一種三維測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種三維測量系統(tǒng)，包括：雙目相機(jī)：其功能為采用二維標(biāo)定靶對其進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)之間的空間外參數(shù)及兩個相機(jī)各自的內(nèi)參數(shù)，從而為三維重構(gòu)提供必要的參數(shù)；光柵干涉投影裝置：用以將光影投射到光柵上產(chǎn)生干涉條紋后投射于被測物。本實用新型采用了激光作為光源，通過光學(xué)光柵完成周期性干涉條紋的產(chǎn)生，相對于以往的方法，其擁有更高的光學(xué)細(xì)分，因此具有可達(dá)到更高的測量精度，同時也為該周期性條紋研究了相應(yīng)的相位解包裹算法和無特征點的三維拼接算法，從而使得該測量系統(tǒng)測量精度更高，同時使用更加方便。
【專利說明】一種三維測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及三維測量技術(shù)，具體涉及一種三維測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，武器裝備向精密化、精確化、智能化方向發(fā)展。武器部件更加精密且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量方法已逐漸難以滿足發(fā)展的需要，以光電技術(shù)為基礎(chǔ)的視覺測量方法已被應(yīng)用于實際的科研工作中。
[0003]視覺測量系統(tǒng)最先來源于攝影測量和立體視覺技術(shù)，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，攝影測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了視覺測量技術(shù)。立體圖像法或立體視覺測量法，七十年代末Marr創(chuàng)立的視覺計算機(jī)理論對立體視覺技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，隨后，立體視覺技術(shù)得到了迅速發(fā)展并在軍事裝備研制領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。
[0004]當(dāng)前密集點視覺測量方法中通常基于相位輪廓術(shù)原理，現(xiàn)有的系統(tǒng)采用數(shù)字光柵投影系統(tǒng)產(chǎn)生條紋，其條紋的精密度有些低，從而限制了其測量精度的進(jìn)一步的提高，對測量物表面材料敏感，同時需要人工布置標(biāo)志點從而完成三維圖像的拼接。
[0005]根據(jù)測量原理，只要承載高度信息的光柵條紋的精密度高于所需的測量精度，其才可能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)的測量精度。
[0006]目前已經(jīng)被軍事科研實際應(yīng)用的三維測量技術(shù)分為兩類:接觸式測量與非接觸式測量。接觸式一般采用三坐標(biāo)測量機(jī)，目前仍是典型的標(biāo)準(zhǔn)三維測量設(shè)備，但價格昂貴、速度慢、特別是物體形狀復(fù)雜時，測頭路徑規(guī)劃不易實現(xiàn)。由于計算機(jī)視覺與圖像檢測這一新興學(xué)科的興起和發(fā)展，對物體面形的三維檢測技術(shù)的研究近年來集中于非接觸的光學(xué)三維測量方面，常用的簡述如下:
[0007]基于結(jié)構(gòu)光的三維視覺測量技術(shù)是非接觸式三維測量技術(shù)中最常用的。它是一種依據(jù)攝影測量和三角法測量原理為基礎(chǔ)，既利用圖像作為信息載體又利用可控光源的測量技術(shù)。
[0008]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足新的需要，發(fā)達(dá)國家的軍用裝備研究單位已將視覺測量技術(shù)運用于實際的研發(fā)工作中，并取得了較好的效果。國內(nèi)一些科研單位及公司也進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，并開發(fā)了自己的產(chǎn)品，但在測量精度、抗干擾性及圖像拼接方面尚存在一定的差距。目前其進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙在于投射的光柵條紋的精細(xì)度，相位解算方法的準(zhǔn)確性以及其抗干擾能力等方面。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型針對上述問題，提供一種三維測量系統(tǒng)。
[0010]本實用新型采用技術(shù)方案為:一種三維測量系統(tǒng)，包括:
[0011]雙目相機(jī):其功能為采用二維標(biāo)定靶對其進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)之間的空間外參數(shù)及兩個相機(jī)各自的內(nèi)參數(shù)，從而為三維重構(gòu)提供必要的參數(shù)；
