專利名稱：實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在單個視角三維像機的基礎(chǔ)上進行物體表面三維數(shù)據(jù)多視角采集，以及將各個視角所采集的數(shù)據(jù)對齊復位于同一空間坐標系中的方法。
背景技術(shù)：
自然物體表面三維數(shù)據(jù)的采集，往往需要從多個角度進行，并將這些不同視角觀察的三維數(shù)據(jù)通過對齊復位過程表示于同一參考坐標系中，恢復其原有的相互之間空間位置關(guān)系，以獲取物體表面較完整的三維信息。
在單視角三維像機基礎(chǔ)上，多視角三維數(shù)據(jù)采集主要是對齊復位的過程。對齊復位的方法從其信息來源角度主要分為主動式和被動式兩類。
主動式方法是指在各個視角三維數(shù)據(jù)采集時就主動地去記錄可以直接導出各觀察角度相互位置的信息?，F(xiàn)有的此類方法存在著對采集過程的特殊要求，或者精密復雜的位移裝置等方面的嚴格限制。典型的例子如德國GOM公司的Atos三坐標測量方法，采用預設(shè)標記點，根據(jù)兩兩視角三維數(shù)據(jù)中共有的一定數(shù)目的標記點位置的關(guān)系，確定各視角之間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。又一典型的例子如英國3DScanners公司將單視角三維掃描裝置安裝于可以多自由度運動掃描、可精確定位的運動裝置上，實現(xiàn)多視角三維數(shù)據(jù)的采集，并利用各視角采集運動裝置各個自由度的狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定各視角之間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系以進行對齊復位。
被動式方法是指從兩兩視角三維數(shù)據(jù)本身信息中提取相互之間位置關(guān)系，并將其復位對齊到同一坐標系中，而對采集過程不附加任何特殊的操作和限制。這類方法存在的共同問題是各視角之間三維數(shù)據(jù)對齊復位的過程需要人工的參與以及精度難以提高。如Besl和Mckay等基于點匹配的對齊復位方法，基于某種準則，通過迭代過程來求坐標變換關(guān)系的。
三、技術(shù)內(nèi)容1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種用單視角三維像機進行多視角采集，并對各個視角采集的三維數(shù)據(jù)進行自動對齊復位且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作容易的的實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法。
2、技術(shù)方案本發(fā)明的實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法，使得單視角三維像機能夠采集被測物體各個視角的三維數(shù)據(jù)，并使得采集到的各個視角三維數(shù)據(jù)能夠自動對齊復位到統(tǒng)一的坐標系中。其具體的方法是采用一個單視角三維像機和一個旋轉(zhuǎn)臺，將旋轉(zhuǎn)臺放在三維像機前方的有效取量范圍內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)臺上放置一個小球，用單視角三維像機對旋轉(zhuǎn)臺上的小球進行參數(shù)標定；將被測物固定在旋轉(zhuǎn)臺上，用單視角三維像機對被測物表面，作多視角數(shù)據(jù)采集，最后將采集的數(shù)據(jù)進行對齊復位，輸出被測物體表面完整的三維數(shù)據(jù)。參數(shù)標定的步驟為將旋轉(zhuǎn)裝置固定于單視角三維像機的取景范圍內(nèi)，與單視角三維像機的位置保持不變；將一個用來標定的小球放置于旋轉(zhuǎn)臺上，隨旋轉(zhuǎn)臺作三次的旋轉(zhuǎn)，記錄下小球每次旋轉(zhuǎn)的角度，并由單視角三維像機采集每次旋轉(zhuǎn)后小球的三維位置。
多視角數(shù)據(jù)采集的步驟為將被測物體固定在旋轉(zhuǎn)臺上，記錄下旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的角度，設(shè)定該角度為旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的初始位置；a、旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，使被測物體待測表面部分逐次移入單視角三維像機的取景范圍內(nèi)，記錄下旋轉(zhuǎn)臺從初始位置開始的旋轉(zhuǎn)角度；b、單視角三維像機對移入自己取景范圍內(nèi)的被測物體待測表面部分進行三維數(shù)據(jù)采集；重復上述a、b兩個步驟，直至被測物體所有待測表面部分三維數(shù)據(jù)采集完畢后，即完成多視角采集過程。
