CN103954239A - 一种三维测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维测量系统及方法，其中的一种三维测量系统，包括：双目相机：其功能为采用二维标定靶对其进行标定，得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；光栅干涉投影装置：用以将光影投射到光栅上产生干涉条纹后投射于被测物。本发明采用了激光作为光源，通过光学光栅完成周期性干涉条纹的产生，相对于以往的方法，其拥有更高的光学细分，因此具有可达到更高的测量精度，同时也为该周期性条纹研究了相应的相位解包裹算法和无特征点的三维拼接算法，从而使得该测量系统测量精度更高，同时使用更加方便。

Description

一种三维测量系统及方法

技术领域

本发明涉及三维测量技术，具体涉及一种三维测量系统及方法。

背景技术

随着现代军事科学技术的快速发展，武器装备向精密化、精确化、智能化方向发展。武器部件更加精密且结构复杂，传统的测量方法已逐渐难以满足发展的需要，以光电技术为基础的视觉测量方法已被应用于实际的科研工作中。

视觉测量系统最先来源于摄影测量和立体视觉技术，随着计算机技术的发展，摄影测量技术和计算机技术相结合产生了视觉测量技术。立体图像法或立体视觉测量法，七十年代末Marr创立的视觉计算机理论对立体视觉技术的发展产生了巨大的影响，随后，立体视觉技术得到了迅速发展并在军事装备研制领域中得到了应用。

当前密集点视觉测量方法中通常基于相位轮廓术原理，现有的系统采用数字光栅投影系统产生条纹，其条纹的精密度有些低，从而限制了其测量精度的进一步的提高，对测量物表面材料敏感，同时需要人工布置标志点从而完成三维图像的拼接。

根据测量原理，只要承载高度信息的光栅条纹的精密度高于所需的测量精度，其才可能实现达标的测量精度。

目前已经被军事科研实际应用的三维测量技术分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式一般采用三坐标测量机，目前仍是典型的标准三维测量设备，但价格昂贵、速度慢、特别是物体形状复杂时，测头路径规划不易实现。由于计算机视觉与图像检测这一新兴学科的兴起和发展，对物体面形的三维检测技术的研究近年来集中于非接触的光学三维测量方面，常用的简述如下：

基于结构光的三维视觉测量技术是非接触式三维测量技术中最常用的。它是一种依据摄影测量和三角法测量原理为基础，既利用图像作为信息载体又利用可控光源的测量技术。

随着科学技术的快速发展，为了满足新的需要，发达国家的军用装备研究单位已将视觉测量技术运用于实际的研发工作中，并取得了较好的效果。国内一些科研单位及公司也进行了相关方面的研究，并开发了自己的产品，但在测量精度、抗干扰性及图像拼接方面尚存在一定的差距。目前其进一步发展的主要障碍在于投射的光栅条纹的精细度，相位解算方法的准确性以及其抗干扰能力等方面。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种三维测量系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种三维测量系统，包括：

双目相机：其功能为采用二维标定靶对其进行标定，得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；

光栅干涉投影装置：用以将光影投射到光栅上产生干涉条纹后投射于被测物；

所述光栅干涉投影装置包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、光栅、两个透镜组成的透镜组、第一棱镜、第二棱镜、第一反射镜及第二反射镜；激光器通过分光镜被分为两路，经过光栅后分别经过两个透镜投射于第一棱镜、第二棱镜后相干涉形成干涉条纹，然后投射到第一反射镜后，经过反射后再投射到第二反射镜，再次反射后投射到被测的部件上。

根据本发明的又一方面，提供了一种三维测量方法，包括以下步骤：

S1，采用二维标定靶标定方法对双目相机进行标定；

S2，光栅干涉投影装置的使用；

S3，非简单正弦周期条纹相位解包裹算法的处理；

S4，建立立体视觉共线方程，解算三维坐标值；

S5，无特征点的三维图像拼接处理。

进一步地，所述步骤S1具体为：采用经典的基于平面靶标的二维标定靶标定方法对双目相机进行标定，采用圆点形替代传统的角点形标定板以提高标定精度，通过多次实验给出统计的标定参数；得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；双目相机系统设计采用可调节视场大小的机械结构，从而使得双目相机达到最佳的视场重合。