[0012]光柵干涉投影裝置:用以將光影投射到光柵上產(chǎn)生干涉條紋后投射于被測物；[0013]所述光柵干涉投影裝置包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、光柵、兩個透鏡組成的透鏡組、第一棱鏡、第二棱鏡、第一反射鏡及第二反射鏡；激光器通過分光鏡被分為兩路，經(jīng)過光柵后分別經(jīng)過兩個透鏡投射于第一棱鏡、第二棱鏡后相干涉形成干涉條紋，然后投射到第一反射鏡后，經(jīng)過反射后再投射到第二反射鏡，再次反射后投射到被測的部件上。
[0014]本實用新型的優(yōu)點:
[0015]1、為了達(dá)到高精度的光學(xué)細(xì)分，設(shè)計了新的光柵干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)分光鏡后分成了同頻的光波，然后分別經(jīng)過了起偏器后投射到光柵上產(chǎn)生高精度的光學(xué)細(xì)分。這兩路信號中普遍存在著非正交誤差、不等幅誤差和直流電平漂移誤差，這些誤差的存在嚴(yán)重地影響了測量結(jié)果的精度。為了克服這些誤差，產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉，提出了以Heydemann模型為基礎(chǔ)的誤差修正方法，設(shè)計了核心的電路補(bǔ)償模塊，對此三種誤差進(jìn)行了動態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而實現(xiàn)了高精度微米級干涉波，甚至可以產(chǎn)生納米級光學(xué)細(xì)分。
[0016]2、針對偏振激光干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的周期條紋，提出了新的任意周期波解包裹算法。偏振激光干涉系統(tǒng)產(chǎn)出的微米條紋存在周期性，但已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的簡單正弦波，目前的相位輪廓術(shù)中的解包裹算法都是基于簡單正弦波，通過多頻外差的算法得到相位值。然而為了達(dá)到更高的測量精度及實現(xiàn)高抗噪性，采用偏振激光干涉系統(tǒng)產(chǎn)生條紋，該條紋不具備簡單正弦波的特性，因此為了實現(xiàn)同樣的相位解包裹功能，提出了基于傅立葉公式的多級任意周期波解包裹算法，解決了當(dāng)前受正弦波限制的問題，同時該算法具有廣闊的適用性。
[0017]3、針對現(xiàn)有的三維圖像拼接方法存在的借助人工標(biāo)志點及運算量大的問題，提出了新的三維圖形拼接算法，該算法以虛擬標(biāo)志點為原始點，以方向矢量為搜索要素，有效地提高了搜索的速度與準(zhǔn)確性。該算法不需要傳統(tǒng)的人工貼點，可以實現(xiàn)非接觸的三維圖像拼接。
[0018]除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本實用新型還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進(jìn)一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。
[0020]圖1是本實用新型的一種三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本實用新型的光柵干涉投影裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本實用新型的一種三維測量系統(tǒng)的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]參考圖1,如圖1所示的一種三維測量系統(tǒng)，包括:
[0025]雙目相機(jī):其功能為采用二維標(biāo)定靶對其進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)之間的空間外參數(shù)及兩個相機(jī)各自的內(nèi)參數(shù)，從而為三維重構(gòu)提供必要的參數(shù)；[0026]光柵干涉投影裝置:用以將光影投射到光柵上產(chǎn)生干涉條紋后投射于被測物；
[0027]所述光柵干涉投影裝置包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、光柵、兩個透鏡組成的透鏡組、第一棱鏡、第二棱鏡、第一反射鏡及第二反射鏡；激光器通過分光鏡被分為兩路，經(jīng)過光柵后分別經(jīng)過兩個透鏡投射于第一棱鏡、第二棱鏡后相干涉形成干涉條紋，然后投射到第一反射鏡后，經(jīng)過反射后再投射到第二反射鏡，再次反射后投射到被測的部件上。
[0028]參考圖2，如圖2所示的一種三維測量系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
