本發(fā)明屬于三維測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大型物體三維建模系統(tǒng)及方法，特別是一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

在工業(yè)生產(chǎn)中，往往有很多大型工件，例如船舶外板、船舶曲面分段、飛機(jī)外殼等，在生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要獲取這些大型工件的三維形狀。獲取大型物體的三維數(shù)據(jù)的基本思路是：分別獲取局部區(qū)域的三維數(shù)據(jù)，然后拼接局部數(shù)據(jù)，形成完成的數(shù)據(jù)。目前的三維形狀獲取方法，主要包括以下幾種。一是采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)適合于獲取小型物體的三維形狀，速度快、精度高，但在測(cè)量大型物體時(shí)，局部建模結(jié)果拼接問(wèn)題仍然無(wú)法有效解決，往往存在較大誤差。二是采用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，激光測(cè)量技術(shù)在測(cè)量大型物體時(shí)，雖然精度較高，但是速度較慢。

文獻(xiàn)“三維點(diǎn)云對(duì)齊中基于結(jié)構(gòu)光立體成像的基準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)(Three-dimensional point cloud alignment detecting fiducial markers by structured light stereo imaging)”【Barone,S.,Paoli,A.,Razionale,A.V.:Three-dimensional point cloud alignment detecting fiducial markers by structured light stereo imaging.Mach.Vis.Appl.23(2),217–229(2012)】，公開(kāi)了一種測(cè)量大型物體的方法，該方法首先在被測(cè)的大型物體表面粘貼標(biāo)記，然后利用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀逐次測(cè)量局部數(shù)據(jù)，再根據(jù)標(biāo)記將局部數(shù)據(jù)拼接在一起后完成整體測(cè)量。但是這種方法，存在以下缺陷：一是需要手工方式粘貼標(biāo)記，并且對(duì)于加工中船舶外板類(lèi)工件，由于表面溫度較高，貼標(biāo)記比較困難。二是建模不能一次完成，需分多次測(cè)量，然后拼接，致使整個(gè)建模過(guò)程操作復(fù)雜，效率低下，測(cè)量精確度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模系統(tǒng)及方法，無(wú)需在被建模物體表面手工貼標(biāo)記，可一次性完成大型物體的三維形狀建模與測(cè)量，效率高，簡(jiǎn)便易行，測(cè)量精確度高。

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模系統(tǒng)，其特征在于，包括：

一臺(tái)含有兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和一個(gè)投影儀的三維掃描儀、多臺(tái)立體跟蹤器、分別設(shè)置于被測(cè)大型物體兩側(cè)的兩條互為平行的導(dǎo)軌、一臺(tái)GPU服務(wù)器；

所述的三維掃描儀設(shè)置于一個(gè)支架上，所述支架可沿導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；

所述的多臺(tái)立體跟蹤器，通過(guò)各自的支承件沿被測(cè)大型物體一側(cè)導(dǎo)軌的外側(cè)縱向依次間隔放置；每臺(tái)立體跟蹤器設(shè)置有兩個(gè)工業(yè)相機(jī)；

所述的三維掃描儀和每臺(tái)立體跟蹤器上均安裝有多個(gè)LED標(biāo)記；

所述的工業(yè)相機(jī)和投影儀分別通過(guò)千兆網(wǎng)線(xiàn)和USB接口連接到所述的GPU服務(wù)器；

所述的系統(tǒng)通過(guò)所述的三維掃描儀依次測(cè)量物體的各局部區(qū)域，利用多臺(tái)立體跟蹤器定位三維掃描儀的姿態(tài)，然后拼接所述的三維掃描儀依次測(cè)量物體的各局部形狀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大型物體的三維形狀建模。

所述的多臺(tái)立體跟蹤器從距離所述的三維掃描儀最近處，依次分別標(biāo)記為：T₁，T2，…T_k，其放置原則是：所述的立體跟蹤器T_k-1可以看到立體跟蹤器T_k上的所有LED標(biāo)記；所述的k∈{2，…，n}。

所述的n個(gè)立體跟蹤器按順序放置后，位置固定不動(dòng)。

所述的立體跟蹤器T₁上不安裝LED標(biāo)記。

本發(fā)明的一種基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)三維掃描儀安放在支架上，支架安裝于平行導(dǎo)軌上，可以沿導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；在三維掃描儀上，安裝多個(gè)發(fā)光LED標(biāo)記，作為被跟蹤標(biāo)記；

(2)沿被測(cè)大型物體一側(cè)導(dǎo)軌的外側(cè)，縱向依次間隔放置多個(gè)立體跟蹤器，令T_k表示第k個(gè)立體跟蹤器，所述的k∈{2，…，n}；在立體跟蹤器T_k上安裝多個(gè)LED標(biāo)記，但立體跟蹤器T₁上不安裝LED標(biāo)記。所述的多臺(tái)立體跟蹤器放置原則是：所述的立體跟蹤器T_k-1可以看到立體跟蹤器T_k上的所有LED標(biāo)記。

