專利名稱：巖石表面三維形貌的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石表面三維形貌的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前測(cè)量巖石表面形貌的測(cè)量方法主要有兩種，即機(jī)械接觸式和激光非接觸式測(cè)量方法。
機(jī)械接觸式測(cè)量方法為一種直接測(cè)量方法，其每次測(cè)量時(shí)先量得單個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后憑借機(jī)械裝置移動(dòng)測(cè)量探頭來(lái)獲得整個(gè)平面上多個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，如此可見，巖石表面的三維特征需由多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)組合得到，整個(gè)測(cè)量過(guò)程既費(fèi)時(shí)，又采集數(shù)據(jù)量少，同時(shí)還極易受機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，難以直接有效的獲得巖石表面上三維特征。
而激光非接觸式測(cè)量方法采用三角測(cè)量原理，根據(jù)選擇點(diǎn)光源或者線光源，每次測(cè)量一個(gè)測(cè)點(diǎn)或者一條測(cè)線上各個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后憑借機(jī)械裝置移動(dòng)測(cè)頭來(lái)獲得整個(gè)巖石表面上多條平行測(cè)線上的數(shù)據(jù)，再將其組合獲得巖石表面的三維特征，該方法相對(duì)于機(jī)械式測(cè)量方法要快，但是整個(gè)測(cè)量仍舊十分費(fèi)時(shí)，而且采集的數(shù)據(jù)有限，再者，激光探頭要安裝在機(jī)械裝置上，所以受機(jī)械結(jié)構(gòu)影響也較大，同樣也難以直接獲得巖石表面的三維特征。
因此，如何自動(dòng)有效的獲得巖石表面形貌特征實(shí)已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石表面形貌特征的快速測(cè)量。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其包括步驟1)根據(jù)參照物的實(shí)際空間方位坐標(biāo)與至少兩攝像機(jī)拍攝的所述參照物圖像的像點(diǎn)空間坐標(biāo)建立像點(diǎn)與實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系；2)將具有預(yù)設(shè)相位的光柵所形成的柵格投射至待測(cè)量的物體以將所述待測(cè)量的巖石表面劃分為多個(gè)測(cè)量空間；3)所述至少兩攝像機(jī)拍攝已被分割為多個(gè)測(cè)量空間的所述待測(cè)量的巖石表面的圖像；4)將所述至少兩攝像機(jī)各自所拍攝的圖像的像點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)的匹配以獲得各測(cè)量空間在所拍攝的圖像中的像點(diǎn)坐標(biāo)；5)根據(jù)所述各測(cè)量空間的像點(diǎn)空間坐標(biāo)及所述函數(shù)關(guān)系計(jì)算相應(yīng)各測(cè)量空間的實(shí)際空間坐標(biāo)以獲得所述待測(cè)量巖石表面的三維形貌。
其中，還包括步驟(1)判斷是否需要對(duì)所述待測(cè)量物體的表面重新進(jìn)行測(cè)量空間的進(jìn)一步細(xì)分，若是則改變所述柵格的相位，然后重復(fù)步驟3)和步驟4)，所述參照物為標(biāo)定塊上的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，所述柵格的編碼信息為離散二進(jìn)制編碼信息。
綜上所述，本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法通過(guò)對(duì)巖石表面的測(cè)量空間進(jìn)行劃分測(cè)出各測(cè)量空間的實(shí)際空間坐標(biāo)，進(jìn)而即可獲得所述巖石表面的三維形貌特征，實(shí)現(xiàn)快速有效的物體形貌特征的測(cè)量。


圖1為本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法的示意圖。
圖2為本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法的基本流程示意圖。
圖3a至3d為本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法中柵格投射至巖石表面的示意圖。
圖4為本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法中巖石表面一點(diǎn)在XOZ平面內(nèi)與兩臺(tái)攝像機(jī)之間的關(guān)系示意圖。