更进一步地，所述步骤S2具体为：所述光栅干涉投影装置将激光器产生的光束经分光镜后分成了同频的光波，然后分别经过起偏器后投射到光栅上产生高精度的光学细分；所述光栅干涉投影装置投射一定光栅图像到被测部件表面上，光栅将被测部件的外形调制而得到相位移动的光栅图像；为了克服这两路信号中普遍存在的非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差影响测量结果的精度的问题，以Heydemann模型为基础做误差修正，设计核心的电路补偿模块，对此三种误差进行动态补偿，进而实现高精度微米级干涉波，产生纳米级光学细分。

更进一步地，所述步骤S3具体为：为了达到更高的测量精度及实现高抗噪性，采用光栅干涉投影装置产生条纹，该条纹不具备简单正弦波的特性，因此为了实现相位解包裹功能，采用基于傅立叶公式的多级任意周期波解包裹算法，解决当前受正弦波限制的问题，从而解算图像的相位，进而实现图像间的匹配。

更进一步地，所述步骤S5具体为：针对现有的三维图像拼接方法存在的借助人工标志点及运算量大的问题，采用新的三维图形拼接算法，该算法以虚拟标志点为原始点，以方向矢量为搜索要素，不需要传统的人工贴点，利用三维图像自身的图像特征，实现非接触的无特征点的三维图像拼接，形成完成的三维图，实现三维重构，提高搜索的速度与准确性。

本发明的优点：

1、为了达到高精度的光学细分，设计了新的光栅干涉系统。该系统将激光器产生的光束经分光镜后分成了同频的光波，然后分别经过了起偏器后投射到光栅上产生高精度的光学细分。这两路信号中普遍存在着非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差，这些误差的存在严重地影响了测量结果的精度。为了克服这些误差，产生稳定的干涉，提出了以Heydemann模型为基础的误差修正方法，设计了核心的电路补偿模块，对此三种误差进行了动态补偿，进而实现了高精度微米级干涉波，甚至可以产生纳米级光学细分。

2、针对偏振激光干涉系统产生的周期条纹，提出了新的任意周期波解包裹算法。偏振激光干涉系统产出的微米条纹存在周期性，但已经完全不同于传统的简单正弦波，目前的相位轮廓术中的解包裹算法都是基于简单正弦波，通过多频外差的算法得到相位值。然而为了达到更高的测量精度及实现高抗噪性，采用偏振激光干涉系统产生条纹，该条纹不具备简单正弦波的特性，因此为了实现同样的相位解包裹功能，提出了基于傅立叶公式的多级任意周期波解包裹算法，解决了当前受正弦波限制的问题，同时该算法具有广阔的适用性。

3、针对现有的三维图像拼接方法存在的借助人工标志点及运算量大的问题，提出了新的三维图形拼接算法，该算法以虚拟标志点为原始点，以方向矢量为搜索要素，有效地提高了搜索的速度与准确性。该算法不需要传统的人工贴点，可以实现非接触的三维图像拼接。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种三维测量系统结构示意图；

图2是本发明的光栅干涉投影装置结构示意图；

图3是本发明的一种三维测量方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参考图1，如图1所示的一种三维测量系统，包括：

双目相机：其功能为采用二维标定靶对其进行标定，得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；

光栅干涉投影装置：用以将光影投射到光栅上产生干涉条纹后投射于被测物；

所述光栅干涉投影装置包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、光栅、两个透镜组成的透镜组、第一棱镜、第二棱镜、第一反射镜及第二反射镜；激光器通过分光镜被分为两路，经过光栅后分别经过两个透镜投射于第一棱镜、第二棱镜后相干涉形成干涉条纹，然后投射到第一反射镜后，经过反射后再投射到第二反射镜，再次反射后投射到被测的部件上。

实施例2：

参考图2，如图2所示的一种三维测量方法，包括以下步骤：

S1，采用二维标定靶标定方法对双目相机进行标定；

S2，光栅干涉投影装置的使用；

S3，非简单正弦周期条纹相位解包裹算法的处理；

S4，建立立体视觉共线方程，解算三维坐标值；

S5，无特征点的三维图像拼接处理。

所述步骤S1具体为：采用经典的基于平面靶标的二维标定靶标定方法对双目相机进行标定，采用圆点形替代传统的角点形标定板以提高标定精度，通过多次实验给出统计的标定参数；得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；双目相机系统设计采用可调节视场大小的机械结构，从而使得双目相机达到最佳的视场重合。

