乘法最小化公式（12)计算S维扫描仪的姿态：
[012 引 Y*=ar卵iny(|AY-b|2) (12)
[0130] 4f.根据连续两次局部测量时计算出的=维扫描仪的姿态评估两个局部测量的= 维扫描仪姿态变化。
[0131] 第九步，服务器40根据第八步的结果，拼接两次局部测量的结果。
[0132] 第十步，重复步骤五到九，直到整个钢板10S维测量结束，实现对钢板10所有局 部的=维测量W及拼接，得到大尺度曲面钢板10的完整的=维轮廓。
[0133] 综上所述，本发明的技术方案，通过将S维扫描仪设置成可沿轨道移动并距离待 测物体较近，来灵活、方便地采用结构光方法对大尺度物体进分块行局部测量，获得高清局 部图像；同时，由于L邸标签的灯光足够亮，在立体跟踪仪与L邸标签的距离增大时，立体跟 踪仪也能够快速、准确地跟踪=维扫描仪上的高亮度L邸标签，W保证服务器能够精确定 位L邸标签的中屯、位置及其在=维扫描仪坐标系中的位置，精确获得两个局部测量之间的 L邸标签关系，进而准确评估=维扫描仪的姿态变化，实现对局部测量结果的精确拼接，因 此无需进行多个投影仪之间的繁琐切换，就能够方便、稳定、精确地完成对大尺度物体整个 轮廓的=维测量。本发明的技术方案的局部测量W及图像拼接的精度均被大大提高。
[0134] 显然，本领域的技术人员可W对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神 和范围。该样，倘若本发明的该些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之 内，则本发明也意图包含该些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种基于LED标签跟踪的三维几何测量方法，其特征在于，包括： 第一步，将贴有LED标签的一套三维扫描仪安装在能沿着待测物体旁侧的轨道移动的 支架上，并将所述支架移动到所述轨道的一端，所述三维扫描仪主要有由两台工业相机和 一台投影仪组成； 第二步，将立体跟踪仪固定设置，且立体跟踪仪的固定位置使得在测量过程中立体跟 踪仪始终都能跟踪到所述LED标签； 第三步，开始一个局部测量，所述三维扫描仪的投影仪向待测物体表面投射结构光，所 述三维扫描仪的两台工业相机拍摄各自视野内的待测物体局部图像，并将所述局部图像数 据传输至服务器，同时，立体跟踪仪拍摄LED标签图像并传输至服务器； 第四步，所述服务器根据所述两台工业相机的局部图像数据生成所述待测物体的一个 局部的三维图像，同时在所述LED标签图像中精确定位LED标签中心点位置，完成所述待测 物体的一个局部的测量； 第五步，沿轨道推动支架移动以推动三维扫描仪更换到新位置，重复第三、四步，完成 待测物体的下一个局部的测量； 第六步，所述服务器采用KLT算法，建立两个局部测量的LED标签图像之间的LED标签 关系； 第七步，所述服务器根据每个局部测量的LED标签图像获得每个局部测量的三维扫描 仪坐标系中的LED标签位置； 第八步，所述服务器根据两个局部测量的LED标签关系以两个局部测量的LED标签位 置，获得所述两个局部测量的LED标签位置变化，以评估所述两个局部测量的三维扫描仪 姿态变化； 第九步，所述服务器根据第八步的结果，拼接所述两个局部测量的三维图像； 第十步，重复步骤五到九，直到所述待测物体的最后一个局部测量结束，以拼接出所述 待测物体的整个表面的三维图像。2. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述三维扫描仪主要有由两 台工业相机和一台投影仪组成。3. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述LED标签的发光功率大于 等于3W。4. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述立体跟踪仪主要由两台 工业相机组成。5. 如权利要求4所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述三维扫描仪和所述立体 跟踪仪的相机分辨率均在1440X1080以上、帧率均在IOfps以上，且分别通过千兆网连接 服务器；所述三维扫描仪的投影仪通过USB线连接服务器。6. