纵向表面图像，保证了拍摄系统在一次水平移动过程中能完整采集到待测物体的表面成像，便于表面图像按顺序合成生成点云。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，步骤S5包括以下步骤：
S51、将所述表面成像图像输入LabVIEW，运行所述畸变矫正程序，进行畸变矫正；
S52、将经畸变矫正后的所述表面成像图像提取像素矩阵；
S53、将所述像素矩阵以一定阈值二值化，并进行去噪处理；
S54、提取所述像素矩阵每行像素值为255的点并排序，将所述点所在最大列数带入步骤S1的几何关系中，确定所述点对应的拍摄高度；
S55、将每张处理后的所述表面成像图像按所述拍摄顺序合成，生成完整的所述待测物体表面三维点云的图像。
对单张照片进行处理，进行去除背景和去躁处理后，确定本张照片对应的拍摄高度，将单张照片显示的待测物体的拍摄高度模糊处理为同一高度，为图片合成提供基础，简化算法。
根据激光线像素坐标，计算当前位置的z方向坐标，再根据当前拍照位置，确定x坐标，根据当前高度下实际长度与像素长度的标定关系，确定y坐标，由此获得的三维点云图像可直接获得与实际拍摄对象的映射关系。
以拍摄系统所在平面的待测物体中心位置为现实坐标系原点，以坐标系原点指向待测物体方向为Z向，以拍摄系统移动拍摄方向为X向，以坐标系原点指向拍摄系统方向为Y向，拍摄系统捕获待测物体成像图像数目为N，单张图像分辨率行数为M，所以成像图像按拍摄顺序合成后可获得m行n列的二维矩阵A：
Figure BDA0001851655070000031
其中：
A为具有高度信息的二维矩阵；
amn为二维矩阵A第m行n列点的高度值；
二维矩阵A中第m行n列点在所述现实坐标系中具有如下表示：
Figure BDA0001851655070000041
其中：
amn为二维矩阵A第m行n列的高度值；
X为起拍点到结束拍照点的距离；
N为待测物体成像图像数目；
M为单张图像分辨率的行数；
k为成像尺寸关系中常值系数。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，作为优选方式，在待测物体周围设置有遮光设备以减少外界光源干扰。设置遮光设备可以减少点云异常点产生，使点云数据更精确。
本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，以简单的几何关系确定激光发生器与相机的相对位置关系固定为拍摄系统，避免了传统激光发生器和相机的联合标定过程中的坐标变化，通过拍摄系统对标定板成像并基于LabVIEW进行畸变矫正，使拍摄系统对相对待测物体的一次水平移动所获得的表面成像图像按顺序输入LabVIEW后可以直接获得点云与实际拍摄对象的映射关系，步骤简单，取点数据精确，简化了三维点云算法程序。
附图说明
图1为一种基于LabVIEW的三维点云获取方法流程图；
图2为一种基于LabVIEW的三维点云获取方法步骤S1流程图；
图3为一种基于LabVIEW的三维点云获取方法步骤S2流程图；
图4为一种基于LabVIEW的三维点云获取方法步骤S3流程图；
图5为一种基于LabVIEW的三维点云获取方法步骤S5流程图；
图6为相机—激光发生器成像几何关系示意图；
图7为标定板示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，包括以下步骤：
S1、固定拍摄系统：拍摄系统包括激光发生器和相机，激光发生器发射激光照射在标定板上，相机捕获激光点成像，根据几何关系确定激光发生器与相机位置关系，将固定相对位置的激光发生器和相机组合为拍摄系统；如图2所示，步骤S1进一步包括以下步骤：
S11、将相机相对于激光发生器固定水平距离和角度放置组合为拍摄系统，激光发生器发射激光照射在标定板上，激光照射位置记为当前点，相机捕获当前点成像；
S12、移动拍摄系统改变拍摄高度，拍摄系统捕获当前点成像；
S13、拍摄高度与当前点在相机芯片上的成像点具有如下几何关系：
Figure BDA0001851655070000051
其中：
θ为当前点与成像点连线与激光线的夹角；
α为相机镜头轴线与激光线的夹角；
b为相机镜头中心到激光线的水平距离；
a为相机芯片的1/2尺寸；
f为相机的焦距；
h为拍摄高度；
x为成像点到芯片边界的距离；
S14、将两次拍摄高度和相应的两次成像点到芯片边界距离带入几何关系，即可得出常量α和b值，从而使相机相对于激光发生器位置固定；其中距离x具有如下关系：
Figure BDA0001851655070000052
其中：
u为芯片边界长度；
t为成像点到图像边界的像素数；
z为图像中长度方向总像素数。