圖5為本發(fā)明的巖石表面三維形貌測(cè)量方法的光路結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法為一種主動(dòng)的三角測(cè)量方法，其先通過(guò)數(shù)字光柵投影裝置投射，在巖石表面投射一系列連續(xù)的條紋狀的結(jié)構(gòu)光，被測(cè)巖石的空間信息經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)光編碼成為條紋圖形，由左右攝像機(jī)即攝像頭1和攝像頭2記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)相位計(jì)算和匹配，根據(jù)匹配結(jié)果利用攝像機(jī)外參數(shù)求取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將坐標(biāo)帶入巖石表面三維形貌參數(shù)的計(jì)算公式，獲得巖石表面三維形貌參數(shù)，以下將對(duì)本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法作進(jìn)一步描述。
首先執(zhí)行步驟S10，根據(jù)參照物的實(shí)際空間方位坐標(biāo)與至少兩攝像機(jī)拍攝的所述參照物圖像的像點(diǎn)空間坐標(biāo)建立像點(diǎn)與實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系(即獲得系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，如鏡頭焦距等)，例如，通常采用標(biāo)定塊上的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為參照物，由于各標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的點(diǎn)距固定，通過(guò)對(duì)點(diǎn)距進(jìn)行測(cè)量及所拍攝的各標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的圖像像點(diǎn)空間坐標(biāo)，通過(guò)攝影測(cè)量學(xué)的原理計(jì)算出相關(guān)參數(shù)值，由此可建立像點(diǎn)空間坐標(biāo)和實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，在本實(shí)施方式中，采用兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝圖像，接著執(zhí)行步驟S11。
在步驟S11中，將具有預(yù)設(shè)相位的光柵所形成的柵格投射至待測(cè)量的巖石以將所述待測(cè)量的巖石表面分割為多個(gè)測(cè)量空間，通常光柵采用預(yù)設(shè)(初始)相位為0度的條紋狀的明暗(即黑白)格，且各明暗格分別用二進(jìn)制編碼1和0表示，請(qǐng)參見圖3a，采用光柵投影裝置將所述柵格投射至所述待測(cè)量的巖石表面，則所述待測(cè)量的巖石表面被分為2個(gè)測(cè)量空間，當(dāng)測(cè)量人員對(duì)所述巖石表面的測(cè)量精度提高時(shí)，其可改變柵格的寬度，請(qǐng)參見圖3b，則所述待測(cè)量的巖石表面被分為4個(gè)測(cè)量空間，圖3c劃分為8個(gè)測(cè)量空間，圖3c劃分為16個(gè)測(cè)量空間，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際精度要求采用不同寬度柵格，接著執(zhí)行步驟S12。
在步驟S12中，兩攝像機(jī)拍攝已被分割為多個(gè)測(cè)量空間的所述待測(cè)量的巖石表面的圖像，接著執(zhí)行步驟S13。
在所述步驟S13中，將兩攝像機(jī)各自所拍攝的圖像的像點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)的匹配以獲得各測(cè)量空間在各拍攝的圖像中的相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，即找出在同一時(shí)間和條件下，同一測(cè)量對(duì)象在左右攝像機(jī)中的對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)。
如圖4，空間中一點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系OWXWYWZW下坐標(biāo)為P(XW，YW，ZW)。
左攝像機(jī)坐標(biāo)系O1X1Y1Z1，以左攝像機(jī)光心為原點(diǎn)O1，光軸為O1Z1軸，X1Y1面平行于左圖像平面的坐標(biāo)系，有效焦距為f1；右攝像機(jī)坐標(biāo)系O2X2Y2Z2，以右攝像機(jī)光心為原點(diǎn)O2，光軸為O2Z2軸，X2Y2面平行于右圖像平面的坐標(biāo)系，有效焦距為f2。點(diǎn)P在左攝像機(jī)坐標(biāo)系和右攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為P1(X1，Y1，Z1)和P2(X2，Y2，Z2)。