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述第四步中，在所述LED标 签图像中精确定位LED标签中心点位置的步骤包括： 2a :采用归一化模板匹配方法，找到所述LED标签图像中的LED标签图像块； 2b :放大所述LED标签图像块获得放大图像Pm，且Pm对应的三维图像中LED标签Lm呈 现为八角形的山状； 2c :采用高斯函数对Pm对应的三维图像进行平滑处理，获得一个平滑图像，并根据平 滑图像顶点来确定Lm图像的顶点Pt ; 2d :根据所述平滑的图像生成具有五个虚拟平面的三维图像PV :-个底面Pb为基础 面，四个交叉面均垂直于Pb并交叉于同一条交线L，相邻两个交叉平面之间的夹角为45 度； 2e :重叠图像Lm和PV，且Lm和PV的底部重合并让L通过Lm图像的顶点Pt ; 2f:让PV的四个交叉面以L为轴，整体按顺时针方向依次旋转预设角度直至旋转一周， 并记录每次旋转后的PV与Lm的交叉横截面积； 2g :把L的当前位置和最大的交叉横截面积部分记录在队列Qs ; 2h :用Npt表示Pt的24个邻居像素，移动PV，让L通过Npt中的每一个像素，重复步 骤2f~2h ; 2i :在Qs中，选择具有最大交叉横截面积的元素，选择所述元素对应的L的位置作为精 确中心Ca ; 2 j :缩小Pm至所述LED标签图像块的倍率，并根据Ca获得所述LED标签图像中的LED 标签中心点位置。7. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，所述第七步中，所述服务器对 每个局部测量的三维扫描仪坐标系统中的LED标签位置进行标定的步骤包括： 3a :把一个棋盘格标定板放在立体跟踪仪和三维扫描仪的视野内，同时立体跟踪仪还 能够跟踪到三维扫描仪上的LED标签； 3b :通过所述棋盘格标定板获得立体跟踪仪坐标系与三维扫描仪坐标系之间的转换关 系； 3c :通过每个局部测量时立体跟踪仪拍摄的LED标签图像获得每个局部测量的LED标 签在立体跟踪仪坐标系中的位置，并将LED标签在立体跟踪仪坐标系中的位置通过所述转 换关系转换为LED标签在三维扫描仪坐标系中的位置。8. 如权利要求1所述的三维几何测量方法，其特征在于，在所述第八步中，根据所述两 个局部测量的所述LED标签位置的变化，评估所述两个局部测量的三维扫描仪姿态变化， 包括： 4a:将某个局部测量时三维扫描仪的位置Tt表示为向量Y，其中，4b :定义所沭某个局部测量时立体跟踪仪的左、右投影矩阵分别为：4c :根据P1、匕和T t将所述某个局部测量时LED标签在三维扫描仪坐标系中的坐标X / 投影到立体跟踪仪中，建立投影关系：是LED标签分别在立体跟踪仪中左、右两幅图 像中的像素坐标；X丨=是LED标签在三维扫描仪坐标系中的坐标； 4d :根据所述投影关系以及Tt与Y之间的关系获得向量Y与X)'、4、P1、匕的之间的 最小二乘法矩阵关系AY = b，其中，4e :根据所述最小二乘法矩阵关系计算出所述某个局部测量的三维扫描仪的姿态为： Y*= arg min Y( I AY-b 12)； 4f:根据连续两次局部测量时计算出的三维扫描仪的姿态评估两个局部测量的三维扫 描仪姿态变化。9. 一种应用权利要求1至8中任一项所述的基于LED标签跟踪的三维几何测量方法的 基于LED标签跟踪的三维几何测量系统，其特征在于，包括一台服务器、一套立体跟踪仪和 一套贴有LED标签的三维扫描仪；其中，所述三维扫描仪安装在能沿着待测物体旁侧的轨 道移动的支架上，主要有由两台能够拍摄待测物体的局部图像的工业相机和一台能够向所 述待测物体表面投射结构光的投影仪组成；立体跟踪仪固定设置且其固定位置使得在测量 过程中立体跟踪仪始终都能拍摄到所述LED标签图像；立体跟踪仪与三维扫描仪的两台工 业相机分别通过千兆网连接服务器，投影仪通过USB线连接服务器；所述服务器包括： 根据两台工业相机拍摄的局部图像合成局部三维图像的局部三维图像合成单元； 建立两个局部测量的立体跟踪仪拍摄的LED标签图像之间的LED标签关系的KLT算法 单元； 根据每个局部测量的LED标签图像获得每个局部测量的三维扫描仪坐标系中的LED标 签位置的LED标定单元； 获得所述两个局部测量的所述LED标签位置的变化以及评估所述两个局部测量的三 维扫描仪姿态变化的姿态评估单元； 拼接连续两个局部测量的三维图像的图像拼接单元。
【专利摘要】本发明提供一种基于LED标签跟踪的三维几何测量方法及系统，通过将三维扫描仪设置成可沿轨道移动并距离待测物体较近，来灵活、方便地采用结构光方法对大尺度物体进分块行局部测量，获得高清局部图像；同时，由于LED标签的灯光足够亮，立体跟踪仪在与LED标签的距离增大时，也能够快速、准确地跟踪LED标签，以保证服务器能够精确定位LED标签的中心位置及其在三维扫描仪坐标系中的位置，精确获得两个局部测量之间的LED标签关系，进而准确评估三维扫描仪的姿态变化，实现对局部测量结果的精确拼接，而且无需进行多个投影仪之间的繁琐切换，就能够方便、稳定、精确地完成对大尺度物体整个轮廓的三维测量。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN104976968
【申请号】CN201510332137
【发明人】史金龙, 白素琴, 钱强, 束鑫, 钱萍, 王直, 张洪涛
【申请人】江苏科技大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月16日