數(shù)據(jù)對齊和復位的步驟為取出旋轉(zhuǎn)軸的標定數(shù)據(jù)，即關(guān)于單視角三維像機坐標系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上一點的三維坐標和旋轉(zhuǎn)軸矢量的三維數(shù)據(jù)，計算出關(guān)于單視角三維像機坐標系統(tǒng)任意一點隨旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定角度前后的坐標對應(yīng)關(guān)系，建立一個關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)；逐次取出被測物體各部分待測表面單個視角采集到的三維數(shù)據(jù)及對應(yīng)的偏離旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，利用上述步驟中得到的函數(shù)，將該部分待測表面的三維數(shù)據(jù)復位成該表面對應(yīng)旋轉(zhuǎn)臺初始角度時的三維坐標；重復上述一個步驟，直至被測物體所有待測表面部分三維數(shù)據(jù)均復位成對應(yīng)旋轉(zhuǎn)臺初始角度時的三維坐標，即完成對齊復位過程；輸出對齊復位后物體被測表面完整的三維數(shù)據(jù)。
3、技術(shù)效果本發(fā)明中的用單視角三維像機進行多視角采集和對齊復位的系統(tǒng)，除單視角三維像機外，僅包括旋轉(zhuǎn)軸位置與單視角三維像機固定不變的被測物體旋轉(zhuǎn)裝置。用于對齊復位的數(shù)據(jù)處理過程的運算量很少，可以用單視角三維像機的計算機系統(tǒng)完成。旋轉(zhuǎn)裝置僅為一個自由度的旋轉(zhuǎn)裝置，可以由手工驅(qū)動，也可以由步進電機驅(qū)動。與其他利用位移裝置完成多視角三維采集的系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本極其低廉。
本發(fā)明中的用單視角三維像機進行多視角采集和對齊復位的系統(tǒng)，除單視角三維像機外，僅需對旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)軸進行標定；旋轉(zhuǎn)裝置相對于單視角三維像機固定后僅需標定一次；旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)軸標定由系統(tǒng)自身的單視角三維像機完成。因而與其他利用位移裝置完成多視角三維采集的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)建造復雜度低，操作容易。
本發(fā)明中的用單視角三維像機進行多視角采集和對齊復位的方法和系統(tǒng)，在各個視角數(shù)據(jù)的三維采集時，不對被測物體增加任何的標記；除在一個自由度上旋轉(zhuǎn)一定的角度外，不增加任何的操作和過程。因而與通過標記點來進行多視角采集的方法和系統(tǒng)相比，采集速度快，操作簡單，適用的被測物體范圍廣。
本發(fā)明的用單視角三維像機進行多視角采集和對齊復位的方法和系統(tǒng)，采用的單視角三維像機可以是一次采集一個較寬的二維角度區(qū)域(一個面)，而不僅僅限于一個很窄的視角區(qū)域(一條線或一個點)，因而具有快速采集的特點。
本發(fā)明中的多視角三維數(shù)據(jù)的對齊復位過程，不包含任何的迭代過程和識別過程。因而與通過標記點來進行多視角采集的方法和系統(tǒng)相比因而計算過程極其簡單，系統(tǒng)不存在穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明中的多視角三維數(shù)據(jù)的對齊復位過程中產(chǎn)生的誤差，主要由旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)精度確定。設(shè)轉(zhuǎn)動臺讀數(shù)精度或步進電機精度為Δθ，物體置于旋轉(zhuǎn)臺后表面上待測點離旋轉(zhuǎn)軸的最大半徑為r，則多視角的最大復位誤差為ϵ=2π·r360·Δθ]]>例如r＝50mm，Δθ＝0.1°，則ε≈0.087mm。
因而，與其他利用位移裝置完成多視角三維采集的系統(tǒng)相比，對齊復位過程誤差來源簡單，精度可靠；與通過標記點來進行多視角采集的方法相比，對齊復位過程誤差與采集的數(shù)據(jù)無關(guān)，精度可靠。
四

圖1是本發(fā)明用于多視角三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中有單視角三維像機1、旋轉(zhuǎn)臺2、旋轉(zhuǎn)軸21、被測物體3。
發(fā)明方法用于多視角三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各坐標系關(guān)系示意圖。其中有單視角圖2是本三維像機對應(yīng)坐標系中的軸x、y、z及原點O。以旋轉(zhuǎn)臺2的旋轉(zhuǎn)軸z1建立的坐標系中的x1、y1、z1和原點O1。標定小球隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)第一個位置Q1，標定小球隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)第二個位置Q2，標定小球隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)第三個位置Q3。