左圖像坐標(biāo)系OaXaYa是以光軸O1Z1和圖像平面的交點(diǎn)Oa為原點(diǎn)，XaYa軸平行于左攝像機(jī)坐標(biāo)系的X1Y1軸；右圖像坐標(biāo)系ObXbYb是以光軸O2Z2和圖像平面的交點(diǎn)Ob為原點(diǎn)，XbYb軸平行于右攝像機(jī)坐標(biāo)系的X2Y2軸。點(diǎn)P在左圖像坐標(biāo)系OaXaYa和右圖像坐標(biāo)系ObXbYb中的坐標(biāo)分別為Pa(Xa，Ya)和Pb(Xb，Yb)。
象素坐標(biāo)系為計(jì)算機(jī)圖像平面的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在屏幕左上角，以象素為單位。點(diǎn)P在左象素坐標(biāo)系C1U1V1和右象素坐標(biāo)系C2U2V2中的坐標(biāo)分別為PC(U1，V1)和PC(U2，V2)。
以左攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換為例，從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系，有X1Y2Z3=RXwYwZw+T...(1)]]>
其中旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T分別為R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9,T=t1t2t3]]>從攝像機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系，有Xa=fa·X1Z1,Ya=fa·Y1Z1...(2)]]>從圖像坐標(biāo)系到象素坐標(biāo)系，有U1＝U01+Xa/dx V1＝V01+Ya/dy (3)式中，(U01，V01)為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在象素坐標(biāo)系中的象素坐標(biāo)，其近似值為圖像中心象素坐標(biāo)；dx，dy傳感器相鄰象素之間X方向和Y方向的距離。
其中，R、T、fa、(U01，V01)、dx，dy均為系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，可以在標(biāo)定中獲得。
同理可得到世界坐標(biāo)系向右攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式，左右得到的結(jié)果相互比較驗(yàn)證，完成同名點(diǎn)的匹配，接著執(zhí)行步驟S14。
在步驟S14中，根據(jù)所述各測(cè)量空間的各像點(diǎn)空間坐標(biāo)及所述函數(shù)關(guān)系計(jì)算相應(yīng)各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)以獲得所述待測(cè)量巖石表面的三維形貌，參考圖5，R為參考平面，即當(dāng)被測(cè)巖石表面為絕對(duì)平整的面，C為CCD攝像機(jī)鏡頭光心，P為投影系統(tǒng)鏡頭光心，G為投影光柵。H為被測(cè)物體上的任一點(diǎn)，其在參考面上的投影為H’，線段HH′的長(zhǎng)度為h，即H的高度。A、B點(diǎn)分別是H點(diǎn)與兩光心連線和參考面的交點(diǎn)。入射光線照射到參考平面R上的A點(diǎn)，放上被測(cè)物體后，該光線照射到被測(cè)巖石表面的H點(diǎn)，此時(shí)從成象面觀察，A點(diǎn)就移到新的位置B點(diǎn)，距離AB就攜帶了高度信息h(xy)，即受到了表面形狀的調(diào)制。因此，將光柵投影到被測(cè)巖石表面，由于受表面形狀調(diào)制而發(fā)生變形，表現(xiàn)為參考面上A、B點(diǎn)的位置函數(shù)，該函數(shù)與系統(tǒng)的幾何參數(shù)有關(guān)，即和攝像機(jī)光心到參考面的距離l、投影系統(tǒng)光心與攝像機(jī)光心的距離d有關(guān)。
由于ΔHBA與ΔHCP相似，所以有下式成立
h(x,y)=l·AB‾d+AB‾...(4)]]>Z1＝h(x)+C(5)由(4)式獲得了待測(cè)巖石表面距離參考面的高度信息，可由(5)式計(jì)算出Z1和Z2的值，再聯(lián)合公式(3)、(2)、(1)的逆函數(shù)，可以獲得待測(cè)巖石表面的三維信息(6)，接著執(zhí)行步驟S15。
XwYwZw=(U1-U01)·dx·Z1(V1-V01)·dy·Z1Z1·R-1-T·R-1...(6)]]>在步驟S15中，判斷是否需要對(duì)所述待測(cè)量物體的表面進(jìn)行測(cè)量空間的進(jìn)一步劃分，若是則執(zhí)行步驟S16，否則結(jié)束。例如，在對(duì)巖石表面的測(cè)量過(guò)程中，為提高對(duì)巖石表面形貌的測(cè)量精度，通常采用4相位測(cè)量法，即需要分別采用0度、90度、180度及270度相位的光柵對(duì)巖石表面進(jìn)行測(cè)量，因此在本實(shí)施方式中，顯然仍需要對(duì)巖石的表面進(jìn)行測(cè)量空間的進(jìn)一步劃分。
