一种移动投影式三维测量方法及装置

1.本发明涉及移动投影式三维测量领域，具体涉及一种移动投影式三维测量方法及装置。


背景技术：

2.目前，工业部件的三维测量方法已有一些，但具备高精度、低成本的快速测量方法并不多。接触式测量方法，如三坐标测量仪可以精确地测量出复杂工件的尺寸、形状等信息，但是测量过程依靠探针进行逐点扫描，速度慢、效率低，可能会损坏物体表面，且该设备体积较大，对应用的环境要求较高。在非接触式测量中，光学测量方法为重点研究对象，分为主动式测量和被动式两种。其中结构光法是主动式非接触测量中最重要也是最常用的一类方法，具有特征点多、测量精度高、抗干扰能力强等优势。它将有特征的结构光投射到物体表面，在物体表面形成光场，结合三角测距原理将光场信息解算为深度信息，从而获得物体表面三维结构。结构光测量根据光源不同可分为光点式，光条式和光面式三类。光点式结构光测量是向物体表面投射出一个点获得深度信息，若要获得整个物体的表面信息需对物体表面进行逐点扫描。光条式结构光法使用线光源，相比于光点式其扫描维度降为一维。常规的光条式结构光法的精度与光点式在一个量级，而线结构光受限于激光器，仍须搭配高精度位移台才能完成对待测物体的三维测量，有测量速度慢、体积大且成本高等不足。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种移动投影式三维测量方法及装置，通过创新性的多光平面标定方法，对三维物体进行快速测量。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种移动投影式三维测量方法，包括：
5.s1、基于dlp光机获取待测物体的多线结构光条图像；
6.s2、利用所述多线结构光条图像基于灰度重心法得到待测物体像素坐标；
7.s3、利用所述待测物体像素坐标基于预先标定的多光平面得到待测物体的三维坐标；
8.s4、利用所述待测物体的三维坐标作为待测物体的三维测量结果。
9.优选的，所述基于dlp光机获取待测物体的多线结构光条图像包括：
10.利用dlp光机在待测物体表面投射多线结构光条得到待测物体的第一多线结构光条图像；
11.调整dlp光机与待测物体对应的灰度255的像素列数后，得到待测物体的第二多线结构光条图像；
12.利用所述第一多线结构光条图像与第二多线结构光条图像作为待测物体的多线结构光条图像。
13.优选的，利用所述多线结构光条图像基于灰度重心法得到待测物体像素坐标包括：
为第一单应性矩阵。
40.进一步的，所述利用等间隔多线结构光条中各条纹在投影图片中的像素位置与各条纹投射形成的光平面建立多光平面初始关系式的计算式如下：：
41.a＝f1(u)＝a1un+a2u
n-1
+
…
+a
n+1
42.b＝f2(u)＝b1un+b2u
n-1
+
…
+b
n+1
43.c＝f3(u)＝c1un+c2u
n-1
+
…
+c
n+1
44.d＝f4(u)＝d1un+d2u
n-1
+
…
+d
n+1
45.其中，a、b、c、d分别表示光平面方程ax+by+cz+d＝0中的四个参数，an、bn、cn、dn为多项式的系数，u为投影的光条所在投影图片中的像素列数，n为多项式的次数。
46.进一步的，所述利用已完成初始标定的多光平面测量标准球直径数据计算光平面优化公式的计算式如下：
47.f＝||r-ri(aj,bj,cj,dj)||2(j＝1,2,
…
6)
48.其中，r为标准球的标准半径值，ri为经过多项式拟合后得到的系数求得的球半径，aj、bj、cj、dj为多项式的系数。
49.优选的，利用所述待测物体像素坐标基于预先标定的多光平面得到待测物体的三维坐标包括：
50.利用所述待测物体像素坐标带入对应的预先标定的光平面标定关系式中，得到待测物体的三维坐标。
51.基于同一发明构思，本发明还提供了一种移动投影式三维测量装置，包括dlp光机、具有双远心镜头的相机、dlp安装板、相机安装板、转接板、相机底板、底板与龙门；
52.所述dlp光机通过dlp安装板固定在底板上，相机与双远心镜头通过相机安装板、转接板与相机底板固定在底板上，将底板固定在龙门上。
53.与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
54.移动投影法投射光条数目较多，为了实现全分辨率测量，会平移光条，为了有效提高测量效率，基于dlp光机对待测物体进行多光平面标定，有较高测量效率，保证一定精度的基础上，结构简单，系统成本较低。
附图说明
55.图1是本发明提供的一种移动投影式三维测量方法流程图；
56.图2是本发明提供的一种移动投影式三维测量方法单光平面标定过程示意图；
57.图3是本发明提供的一种移动投影式三维测量装置示意图；
