[发明专利]实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种在单个视角三维像机的基础上进行物体表面三维数据多视角采集，以及将各个视角所采集的数据对齐复位于同一空间坐标系中的方法。

二、背景技术

自然物体表面三维数据的采集，往往需要从多个角度进行，并将这些不同视角观察的三维数据通过对齐复位过程表示于同一参考坐标系中，恢复其原有的相互之间空间位置关系，以获取物体表面较完整的三维信息。

在单视角三维像机基础上，多视角三维数据采集主要是对齐复位的过程。对齐复位的方法从其信息来源角度主要分为主动式和被动式两类。

主动式方法是指在各个视角三维数据采集时就主动地去记录可以直接导出各观察角度相互位置的信息。现有的此类方法存在着对采集过程的特殊要求，或者精密复杂的位移装置等方面的严格限制。典型的例子如德国GOM公司的Atos三坐标测量方法，采用预设标记点，根据两两视角三维数据中共有的一定数目的标记点位置的关系，确定各视角之间坐标转换关系。又一典型的例子如：英国3DScanners公司将单视角三维扫描装置安装于可以多自由度运动扫描、可精确定位的运动装置上，实现多视角三维数据的采集，并利用各视角采集运动装置各个自由度的状态数据，确定各视角之间坐标转换关系以进行对齐复位。

被动式方法是指从两两视角三维数据本身信息中提取相互之间位置关系，并将其复位对齐到同一坐标系中，而对采集过程不附加任何特殊的操作和限制。这类方法存在的共同问题是各视角之间三维数据对齐复位的过程需要人工的参与以及精度难以提高。如Besl和Mckay等基于点匹配的对齐复位方法，基于某种准则，通过迭代过程来求坐标变换关系的。

三、技术内容

1、发明目的：

本发明的目的是提供一种用单视角三维像机进行多视角采集，并对各个视角采集的三维数据进行自动对齐复位且结构简单、成本低、操作容易的的实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法。

2、技术方案：

本发明的实现三维像机多视角数据采集及对齐复位的方法，使得单视角三维像机能够采集被测物体各个视角的三维数据，并使得采集到的各个视角三维数据能够自动对齐复位到统一的坐标系中。其具体的方法是：采用一个单视角三维像机和一个旋转台，将旋转台放在三维像机前方的有效取量范围内，在旋转台上放置一个小球，用单视角三维像机对旋转台上的小球进行参数标定；将被测物固定在旋转台上，用单视角三维像机对被测物表面，作多视角数据采集，最后将采集的数据进行对齐复位，输出被测物体表面完整的三维数据。参数标定的步骤为：将旋转装置固定于单视角三维像机的取景范围内，与单视角三维像机的位置保持不变；将一个用来标定的小球放置于旋转台上，随旋转台作三次的旋转，记录下小球每次旋转的角度，并由单视角三维像机采集每次旋转后小球的三维位置。

多视角数据采集的步骤为：将被测物体固定在旋转台上，记录下旋转台旋转的角度，设定该角度为旋转台旋转角度的初始位置；a、旋转台旋转，使被测物体待测表面部分逐次移入单视角三维像机的取景范围内，记录下旋转台从初始位置开始的旋转角度；b、单视角三维像机对移入自己取景范围内的被测物体待测表面部分进行三维数据采集；重复上述a、b两个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据采集完毕后，即完成多视角采集过程。

数据对齐和复位的步骤为：取出旋转轴的标定数据，即关于单视角三维像机坐标系统的旋转轴上一点的三维坐标和旋转轴矢量的三维数据，计算出关于单视角三维像机坐标系统任意一点随旋转台旋转一定角度前后的坐标对应关系，建立一个关于旋转角度的函数；逐次取出被测物体各部分待测表面单个视角采集到的三维数据及对应的偏离旋转台旋转初始位置的旋转角度，利用上述步骤中得到的函数，将该部分待测表面的三维数据复位成该表面对应旋转台初始角度时的三维坐标；重复上述一个步骤，直至被测物体所有待测表面部分三维数据均复位成对应旋转台初始角度时的三维坐标，即完成对齐复位过程；输出对齐复位后物体被测表面完整的三维数据。

3、技术效果：

本发明中的用单视角三维像机进行多视角采集和对齐复位的系统，除单视角三维像机外，仅包括旋转轴位置与单视角三维像机固定不变的被测物体旋转装置。用于对齐复位的数据处理过程的运算量很少，可以用单视角三维像机的计算机系统完成。旋转装置仅为一个自由度的旋转装置，可以由手工驱动，也可以由步进电机驱动。与其他利用位移装置完成多视角三维采集的系统相比，结构简单，成本极其低廉。