五、具體實施方法現(xiàn)結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明方法的實施例。
該方法為采用一個單視角三維像機1和一個旋轉(zhuǎn)臺2，將旋轉(zhuǎn)臺2放在三維像機前方的有效取景范圍內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)臺上放置一個小球，用單視角三維像機1對旋轉(zhuǎn)臺2上的小球進行參數(shù)標定；將被測物3固定在旋轉(zhuǎn)臺2上，用單視角三維像機1對被測物3的表面作多視角數(shù)據(jù)采集，最后將采集的數(shù)據(jù)進行對齊和復位，輸出被測物體表面完整的三維數(shù)據(jù)。
旋轉(zhuǎn)軸的標定方法1、固定旋轉(zhuǎn)裝置于三維像機視場中，為保證有效地利用視場和景深范圍，應(yīng)使旋轉(zhuǎn)軸位于視場角的平分線附近，且處于三維像機景深范圍內(nèi)遠離三維像機的位置，如圖1所示；2、將一小球固定于旋轉(zhuǎn)平臺上(為識別小球在二維圖像中的位置，可將小球置為白色，環(huán)境背景置為黑色)，隨旋轉(zhuǎn)平臺在三維像機視場中分別旋轉(zhuǎn)三個位置，并用三維像機分別測得球心三個位置的坐標位置Q1(xQ1，yQ1，zQ1)、Q2(xQ2，yQ2，zQ2)，Q3(xQ3，yQ3，zQ3)，如圖2所示；3、旋轉(zhuǎn)軸位置的確定Q1、Q2、Q3三點確定了一個平面(設(shè)為平面D)，同時也確定了平面D上穿過這三點的一個圓，及通過該圓圓心點O1(xO1，yO1，zO1)且垂直于平面D的直線即旋轉(zhuǎn)軸(設(shè)為L)的位置。
設(shè)旋轉(zhuǎn)軸L矢量V(l，m，n)，則直線方程可表示為x-xo1l=y-yo1m=z-zo1n-----(1)]]>其中l(wèi)=l′l′2+m′2+n′2--------(2)]]>m=m′l′2+m′2+n′2--------(3)]]>n=n′l′2+m′2+n′2--------(4)]]>l′=yQ2-yQ1zQ2-zQ1yQ3-yQ2zQ3-zQ2-----(5)]]>m′=zQ2-zQ1xQ2-xQ1zQ3-zQ2xQ3-xQ2-----(6)]]>n′=xQ2-xQ1yQ2-yQ1xQ3-xQ2yQ3-yQ2-----(7)]]>O1(xO1，yo1，zO1)為三個已知點Q1、Q2、Q3所在圓的圓心 (8)多視角三維數(shù)據(jù)采集及對齊復位過程1、置旋轉(zhuǎn)臺的初始位置角度為θ0；2、置物體于旋轉(zhuǎn)臺上，位置應(yīng)盡量使得物體各待測表面與旋轉(zhuǎn)軸的距離接近；3、將物體待測表面劃分為若干區(qū)域Si(i＝1，……k)，這些區(qū)域可互相重疊也可不重疊，它們的組合包含了物體所有待測的表面部分，并且每一區(qū)域通過旋轉(zhuǎn)可被單視角三維像機一次采集；4、令i＝1；5、轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺，將Si移至三維像機視場內(nèi)，記錄下對應(yīng)的逆時針旋轉(zhuǎn)角度θi；6、對Si進行單視角三維采集計算；7、對齊復位1)對于θi，令θ＝θi-θ0，按公式(9a、9b)計算R，T。
R＝RA·RB·RA-1(9a)T＝(TA-RA·RB·RA-1·TA)(9b)其中，RA＝[ex1，ey1，ez1] (10)ex1=O1Q1→||O1Q1||-----(11)]]>ez1＝[l，m，n]T(12)ey1＝ez1×ex1(13)TA＝[xO1，yO1，zO1]T(14)l，m，n分別由公式(2)、(3)、(4)確定；O1點由公式(8)確定；xO1，yO1，zO1分別為O1點x，y，z向坐標；
Q1點為旋轉(zhuǎn)軸標定時標定小球第一個位置所在的點Q1(xQ1，yQ1，zQ1)； 為O1點與Q1點構(gòu)成的矢量。
2)對于Si內(nèi)的每一個三維點以R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，作空間坐標變換，即可完成將視角θi數(shù)據(jù)到旋轉(zhuǎn)角θ0所在的統(tǒng)一的參考坐標系中的對齊復位過程。
8、令i＝i+1，重復本對齊過程的步驟5-8至所有Si區(qū)域完畢。
9、輸出關(guān)于旋轉(zhuǎn)角θ0所在參考坐標系中的多視角三維數(shù)據(jù)。