58.图4是本发明提供的一种移动投影式三维测量装置光条平移示意图；
59.附图标记：
60.1、dlp光机；2、具有双远心镜头的相机；3、dlp安装板；4、相机安装板；5、转接板；6、相机底板；7、底板；8、龙门；9、标准球；10、支撑件；11、被测零件。
具体实施方式
61.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
62.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
63.实施例1：
64.本发明提供了一种移动投影式三维测量方法，如图1所示，包括：
65.s1、基于dlp光机获取待测物体的多线结构光条图像；
66.s2、利用所述多线结构光条图像基于灰度重心法得到待测物体像素坐标；
67.s3、利用所述待测物体像素坐标基于预先标定的多光平面得到待测物体的三维坐标；
68.s4、利用所述待测物体的三维坐标作为待测物体的三维测量结果。
69.s1具体包括：
70.s1-1、利用dlp光机在待测物体表面投射多线结构光条得到待测物体的第一多线结构光条图像；
71.s1-2、调整dlp光机与待测物体对应的灰度255的像素列数后，得到待测物体的第二多线结构光条图像；
72.s1-3、利用所述第一多线结构光条图像与第二多线结构光条图像作为待测物体的多线结构光条图像。
73.s2具体包括：
74.s2-1、利用所述多线结构光条图像基于灰度重心法获取经待测物体表面调制的多线结构光条图像的光条中心线；
75.s2-2、利用所述多线结构光条图像的光条中心线得到待测物体像素坐标。
76.s3具体包括：
77.s3-1、利用dlp光机投射等间隔多线结构光条；
78.s3-2、利用等间隔多线结构光条中各条纹在投影图片中的像素位置与各条纹投射形成的光平面建立多光平面初始关系式；
79.s3-3、利用投射出的多光平面中的部分光平面作为基础多光平面；
80.s3-4、利用所述基础多光平面分别进行单光平面标定处理；
81.s3-5、利用所述单光平面的参数代入多光平面初始关系式，计算多光平面初始关系式，完成多光平面初始标定；
82.s3-6、利用已完成初始标定的多光平面测量标准球直径数据计算光平面优化公式；
83.s3-7、利用所述光平面优化公式与多光平面初始关系式得到最终多光平面关系式，完成多光平面的标定处理。
84.s3-8、获取经待测物体表面调制的多线结构光条图像，提取各光条中心线像素坐标，得到待测物体像素坐标。
85.s3-9、利用所述待测物体表面像素坐标带入对应的预先标定的光平面关系式中，得到待测物体的三维坐标。
86.本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，所述单光平面标定过程，如图2所示。
87.本实施例中，受位移台精度等因素的影响，标定结果与理论值存在一定偏差，本发
明利用标定好的多光平面测量标准球直径，通过levenberg-marquardt算法来非线性优化关系式。
88.s3-3的计算式如下：
89.a＝f1(u)＝a1un+a2u
n-1
+
…
+a
n+1
90.b＝f2(u)＝b1un+b2u
n-1
+
…
+b
n+1
91.c＝f3(u)＝c1un+c2u
n-1
+
…
+c
n+1
92.d＝f4(u)＝d1un+d2u
n-1
+
…
+d
n+1
93.其中，a、b、c、d分别表示光平面方程ax+by+cz+d＝0中的四个参数，an、bn、cn、dn为多项式的系数，u为投影的光条所在投影图片中的像素列数，n为多项式的次数。
94.s3-5具体包括：
95.s3-5-1、对双远心镜头进行基础标定处理得到第一转换关系式；
96.s3-5-2、当标定靶面的棋盘格清晰成像时，采集靶标图像；
97.s3-5-3、利用dlp光机投射单线结构光至标定靶面得到光平面与靶标平面的交线；
98.s3-5-4、采集所述单线结构光的光条成像和光条成像对应的棋盘格成像；
99.s3-5-5、调整标定靶面的平面位置上移dmm后，重复s3-5-2至s3-5-3得到n组单光平面初始图像；
100.s3-5-6、利用单应性矩阵获取旋转矩阵与平移向量；
101.s3-5-7、利用所述单光平面初始图像对应的棋盘格角点世界坐标与棋盘格角点像素坐标基于dlt算法得到第二单应性矩阵；
102.s3-5-8、利用所述第二单应性矩阵得到第二转换关系式；
103.s3-5-9、利用棋盘格各角点基于最小二乘法进行拟合处理得到靶标平面；
104.s3-5-10、利用单线结构光的像素坐标基于相机内参根据所述单线结构光对应的单线结构光靶标平面方程得到光条中心线相机坐标；
105.s3-5-11、利用所述光条中心线相机坐标进行拟合处理得到单光平面；
