[发明专利]一种多个结构光投影三维型面测量头的标定技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种物体型面光学测量系统的标定方法，一种多个基于结构光与双目视觉的测量头的标定方法,可用于结构光投影的物体型面的快速无标贴测量，属于光学测量技术领域。 

背景技术

本专利的结构光投影三维型面测量头的系统硬件包括视觉传感器，三角架，PC机以及数据线等。其中视觉传感器由两个摄像机，一个数字投影仪构成，两摄像机以一定的角度被固定在水平支架上，投影仪放置于两个摄像机之间。2个CCD摄像机构成双目立体视觉系统，投影仪投射编码结构光，其目的是为了在被测物表而增加特征信息，以便于匹配。整个视觉传感器架在可以伸缩的三角架上。测量头的三维测量原理是是基于双目视觉的三角测量原理，摄像机的光学模型均采用针孔模型，单测量头的摄像机的内外参数及多测量头之间的几何参数都需要标定。如何实现这些参数的精确标定，以满足三维测量的基本要求，对于保证三维测量的精度和可靠性具有至关重要的意义。 

目前，单个结构光投影三维型面测量头的标定技术在三维重建中广泛得到应用，其主要涉及到相机标定方法基本上都是平面标定和标定块标定的方法。由于结构光投影三维型面测量头的测量范围由镜头景深，CCD面阵大小，靶标的尺寸标定范围，以及每次投射结构光的范围和被测物体几何形状等因素的限制，当测量大尺寸物体时，几乎无法只通过一次扫描就得出完整的被测物体三维形貌。为了得到物体的全貌三维信息，在测量过程中围绕被测对象把测量头定位在不同方位，以获取被测对象各子区域曲面片的三维信息，然后将不同视角下得到的局部点云数据进行配准和拼接，消除其间的大量冗余数据，得到被测对象的完整三维形貌信息。这通常都需要借助于在测量区域布局人工标帖，通过提取各个视图中的公共标记点实现多视测量数据坐标系的统一，而拼接是在标记点提取、标定、匹配、重建的基础上进行的，势必会引入标记点提取、标定、匹配等误差累积，同时，多次拼接的坐标系转换也会引入误差累积。因此，拼接后的误差远远大于单次测量精度，利用拼接实现物体整体的重建很难保证高精度的重建效果，同时多次拼接降低测量的快速性，尤其对于大型物体面型的测量。 

为了消除重建后拼接的累积误差，同时也为了加快测量速度，可用两个或多个测量头对被测物体从不同位置同时进行测量，这时便需要对多个测量头之间的几何参数进行标定，即对多个测量头上的各个摄像机之间的几何参数进行标定。目前传统的多个测量头的标定都是采用加工精度很高的立体靶标进行标定，立体靶标的大小需要与测量视场基本相当。对于大型被测物，体积大的高精度立体靶标存在加工难度大、费用高的缺点，所以多个结构光投影三维型面测量头的测量技术未能在生产实际中广泛应用。 

为解决这种大型物体测量问题，C. Reich提出的集成近景摄影测量与编码结构光测量技术的曲面三维测量方法，该方法采用近景摄影获得工件表面的全局标志点构建大型物体型面的骨架点模型，采用编码结构光测量技术得到点云坐标，然后采用结构光投影三维型面测量头从不同视角对物体面型依次进行局部密集扫描，再对扫描获得的大型物面的局部点云进行基于骨架点模型的自动拼接，形成完整的工件模型。该方法能解决多视点云相邻拼接无法解决的误差累积问题，测量精度较高，而且测量方便经济，能获得大型复杂面型的完整的三维稠密点云。基于该种技术的商用系统已在国内外出现，如德国GOM公司的TRTOP摄影测量系统和ATOS光栅扫描系统，以及国内的张德海、刘建伟等也实现了集成近景摄影测量与编码结构光测量技术的大尺寸工业视觉测量系统。该方法成为大型复杂面型测量的主要三维光学测量方法。但是该方法的主要缺点是测量头多次扫描大型物体型面的测量速度很慢，同时该方法仍然需要在被测物体表面粘帖人工标记，故其实际应用中存有很大的限制。 

目前，国内外有很多针对多摄像机的标定算法，但对摄像机位置的摆放都有一定要求。多数情况下，这些多摄像机之间都需要看到多个公共区域的特征点才能完成标定。而本发明要求多个测量头遍布视场四周，分别测量物体的不同部分，因此摄像机所能看见的公共区域很少，常用的多摄像机标定算法中的标定物无法满足本发明中多个结构光投影三维型面测量头的标定要求。 

发明内容