基于機器視覺的遠(yuǎn)程三維掃描系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機器視覺領(lǐng)域，具體涉及一種基于機器視覺的遠(yuǎn)程三維掃描方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)外越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān) 注。隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展，一些相關(guān)技術(shù)也相繼出現(xiàn)或在原有基礎(chǔ)上有了長足進(jìn)步。虛 擬現(xiàn)實、數(shù)字城市、數(shù)字博物館、逆向工程等新名詞相繼出現(xiàn)并開始進(jìn)入應(yīng)用階段。這些技 術(shù)都不可或缺的需要進(jìn)行三維幾何建模，而傳統(tǒng)的Aut 〇CAD、3D Max、MAYA等建模工具已經(jīng) 逐漸不能勝任人們對復(fù)雜曲面物體的建模需要，由此三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運而生。尤其是 隨著逆向工程的發(fā)展，尋找一個能夠快速獲取三維信息的設(shè)備成為研究領(lǐng)域的熱點。三維 激光掃描技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，以其快速、精確、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領(lǐng) 域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，推動了各個領(lǐng)域工作新方法〇的開展。
[0003] 三維激光掃描是從復(fù)雜實體或?qū)嵕爸蝎@取目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)及模型，主要是獲取目 標(biāo)的線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)并進(jìn)行高精度的三維逆向建模，它區(qū)別于傳統(tǒng)的單點 定位測量及點線測繪技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)集光、機、電等各種技術(shù)于一身，它是從傳統(tǒng) 測繪計量技術(shù)并經(jīng)過精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來的，是對 多種傳統(tǒng)測繪技術(shù)的概括及一體化。
[0004] 激光三維掃描儀作為逆向工程中獲取三維信息的主要設(shè)備，在文物保護(hù)、虛擬現(xiàn) 實、影視特技、工業(yè)生產(chǎn)、刑事偵查、三維傳真和雕塑制作等領(lǐng)域三維掃描技術(shù)都己經(jīng)開始 投入應(yīng)用。而在某些特殊場合，三維掃描儀還具有獨特的、不可替代的作用。比如測量比 較柔軟的物體，用傳統(tǒng)的接觸測量方法，很可能在測量時使物體變形，從而使測量結(jié)果不精 確。而許多非接觸式的三維掃描儀以激光為測量媒質(zhì)，不會引起物體表面的變形和損傷。
[0005] 目前，國內(nèi)外學(xué)者研究出大量獲取物體三維點云數(shù)據(jù)的方法和技術(shù)，但存在著各 種各樣的不足和缺陷：
[0006] 1、掃描條件苛刻，很多三維掃描設(shè)備采用主動視覺的方法進(jìn)行掃描，利用照明光 源中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息，根據(jù)光線的畸變程度來恢復(fù)物體的深度信 息，這種方法對光線的依賴嚴(yán)重，容易受到環(huán)境光的影響，需對掃描時的光線環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格 控制，以提高掃描質(zhì)量，例如：德國Steinbichler公司生產(chǎn)的Coment光學(xué)照相系統(tǒng)，它將一 系列柵格化光投射到被測物體表面，需在較暗的環(huán)境中工作。