[0029]SI，采用二維標(biāo)定靶標(biāo)定方法對雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；
[0030]S2，光柵干涉投影裝置的使用；
[0031]S3，非簡單正弦周期條紋相位解包裹算法的處理；
[0032]S4，建立立體視覺共線方程，解算三維坐標(biāo)值；
[0033]S5，無特征點的三維圖像拼接處理。
[0034]所述步驟SI具體為:采用經(jīng)典的基于平面靶標(biāo)的二維標(biāo)定靶標(biāo)定方法對雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，采用圓點形替代傳統(tǒng)的角點形標(biāo)定板以提高標(biāo)定精度，通過多次實驗給出統(tǒng)計的標(biāo)定參數(shù)；得到相機(jī)之間的空間外參數(shù)及兩個相機(jī)各自的內(nèi)參數(shù)，從而為三維重構(gòu)提供必要的參數(shù)；雙目相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計采用可調(diào)節(jié)視場大小的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而使得雙目相機(jī)達(dá)到最佳的視場重合。
[0035]所述步驟S2具體為:所述光柵干涉投影裝置將激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)分光鏡后分成了同頻的光波，然后分別經(jīng)過起偏器后投射到光柵上產(chǎn)生高精度的光學(xué)細(xì)分；所述光柵干涉投影裝置投射一定光柵圖像到被測部件表面上，光柵將被測部件的外形調(diào)制而得到相位移動的光柵圖像；為了克服這兩路信號中普遍存在的非正交誤差、不等幅誤差和直流電平漂移誤差影響測量結(jié)果的精度的問題，以Heydemann模型為基礎(chǔ)做誤差修正，設(shè)計核心的電路補(bǔ)償模塊，對此三種誤差進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而實現(xiàn)高精度微米級干涉波，產(chǎn)生納米級光學(xué)細(xì)分。
[0036]所述步驟S3具體為:為了達(dá)到更高的測量精度及實現(xiàn)高抗噪性，采用光柵干涉投影裝置產(chǎn)生條紋，該條紋不具備簡單正弦波的特性，因此為了實現(xiàn)相位解包裹功能，采用基于傅立葉公式的多級任意周期波解包裹算法，解決當(dāng)前受正弦波限制的問題，從而解算圖像的相位，進(jìn)而實現(xiàn)圖像間的匹配。
[0037]在實際應(yīng)用中，一些部件不允許布置人工標(biāo)志點，因此需要研究無特征點的三維圖像拼接問題，現(xiàn)有的方法通常基于ICP算法，該方法存在搜索速度慢，容易陷入局部最小點等問題，需采用新的三維圖形拼接算法。
[0038]所述步驟S5具體為:針對現(xiàn)有的三維圖像拼接方法存在的借助人工標(biāo)志點及運算量大的問題，采用新的三維圖形拼接算法，該算法以虛擬標(biāo)志點為原始點，以方向矢量為搜索要素，不需要傳統(tǒng)的人工貼點，利用三維圖像自身的圖像特征，實現(xiàn)非接觸的無特征點的三維圖像拼接，形成完成的三維圖，實現(xiàn)三維重構(gòu)，提高搜索的速度與準(zhǔn)確性。
[0039]本實用新型采用了激光作為光源，通過光學(xué)光柵完成周期性干涉條紋的產(chǎn)生，相對于以往的方法，其擁有更高的光學(xué)細(xì)分，因此具有可達(dá)到更高的測量精度，同時也為該周期性條紋研究了相應(yīng)的相位解包裹算法和無特征點的三維拼接算法，從而使得該測量系統(tǒng)測量精度更高，同時使用更加方便。
[0040]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三維測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 雙目相機(jī):其功能為采用二維標(biāo)定靶對其進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)之間的空間外參數(shù)及兩個相機(jī)各自的內(nèi)參數(shù)，從而為三維重構(gòu)提供必要的參數(shù)； 光柵干涉投影裝置:用以將光影投射到光柵上產(chǎn)生干涉條紋后投射于被測物； 所述光柵干涉投影裝置包括激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、光柵、兩個透鏡組成的透鏡組、第一棱鏡、第二棱鏡、第一反射鏡及第二反射鏡；激光器通過分光鏡被分為兩路，經(jīng)過光柵后分別經(jīng)過兩個透鏡投射于第一棱鏡、第二棱鏡后相干涉形成干涉條紋，然后投射到第一反射鏡后，經(jīng)過反射后再投射到第二反射鏡，再次反射后投射到被測的部件上。
【文檔編號】G01B11/25GK203824531SQ201420243248
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】秦品樂, 王運龍, 孟賢玉 申請人:青島三友智控科技有限公司