所述步骤S2具体为：所述光栅干涉投影装置将激光器产生的光束经分光镜后分成了同频的光波，然后分别经过起偏器后投射到光栅上产生高精度的光学细分；所述光栅干涉投影装置投射一定光栅图像到被测部件表面上，光栅将被测部件的外形调制而得到相位移动的光栅图像；为了克服这两路信号中普遍存在的非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差影响测量结果的精度的问题，以Heydemann模型为基础做误差修正，设计核心的电路补偿模块，对此三种误差进行动态补偿，进而实现高精度微米级干涉波，产生纳米级光学细分。

所述步骤S3具体为：为了达到更高的测量精度及实现高抗噪性，采用光栅干涉投影装置产生条纹，该条纹不具备简单正弦波的特性，因此为了实现相位解包裹功能，采用基于傅立叶公式的多级任意周期波解包裹算法，解决当前受正弦波限制的问题，从而解算图像的相位，进而实现图像间的匹配。

在实际应用中，一些部件不允许布置人工标志点，因此需要研究无特征点的三维图像拼接问题，现有的方法通常基于ICP算法，该方法存在搜索速度慢，容易陷入局部最小点等问题，需采用新的三维图形拼接算法。

所述步骤S5具体为：针对现有的三维图像拼接方法存在的借助人工标志点及运算量大的问题，采用新的三维图形拼接算法，该算法以虚拟标志点为原始点，以方向矢量为搜索要素，不需要传统的人工贴点，利用三维图像自身的图像特征，实现非接触的无特征点的三维图像拼接，形成完成的三维图，实现三维重构，提高搜索的速度与准确性。

本发明采用了激光作为光源，通过光学光栅完成周期性干涉条纹的产生，相对于以往的方法，其拥有更高的光学细分，因此具有可达到更高的测量精度，同时也为该周期性条纹研究了相应的相位解包裹算法和无特征点的三维拼接算法，从而使得该测量系统测量精度更高，同时使用更加方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维测量系统，其特征在于，包括：

双目相机：其功能为采用二维标定靶对其进行标定，得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；

光栅干涉投影装置：用以将光影投射到光栅上产生干涉条纹后投射于被测物；

所述光栅干涉投影装置包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、光栅、两个透镜组成的透镜组、第一棱镜、第二棱镜、第一反射镜及第二反射镜；激光器通过分光镜被分为两路，经过光栅后分别经过两个透镜投射于第一棱镜、第二棱镜后相干涉形成干涉条纹，然后投射到第一反射镜后，经过反射后再投射到第二反射镜，再次反射后投射到被测的部件上。

2.一种三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用二维标定靶标定方法对双目相机进行标定；

S2，光栅干涉投影装置的使用；

S3，非简单正弦周期条纹相位解包裹算法的处理；

S4，建立立体视觉共线方程，解算三维坐标值；

S5，无特征点的三维图像拼接处理。

3.根据权利要求2所述的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：采用经典的基于平面靶标的二维标定靶标定方法对双目相机进行标定，采用圆点形替代传统的角点形标定板以提高标定精度，通过多次实验给出统计的标定参数；得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；双目相机系统设计采用可调节视场大小的机械结构，从而使得双目相机达到最佳的视场重合。

4.根据权利要求2所述的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：所述光栅干涉投影装置将激光器产生的光束经分光镜后分成了同频的光波，然后分别经过起偏器后投射到光栅上产生高精度的光学细分；所述光栅干涉投影装置投射一定光栅图像到被测部件表面上，光栅将被测部件的外形调制而得到相位移动的光栅图像；为了克服这两路信号中普遍存在的非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差影响测量结果的精度的问题，以Heydemann模型为基础做误差修正，设计核心的电路补偿模块，对此三种误差进行动态补偿，进而实现高精度微米级干涉波，产生纳米级光学细分。

5.根据权利要求2所述的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：为了达到更高的测量精度及实现高抗噪性，采用光栅干涉投影装置产生条纹，该条纹不具备简单正弦波的特性，因此为了实现相位解包裹功能，采用基于傅立叶公式的多级任意周期波解包裹算法，解决当前受正弦波限制的问题，从而解算图像的相位，进而实现图像间的匹配。

6.根据权利要求2所述的三维测量方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：针对现有的三维图像拼接方法存在的借助人工标志点及运算量大的问题，采用新的三维图形拼接算法，该算法以虚拟标志点为原始点，以方向矢量为搜索要素，不需要传统的人工贴点，利用三维图像自身的图像特征，实现非接触的无特征点的三维图像拼接，形成完成的三维图，实现三维重构，提高搜索的速度与准确性。