[0007] 2、三維點計算速度慢，基于單幅圖像或立體視覺的三維掃描設(shè)備，往往需要大量 的計算工作，例如：使用雙目攝像機進(jìn)行三維信息的采集，其原理是雙目立體視差法，利用 拍攝到的多組對應(yīng)的物體圖像對，采用對應(yīng)點的視差來計算物體的立體信息，這些方法都 是利用平行雙目獲取物體三維信息的，但實際中很難保證雙目的平行性，并且計算特征點 和匹配點的算法往往復(fù)雜度較高，會占用大量的時間。
[0008] 3、掃描精度低，大多數(shù)設(shè)備對環(huán)境光的魯棒性不強，使用到的設(shè)備本身也存在一 定的誤差，若不對系統(tǒng)采取硬件或者軟件的措施，很難保證掃描的精度。
[0009] 4、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴，對環(huán)境要求較低且掃描性能較好的設(shè)備往往會采用 附加的硬件和軟件來削弱環(huán)境光的影響和提高計算精度，勢必會使得三維掃描儀的結(jié)構(gòu)復(fù) 雜且價格昂貴，例如Jens Schlemper等提出的可在室外使用的三維掃描設(shè)備，體積約為 lm*0. 5m*0. 4m，造價約為80萬元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服上述現(xiàn)有三維掃描設(shè)備的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于構(gòu)建一套能在 自然環(huán)境下使用的、性能良好、精度較高、結(jié)構(gòu)簡單且價格低廉的三維掃描設(shè)備，和利用該 設(shè)備進(jìn)行三維掃描的方法。本發(fā)明基于機器視覺原理，設(shè)計了一套三維掃描硬件設(shè)備并開 發(fā)了一套配套的軟件系統(tǒng)，包括圖像采集部分、攝像機焦距標(biāo)定部分、系統(tǒng)標(biāo)定部分、圖像 處理部分和三維點云獲取部分，可在自然光下完成對物體的三維掃描工作，精度較高速度 較快。
[0011] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種基于機器視覺的遠(yuǎn)程三維掃描系統(tǒng)，包括攝像機，攝像機設(shè)置一對，安裝在水 平的支架上，并使兩個攝像機的光軸相互平行且平行于水平面；兩個攝像機通過交換機連 接至計算機系統(tǒng)；掃描物放置在兩個攝像機前方的公共視野區(qū)域內(nèi)，利用激光器勻速掃射 掃描物；該掃描系統(tǒng)還包括標(biāo)定板和設(shè)置在標(biāo)定板上的標(biāo)定光源；
[0013] 所述的計算機系統(tǒng)包括依次連接的圖像采集模塊、攝像機焦距標(biāo)定模塊、系統(tǒng)標(biāo) 定模塊、圖像處理模塊和三維點云獲取模塊，其中：
[0014] 圖像采集模塊，利用攝像機進(jìn)行實時圖像采集；
[0015] 攝像機焦距標(biāo)定模塊，利用標(biāo)定板完成攝像機焦距參數(shù)的標(biāo)定；標(biāo)定板在平行于 攝像機光軸的方向上運動，攝像機在標(biāo)定板的不同位置拍攝兩幅圖像，利用兩幅圖像及位 移距離的幾何關(guān)系，計算得到攝像機焦距參數(shù)；
[0016] 系統(tǒng)標(biāo)定模塊，利用兩個攝像機獲得的標(biāo)定板的圖像，根據(jù)投影關(guān)系和反對稱矩 陣、羅德里格矩陣性質(zhì)，求得攝像機的平移旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0017] 圖像處理模塊，在激光器掃射掃描物的過程中，對圖像采集模塊采集到的兩個攝 像機拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并利用光條圖像上的光強極值點附近所有點的光強信息，實 現(xiàn)兩幅圖像中光條的提?。?br>[0018] 三維點云獲取模塊，利用系統(tǒng)標(biāo)定模塊求得的平移旋轉(zhuǎn)矩陣，可在圖像處理模塊 提取到的光條中心中，找到變換前后光條中心的匹配點，作為匹配點對；利用匹配點對與兩 攝像機光軸中心，及其形成的兩直線，計算得到的交點為實際掃描物點的三維點坐標(biāo)。