在步驟S16中，調(diào)整所述光柵的相位，即將所述光柵的相位調(diào)整一定角度，然后執(zhí)行步驟S12。
綜上所述，本發(fā)明的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法通過(guò)采用光柵對(duì)待測(cè)量物體的表面進(jìn)行測(cè)量空間的劃分后獲得相應(yīng)各測(cè)量空間的像點(diǎn)空間坐標(biāo)，然后根據(jù)預(yù)先建立的像點(diǎn)坐標(biāo)和實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)測(cè)量空間的實(shí)際空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到待測(cè)量巖石表面的三維形貌特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石表面形貌的自動(dòng)測(cè)量。
權(quán)利要求
1)一種巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征在于包括步驟2)根據(jù)參照物的實(shí)際空間方位坐標(biāo)與至少兩攝像機(jī)拍攝的所述參照物圖像的像點(diǎn)空間坐標(biāo)建立像點(diǎn)與實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系；3)將具有預(yù)設(shè)相位的光柵所形成的柵格投射至待測(cè)量的物體以將所述待測(cè)量的巖石表面劃分為多個(gè)測(cè)量空間；4)所述至少兩攝像機(jī)拍攝已被分割為多個(gè)測(cè)量空間的所述待測(cè)量的巖石表面的圖像；5)將所述至少兩攝像機(jī)各自所拍攝的圖像的像點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)的匹配以獲得各測(cè)量空間在各拍攝的圖像中的相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)；6)根據(jù)所述各測(cè)量點(diǎn)的各像點(diǎn)空間坐標(biāo)及所述函數(shù)關(guān)系計(jì)算相應(yīng)各測(cè)量空間的實(shí)際空間坐標(biāo)以獲得所述待測(cè)量巖石表面的三維形貌。
2.如權(quán)利要求1所述的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征在于還包括步驟(1)判斷是否需要對(duì)所述待測(cè)量物體的表面重新進(jìn)行測(cè)量空間的劃分，若是則改變所述柵格的相位，然后重復(fù)步驟3)和步驟4)。
3.如權(quán)利要求1所述的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征在于所述參照物為標(biāo)定塊上的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，其特征在于所述柵格具有離散二進(jìn)制編碼信息。
全文摘要
一種巖石表面三維形貌的測(cè)量方法，首先根據(jù)參照物的實(shí)際空間方位坐標(biāo)與至少兩攝像機(jī)拍攝的所述參照物圖像的像點(diǎn)空間坐標(biāo)建立像點(diǎn)與實(shí)際空間坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，然后將具有預(yù)設(shè)相位的光柵所形成的柵格投射至待測(cè)量的巖石以將所述待測(cè)量的巖石表面劃分為多個(gè)測(cè)量空間，再拍攝已被劃分為多個(gè)測(cè)量空間的所述待測(cè)量的巖石表面的圖像，并將所拍攝的各圖像的像點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)的匹配以獲得各測(cè)量空間在各拍攝的圖像中的相應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，最后根據(jù)所述各測(cè)量空間的各像點(diǎn)空間坐標(biāo)及所述函數(shù)關(guān)系計(jì)算相應(yīng)各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)，如此可自動(dòng)快速有效的獲得待測(cè)量巖石表面的三維形貌特征。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101033950SQ20071003911
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者夏才初, 王偉, 丁增志, 湯淵, 劉遠(yuǎn)明, 顧翠蓮, 汪謀, 曹詩(shī)定 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)