106.s3-5-12、根据所述单光平面得到平面方程完成单光平面标定。
107.s3-5-1的计算式如下：
[0108][0109]
其中，(x
w1
，y
w1
)为世界坐标，(u1，v1)为像素坐标，r1为旋转矩阵，t1为平移矩阵，h1为第一单应性矩阵。
[0110]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，所述调整标定靶面的平面位置上移0.25mm后，重复s3-5-2至s3-5-3得到25组单光平面初始图像。
[0111]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，s3-5-7中第二单应性矩阵的关系式如下：
[0112][0113]
其中，(x
w2
，y
w2
)为世界坐标，(u2，v2)为像素坐标，r2为旋转矩阵，t2为平移矩阵，h2为第二单应性矩阵。
[0114]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，s3-5-8中第二转换关系式的计算式如下：
[0115][0116]
其中，(xc，yc，zc)为标定靶面上棋盘格各角点在相机坐标系下的坐标，(x
w2
，y
w2
，z
w2
)棋盘格各角点的世界坐标，r2为旋转矩阵，t2为平移矩阵。
[0117]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，s3-5-10中靶标平面方程的计算式如下：
[0118]
aixc+biyc+cizc+di＝0
[0119]
其中，ai,bi,ci,di为靶标平面方程参数。
[0120]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，单线结构光像素坐标计算单线结构光的光条中心线相机坐标的计算式如下：
[0121][0122]
其中，(x
lc
，y
lc
)为单线结构光的光条中心线上各点的相机坐标，(u
l
，v
l
)单线结构光的光条中心线上各点的像素坐标。
[0123]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，s3-5-12的单光平面标定公式如下：
[0124]
ax
lc
+by
lc
+cz
lc
+d
lc
＝0
[0125]
其中，(x
lc
，y
lc
，z
lc
)为光条中心线完整相机坐标，a、b、c、d分别为单光平面参数。
[0126]
s3-7的计算式如下：
[0127]
f＝||r-ri(aj,bj,cj,dj)||2(j＝1,2,
…
6)
[0128]
其中，r为标准球的标准半径值，ri为经过多项式拟合后得到的系数求得的球半径，aj、bj、cj、dj为多项式的系数。
[0129]
本实施例中，一种移动投影式三维测量方法，所述ri为r代入初始条纹光平面关系
式后得到。
[0130]
实施例2：
[0131]
本发明提供了一种移动投影式三维测量装置，如图3所示，包括dlp光机1、具有双远心镜头的相机2、dlp安装板3、相机安装板4、转接板5、相机底板6、底板7与龙门8；
[0132]
所述dlp光机1通过dlp安装板3固定在底板7上，具有双远心镜头的相机2通过相机安装板4、转接板5与相机底板6固定在底板7上，将底板7固定在龙门8上，所述标准球9设置于支撑件10上，所述被测零件11设置于具有双远心镜头的相机2下方。
[0133]
本实施例的工作过程如下：
[0134]
步骤1、将被测物体11放置于载物台上；
[0135]
步骤2、如图4所示，dlp光机1在被测物体表面投射多线结构光条，在测量过程中，通过平移dlp光机上被投影图片中的灰度255的像素列数，连续移动测量，增加采样率，相机分别拍摄图片记为p；
[0136]
步骤3、用灰度重心法提取p中的光条中心线，得到其像素坐标，根据多光平面的标定模型，得到其在相机坐标系下的三维坐标，从而完成尺寸测量。
[0137]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0138]
本发明是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0139]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0140]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0141]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。