[0019] 進(jìn)一步地，所述的攝像機的分辨率不低于1280X960像素，幀頻不低于25fps，在 每一個攝像機的鏡頭與機身之間均依次加入普通濾光片和窄帶濾光片，其中窄帶濾光片中 心波長為980nm，直徑為18mm，半帶寬為5nm，截止波長為400-1100nm，中心波長通透率大于 80% ;普通濾光片直徑為18mm，400-760nm截止，800nm-1100nm高透，厚度為2mm，透過率為 92%〇
[0020] 進(jìn)一步地，所述的標(biāo)定板包括板體，所述的標(biāo)定光源采用激光二極管，在板體上呈 十字形分布五個激光二極管，激光二極管中心波長為980nm，功率為lOOmw，工作電壓為2V， 工作溫度為-10~40 °C，中心波長透過率大于80%。
[0021] 一種基于機器視覺的遠(yuǎn)程三維掃描方法，包括以下步驟：
[0022] 步驟一，準(zhǔn)備過程
[0023] 打開兩個攝像機，判斷攝像機的工作狀態(tài)，當(dāng)兩個攝像機同時正常采集圖像時，進(jìn) 行下一步；兩個攝像機分別記為左攝像機和右攝像機；
[0024] 步驟二，攝像機焦距標(biāo)定
[0025] 分別對兩個攝像機焦距進(jìn)行標(biāo)定，得到兩個攝像機標(biāo)定后的焦距；
[0026] 步驟三，系統(tǒng)標(biāo)定
[0027] 利用兩個攝像機和標(biāo)定板，得到兩個攝像機的平移旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0028] 步驟四，圖像處理
[0029] 步驟S401，將掃描物放置在支架前方，使掃描物處于兩個攝像機前方的公共視野 區(qū)域內(nèi)，打開激光器，手持或使用步進(jìn)電機勻速帶動激光器以轉(zhuǎn)動的方式勻速掃射掃描物， 使激光器的激光光條垂直打在掃描物上，利用兩個攝像機分別獲取一副圖像，記為左、右光 條圖像，利用中值濾波的方法對兩幅激光光條圖像進(jìn)行去噪處理；
[0030] 步驟S402,將兩幅激光光條圖像灰度化，通過下式計算左光條圖像中的左光條的 中心位置，以及右光條圖像中的右光條的中心位置：
[0031]
[0032] 上式中，I (i)是第i列的光強，列光強最大的位置為￥_沽為在Yniax的左右各取點 的個數(shù)；
[0033] 設(shè)列光強最大點的灰度為gnax，設(shè)自適應(yīng)閾值t為：
[0034]
[0035] 上式中，e = 10~15,若計算出的光條中心位置C的亮度值大于t，則認(rèn)為該點為 激光光條中心點，由此可得到兩幅光條圖像的激光光條的中心位置，記為左光條中心和右 光條中心；
[0036] 步驟五，三維點云獲取
[0037] 步驟S501，根據(jù)步驟三求得的平移旋轉(zhuǎn)矩陣，計算出左光條中心和右光條中心的 實際三維坐標(biāo)；遍歷左光條中心的每一個點，根據(jù)步驟二得到的攝像機焦距標(biāo)定結(jié)果，將左 光條中心的點變換到左攝像機三維坐標(biāo)系之下，遍歷右光條中心的每一個點，將右光條中 心的點變換到右攝像機三維坐標(biāo)系之下；
[0038] 步驟S502,利用系統(tǒng)標(biāo)定得到的平移旋轉(zhuǎn)矩陣，計算右光條中心中的點在左光條 中心的對應(yīng)點，兩點構(gòu)成匹配點對；
[0039] 步驟S503,在所有的匹配點對中，選取一對匹配點對；匹配點對中，右光條中心的 點稱為右匹配點，右光條中心的點在左光條中心的對應(yīng)點稱為左匹配點，計算左攝像機光 心點與左匹配點構(gòu)成的直線，和右攝像機光心點與右匹配點構(gòu)成的直線；
[0040] 步驟S504,若步驟S503求得的兩條直線相交，則交點即為掃描物表面實際三維點 坐標(biāo)；若兩條直線不相交，則取兩條直線公垂線的中點作為掃描物表面實際三維點坐標(biāo)。
[0041] 進(jìn)一步地，步驟二中攝像機焦距標(biāo)定的過程包括：
[0042] 步驟S201，將標(biāo)定板垂直于攝像機光軸方向放置在攝像機的視野之內(nèi)，打開標(biāo)定 板的標(biāo)定光源，調(diào)整標(biāo)定板的位置，記標(biāo)定光源所在位置為標(biāo)定點，使標(biāo)定板中心的標(biāo)定點 與攝像機捕獲到的圖像中心重合，保存此時攝像機采集到的圖像為標(biāo)定圖像一；
[0043] 步驟S202,記錄此時攝像機所在的位置為攝像機位置一，和標(biāo)定板所在的位置；
[0044] 步驟S20