S2、图像畸变矫正：拍摄系统对畸变标定板成像，并基于LabVIEW对畸变标定板成像进行畸变矫正处理，基于LabVIEW编制畸变矫正程序；如图3所示，步骤S2进一步包括以下步骤：
S21、拍摄系统捕获畸变标定板成像图像，拍摄系统相对于畸变标定板的拍摄高度与对待测物体图像采集时拍摄高度一致，畸变标定板为分布均匀的点阵模板；
S22、基于LabVIEW编制畸变矫正程序，将畸变标定板成像图像输入LabVIEW，并进行畸变矫正处理，处理后的畸变标定板成像图像作为畸变矫正模板；
S23、畸变矫正模板与畸变标定板成像图像具有如下畸变矫正关系：
Figure BDA0001851655070000053
m为矫正前像素点所在行数；
n为矫正前像素点所在行列数；
m矫为矫正后像素点所在行数；
n矫为矫正后像素点所在列数；
km为第m行像素的矫正系数；
kn为第n列像素的矫正系数；
S3、标定位置关系：拍摄系统在不同拍摄高度对标定板拍照成像，根据标定板实际尺寸和成像尺寸数据拟合成像尺寸数据关系；如图4所示，步骤S3进一步包括以下步骤：
S31、拍摄系统对标定板进行拍摄，获得具有标定板清晰轮廓线的成像图像；
S32、移动拍摄系统改变拍摄高度，获得当前位置具有标定板清晰轮廓线的成像图像；
S33、统计拍摄高度、标定板轮廓线实际长度、标定板轮廓线成像长度进行数据拟合，获得成像尺寸数据关系如下：
l＝ksh
其中：
l为标定板轮廓线实际长度；
s为标定板轮廓线成像长度所占像素点数；
k为常值系数；
h为拍摄高度。
S4、成像图像采集：拍摄系统对待测物体进行表面连续拍照，直至获得待测物体全部表面信息成像图像；步骤S4具体方法如下：
拍摄系统位于待测物体纵向边缘一侧开始并沿待测物体横向边缘水平移动，同时拍摄系统以固定频率连续拍摄，直至完成对待测物体完整的表面成像图像采集。
S5、获取三维点云：将一张图像的像素矩阵提取，确定每个点对应的拍摄高度，将表面成像图像按顺序合成，获得三维点云图像；如图5所示，步骤S5进一步包括以下步骤：
S51、将拍摄系统将得到的图片按顺序输入LabVIEW，进行畸变矫正处理；
S52、将畸变矫正处理后的图片像素矩阵提取；
S53、将矩阵以一定阈值(该阈值参数需要根据亮度设定)二值化，并进行去躁处理；
S54、提取每一行的像素值为255的点并排序，将最大列数提取带入S1的公式中得到每一行点与相机的实际距离；
S55、将处理后的所述表面成像图像按拍摄顺序合成，生成完整的待测物体表面三维点云的图像。
将点与相机对的实际距离根据高度不同对应不同的色彩，从而得到彩色三维点云图像。
如图6所示，本实施例中，根据步骤S1分别在h1、h2两个位置进行一次拍摄，将h1、h2、x1、x2带入几何关系，可以得到
Figure BDA0001851655070000061
其中：
Figure BDA0001851655070000062
Figure BDA0001851655070000063
根据拍摄高度即可推出常量b、α值，则根据x计算拍摄高度h的关系式为：
Figure BDA0001851655070000064
为后续点云定位提供坐标关系转换基础；
如图7所示，本实施例中标定板采用等腰梯形，上、下底轮廓线长度分别为100mm、600mm，在距离标定板上底最高点415mm、665mm、915mm位置进行拍摄，像素与拍摄高度的对应关系如下表所示：
Figure BDA0001851655070000065
由此表可以得出如下关系：l＝ksh
本实施例中畸变标定板为7×7点阵，基于LabVIEW进行畸变矫正，本实施例中待测对象为置于料框内的刹车盘，拍摄系统料框外侧左下方边缘位置开始水平移动，拍照区域为720mm，用时5秒扫过料框，拍摄照片72张，相机长度方向的像素数为1200，最终获得具有色彩的三维点云图像，三维点云图像色彩与点云所述Z向坐标高度有关。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效，都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、固定拍摄系统：所述拍摄系统包括激光发生器和相机，所述激光发生器和所述相机相对位置固定；
S2、图像畸变矫正：基于LabVIEW编制畸变矫正程序，将畸变标定板成像图像进行畸变矫正；
S3、标定位置关系：所述拍摄系统在不同拍摄高度对标定板拍照成像，确定实际尺寸和成像尺寸变换关系；
S4、成像图像采集：拍摄系统对待测物体进行表面连续拍照，获得待测物体表面成像图像；