所述的n個(gè)立體跟蹤器按順序放置后，位置固定不動(dòng)。

(3)在建模大型物體之前，對(duì)三維掃描儀和立體跟蹤器T_k上的LED標(biāo)記進(jìn)行檢測(cè)、匹配和標(biāo)定，從而計(jì)算立體跟蹤器的姿態(tài)；

(4)開(kāi)始測(cè)量大型物體時(shí)，T₁為工作立體跟蹤器；三維掃描儀的投影儀向物體投射特殊紋理圖像，工業(yè)相機(jī)拍攝投影儀所投影區(qū)域的照片，并將照片傳至GPU服務(wù)器，在GPU服務(wù)器上重建大型物體的局部三維數(shù)據(jù)；

(5)三維掃描儀沿導(dǎo)軌向前移動(dòng)，重建被測(cè)大型物體的下一個(gè)局部三維數(shù)據(jù)；立體跟蹤器T_k將依次檢測(cè)到三維掃描儀的出現(xiàn)，從而成為工作跟蹤器；

(6)當(dāng)T_k變成工作跟蹤器后，T_k采用KLT跟蹤算法，跟蹤三維掃描儀上LED標(biāo)記的移動(dòng)，從而計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)；

(7)根據(jù)三維掃描儀姿態(tài)，拼接局部測(cè)量數(shù)據(jù)；重復(fù)步驟(4)—(7)，直到整個(gè)被測(cè)大型物體建模結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1.本發(fā)明以結(jié)構(gòu)光三維掃描儀為基本測(cè)量單元，利用多個(gè)立體跟蹤器構(gòu)建拼接現(xiàn)場(chǎng)、跟蹤三維掃描儀的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)，拼接三維掃描儀獲取的局部建模數(shù)據(jù)，完成大型物體的三維形狀建模。本發(fā)明不用接觸物體表面，能自動(dòng)、及時(shí)、方便、精確地獲取大型物體三維形狀，其建模范圍大、速度快、精度高、使用方便。

2.本發(fā)明不需要在被建模物體表面手工貼標(biāo)記，增加了系統(tǒng)的實(shí)用性，將為船舶外板制造、飛機(jī)外板制造、大型海洋工程裝備制造中的三維建模提供一種有效的手段。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。如圖1所示，一臺(tái)含有兩個(gè)工業(yè)相機(jī)1和一個(gè)高亮度投影儀2的三維掃描儀、多臺(tái)立體跟蹤器、分別設(shè)置于被測(cè)大型物體兩側(cè)的兩條互為平行的導(dǎo)軌4、一臺(tái)GPU服務(wù)器；

所述的三維掃描儀設(shè)置于一個(gè)支架6上，所述支架可沿導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；

所述的多臺(tái)立體跟蹤器，通過(guò)各自的支承件沿被測(cè)大型物體一側(cè)導(dǎo)軌的外側(cè)縱向依次間隔放置；每臺(tái)立體跟蹤器設(shè)置有兩個(gè)工業(yè)相機(jī)；

所述的三維掃描儀和每臺(tái)立體跟蹤器上均安裝有多個(gè)LED標(biāo)記3；

所述的工業(yè)相機(jī)和投影儀分別通過(guò)千兆網(wǎng)線(xiàn)和USB接口連接到所述的GPU服務(wù)器；工業(yè)相機(jī)的分辨率為500萬(wàn)像素以上、幀率15fps以上。

所述的系統(tǒng)通過(guò)所述的三維掃描儀依次測(cè)量物體的各局部區(qū)域，利用多臺(tái)立體跟蹤器定位三維掃描儀的姿態(tài)，然后拼接所述的三維掃描儀依次測(cè)量物體的各局部形狀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大型物體的三維形狀建模。

所述的多臺(tái)立體跟蹤器從距離所述的三維掃描儀最近處，依次分別標(biāo)記為：T₁，T2，…T_k，其放置原則是：所述的立體跟蹤器T_k-1可以看到立體跟蹤器T_k上的所有LED標(biāo)記；所述的k∈{2，…，n}。各立體跟蹤器一旦按順序放置后，位置即固定不動(dòng)。

圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于多立體跟蹤器的大型物體三維建模方法流程圖。如圖2所示，本實(shí)施例方法包括以下步驟：