以上詳細說明了本發(fā)明方法和系統(tǒng)的工作原理及其具體應(yīng)用，但這不應(yīng)被視為是對本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明方法同時還可適用于其它的三維測量系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法，其特征在于該方法為采用一個單視角三維像機(1)和一個旋轉(zhuǎn)臺(2)，將旋轉(zhuǎn)臺(2)放在三維像機前方的有效取景范圍內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)臺上放置一個小球，用單視角三維像機(1)對旋轉(zhuǎn)臺(2)上的小球進行參數(shù)標定；將被測物(3)固定在旋轉(zhuǎn)臺(2)上，用單視角三維像機(1)對被測物(3)的表面作多視角數(shù)據(jù)采集，最后將采集的數(shù)據(jù)進行對齊和復位，輸出被測物體表面完整的三維數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法，其特征在于參數(shù)標定的步驟為將旋轉(zhuǎn)裝置固定于單視角三維像機的取景范圍內(nèi)，與單視角三維像機的位置保持不變；將一個用來標定的小球放置于旋轉(zhuǎn)臺上，隨旋轉(zhuǎn)臺作三次的旋轉(zhuǎn)，記錄下小球每次旋轉(zhuǎn)的角度，并由單視角三維像機采集每次旋轉(zhuǎn)后小球的三維位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法，其特征在于多視角數(shù)據(jù)采集的步驟為將被測物體固定在旋轉(zhuǎn)臺上，記錄下旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的角度，設(shè)定該角度為旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的初始位置；a、旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，使被測物體待測表面部分逐次移入單視角三維像機的取景范圍內(nèi)，記錄下旋轉(zhuǎn)臺從初始位置開始的旋轉(zhuǎn)角度；b、單視角三維像機對移入自己取景范圍內(nèi)的被測物體待測表面部分進行三維數(shù)據(jù)采集；重復上述a、b兩個步驟，直至被測物體所有待測表面部分三維數(shù)據(jù)采集完畢后，即完成多視角采集過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法，其特征在于數(shù)據(jù)對齊和復位的步驟為取出旋轉(zhuǎn)軸的標定數(shù)據(jù)，即關(guān)于單視角三維像機坐標系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上一點的三維坐標和旋轉(zhuǎn)軸矢量的三維數(shù)據(jù)，計算出關(guān)于單視角三維像機坐標系統(tǒng)任意一點隨旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定角度前后的坐標對應(yīng)關(guān)系，建立一個關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)；逐次取出被測物體各部分待測表面單個視角采集到的三維數(shù)據(jù)及對應(yīng)的偏離旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，利用上述步驟中得到的函數(shù)，將該部分待測表面的三維數(shù)據(jù)復位成該表面對應(yīng)旋轉(zhuǎn)臺初始角度時的三維坐標；重復上述一個步驟，直至被測物體所有待測表面部分三維數(shù)據(jù)均復位成對應(yīng)旋轉(zhuǎn)臺初始角度時的三維坐標，即完成對齊復位過程；輸出對齊復位后物體被測表面完整的三維數(shù)據(jù)。
全文摘要
實現(xiàn)三維像機多視角數(shù)據(jù)采集及對齊復位的方法是一種在單個視角三維像機的基礎(chǔ)上進行物體表面三維數(shù)據(jù)多視角采集，以及將各個視角所采集的數(shù)據(jù)對齊復位于同一空間坐標系中的方法，該方法為采用一個單視角三維像機和一個旋轉(zhuǎn)臺，將旋轉(zhuǎn)臺放在三維像機前方的有效取景范圍內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)臺上放置一個小球，用單視角三維像機對旋轉(zhuǎn)臺上的小球進行參數(shù)標定；將被測物固定在旋轉(zhuǎn)臺上，用單視角三維像機對被測物的表面作多視角數(shù)據(jù)采集，最后將采集的數(shù)據(jù)進行對齊復位，輸出被測物體表面完整的三維數(shù)據(jù)。本發(fā)明可用單視角三維像機進行多視角采集，并對各個視角采集的三維數(shù)據(jù)進行自動對齊、復位，且結(jié)構(gòu)簡單、成相低、操作容易。
文檔編號G03B35/00GK1399169SQ02138210
公開日2003年2月26日 申請日期2002年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者衡偉 申請人:東南大學