S5、获取三维点云：提取所述表面成像图像的像素矩阵，确定所述表面成像图像点对应的拍摄高度，并将所述表面成像图像按顺序合成，获得三维点云图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S1进一步包括以下步骤：
S11、将所述相机相对于所述激光发生器固定水平距离和角度放置组合为所述拍摄系统，所述激光发生器发射激光照射在所述标定板上，激光照射位置记为当前点，所述相机捕获所述当前点成像；
S12、移动所述拍摄系统改变拍摄高度，所述拍摄系统捕获所述当前点成像；
S13、拍摄高度与所述当前点在所述相机芯片上的成像点具有如下几何关系：
Figure FDA0001851655060000011
其中：
θ为当前点与成像点连线与激光线的夹角；
α为相机镜头轴线与激光线的夹角；
b为相机镜头中心到激光线的水平距离；
a为相机芯片的1/2尺寸；
f为相机的焦距；
h为拍摄高度；
x为成像点到芯片边界的距离；
S14、将两次拍摄高度和相应的两次成像点到芯片边界距离带入所述几何关系，即可得出常量α和b值，从而使所述相机相对于所述激光发生器位置固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S13中，所述距离x根据所述成像点与图像像素关系获得，所述距离x具有如下关系：
Figure FDA0001851655060000012
其中：
u为芯片边界长度；
t为成像点到图像边界的像素数；
z为图像中长度方向总像素数。
4.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S2进一步包括以下步骤：
S21、所述拍摄系统捕获畸变标定板成像图像，所述拍摄系统相对于所述畸变标定板的拍摄高度与对所述待测物体图像采集时拍摄高度一致，所述畸变标定板为分布均匀的点阵模板；
S22、将所述畸变标定板成像图像输入LabVIEW进行畸变矫正，处理后的所述畸变标定板成像图像作为畸变矫正模板；
S23、所述畸变矫正模板与所述畸变标定板成像图像具有如下畸变矫正关系：
Figure FDA0001851655060000021
m为矫正前像素点所在行数；
n为矫正前像素点所在行列数；
m矫为矫正后像素点所在行数；
n矫为矫正后像素点所在列数；
km为第m行像素的矫正系数；
kn为第n列像素的矫正系数；
S24、基于LabVIEW和所述畸变矫正关系编制畸变矫正程序。
5.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S3进一步包括以下步骤：
S31、所述拍摄系统对所述标定板进行拍摄，获得具有所述标定板清晰轮廓线的成像图像；
S32、移动所述拍摄系统改变拍摄高度，获得当前位置具有所述标定板清晰轮廓线的成像图像；
S33、统计拍摄高度、所述标定板轮廓线实际长度、所述标定板轮廓线成像长度进行数据拟合，获得所述成像尺寸数据关系如下：
l＝ksh
其中：
l为标定板轮廓线实际长度；
s为标定板轮廓线成像长度所占像素点数；
k为常值系数；
h为拍摄高度。
6.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S4具体方法如下：
所述拍摄系统位于所述待测物体纵向边缘一侧开始并沿所述待测物体横向边缘水平移动，同时所述拍摄系统以固定频率连续拍摄，直至完成对所待测物体完整的表面成像图像采集。
7.根据权利要求6所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述拍摄系统相对所述待测物体的位置，满足所述拍摄系统在横向水平移动过程中能完整采集所述待测物体相对区间内的纵向表面图像。
8.根据权利要求4所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：所述步骤S5包括以下步骤：
S51、将所述表面成像图像按顺序输入LabVIEW，运行所述畸变矫正程序，进行畸变矫正；
S52、将经畸变矫正后的所述表面成像图像提取像素矩阵；
S53、将所述像素矩阵以一定阈值二值化，并进行去噪处理；
S54、提取所述像素矩阵每行像素值为255的点并排序，将所述点所在最大列数带入步骤S1的几何关系中，确定所述点对应的拍摄高度；
S55、将每张处理后的所述表面成像图像按拍摄顺序合成，生成完整的所述待测物体表面三维点云的图像。
9.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的三维点云获取方法，其特征在于：在所述待测物体周围设置有遮光设备以减少外界光源干扰。
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