(1)三維掃描儀安放在支架上，支架安裝于平行導(dǎo)軌上，可以沿導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；在三維掃描儀上，安裝m個(gè)發(fā)光LED標(biāo)記(m>12)，作為跟蹤標(biāo)記，每個(gè)LED標(biāo)記的功率為3瓦，可以發(fā)射出較強(qiáng)的光；

(2)沿被測(cè)大型物體一側(cè)導(dǎo)軌的外側(cè)，縱向依次間隔放置n個(gè)立體跟蹤器(n的值取決于建模物體的尺寸，以建模12米長(zhǎng)的物體為例，每隔4米放置一個(gè)立體跟蹤器，需要放置3個(gè)立體跟蹤器)，令T_k(k∈{2,..,n})表示第k個(gè)立體跟蹤器。在立體跟蹤器T_k(k∈{2,..,n})，上安裝m個(gè)LED標(biāo)記(m>12)，T₁不需要安裝LED標(biāo)記；放置立體跟蹤器時(shí)，要確保立體跟蹤器T_k-1可以看到立體跟蹤器T_k上的所有LED標(biāo)記；n個(gè)立體跟蹤器放置好后，位置固定不動(dòng)。

(3)在建模大型物體之前，針對(duì)三維掃描儀和立體跟蹤器T_k(k∈{2,..,n})上的LED標(biāo)記，采用SIFT(Scale-invariant feature transform)算法檢測(cè)、匹配LED標(biāo)記，并采用張正友的棋盤(pán)格標(biāo)定算法標(biāo)定LED標(biāo)記。根據(jù)標(biāo)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算立體跟蹤器T_k(k∈{2,..,n})的姿態(tài)(即相對(duì)于第一個(gè)立體跟蹤器T₁的位置)。因?yàn)榱Ⅲw跟蹤器T_k-1可以看到立體跟蹤器T_k上的所有LED標(biāo)記，因此，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，即可以計(jì)算出跟蹤器T_k-1和T_k之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。假設(shè)T_k-1和T_k之間變換關(guān)系為P_(k-1)k(是一個(gè)4行4列的坐標(biāo)變換矩陣)，則立體跟蹤器T_k的姿態(tài)可以用以下公式表示，姿態(tài)也是一個(gè)4行4列的坐標(biāo)變換矩陣：

(4)開(kāi)始測(cè)量大型物體時(shí)，T₁為工作立體跟蹤器，即T₁直接跟蹤三維掃描儀上的LED標(biāo)記，三維掃描儀的投影儀向物體投射特殊紋理圖像，工相機(jī)拍攝投影儀所投影區(qū)域的照片，并將照片傳至GPU服務(wù)器，在GPU服務(wù)器上重建大型物體的局部三維數(shù)據(jù)；

(5)三維掃描儀沿導(dǎo)軌向前移動(dòng)，重建被測(cè)大型物體的下一個(gè)局部三維數(shù)據(jù)；立體跟蹤器T_k將依次檢測(cè)到三維掃描儀的出現(xiàn)，從而成為工作跟蹤器；假設(shè)在時(shí)刻t，三維掃描儀的投影儀向物體投射特殊結(jié)構(gòu)光紋理圖像，工業(yè)相機(jī)拍攝投影區(qū)域的照片，并將照片傳至GPU服務(wù)器，利用結(jié)構(gòu)光算法和三角測(cè)量算法，重建大型物體的局部三維數(shù)據(jù)，假設(shè)t時(shí)刻，局部三維數(shù)據(jù)用X_t表示；

(6)如果立體跟蹤器T_k(k∈{2,..,n})，檢測(cè)到三維掃描儀，T_k便成為工作跟蹤器，取代前一個(gè)立體跟蹤器。當(dāng)T_k變成工作跟蹤器后，T_k采用KLT(Kanade-Lucas-Tomasi)跟蹤算法，跟蹤三維掃描儀上LED標(biāo)記的移動(dòng)，從而計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)Q_S。三維掃描儀沿導(dǎo)軌向前推進(jìn)，對(duì)大型物體的下一個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行建模。

(7)根據(jù)立體跟蹤器的姿態(tài)和三維掃描儀的姿態(tài)Q_S，利用公式轉(zhuǎn)換在時(shí)刻t獲取的局部數(shù)據(jù)X_t，完成局部數(shù)據(jù)拼接；重復(fù)步驟(5)—(7)，直到整個(gè)被測(cè)大型物體建模結(jié)束。

總之，本發(fā)明以結(jié)構(gòu)光三維掃描儀為基本測(cè)量單元，利用多個(gè)立體跟蹤器構(gòu)建拼接視場(chǎng)、跟蹤三維掃描儀的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算三維掃描儀的姿態(tài)，拼接三維掃描儀獲取的局部建模數(shù)據(jù)，完成大型物體的三維形狀建模。本發(fā)明具有建模范圍大、速度快、精度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。