[发明专利]一种基于红外投线仪的三维测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，包括：

一台三维扫描仪(10)、两条平行导轨(30)、移动架(70)、移动控制器(5)和一台GPU服务器(6)；

所述的两条平行导轨(30)的两端分别采用一个连接杆(31)进行连接；

所述的移动架(70)包括：一个平行于所述的两条平行导轨(30)所构成平面的移动架悬杆(71)、可沿所述的两条平行导轨(30)移动的两个移动架支脚(72)；

在所述的两个移动架支脚(72)底部，分别安装有一个所述的移动控制器(5)；

所述的三维扫描仪(10)包括间隔设置于所述的移动架悬杆(71)上的两台工业相机(11)和一台红外投线仪(12)；

所述的工业相机(11)、红外投线仪(12)、移动控制器(5)分别通过千兆网连接到所述的GPU服务器(6)；

所述的移动控制器(5)用于控制所述的移动架(70)沿所述的两条平行导轨(30)匀速运动，并计算所述的移动架(70)的移动距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的两条平行导轨(30)的长度相等，所述的两条连接杆(31)长度相等；在所述的平行导轨(30)和连接杆(31)之间采用连接件(32)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的红外投线仪可投射高达850mn红外光线，经由千兆网与所述的GPU服务器(6)进行通讯。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外投线仪的三维测量系统，其特征在于，所述的工业相机(11)的分辨率至少不低于500万像素，其帧率至少不低于25fps；所述的工业相机(11)的镜头上安装有850nm的红外滤光镜。

5.一种采用如权利要求1至4任一项所述系统所实现的基于红外投线仪的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.安装平行导轨(30)：两个长度相等的连接杆(31)分别通过连接件(32)将长度相等的两条平行导轨(30)的首首、尾尾相连；所述的两个平行导轨连接杆(31)与两条平行导轨(30)垂直，并构成一个平面，以确保两条导轨(30)平行；

b.安装移动架(70)、三维扫描仪(10)：将三维扫描仪(10)的两个工业相机(11)、一个红外投线仪(12)安装在移动架(70)移动架悬杆(71)上；在移动架(70)两侧的移动架支脚(72)底部分别安装一个移动控制器(5)；移动控制器(5)控制移动架(70)沿平行导轨(30)匀速运动，并计算移动架(70)移动的距离；

c.移动三维扫描仪(10)，红外投线仪(12)向被测物体投射一条红外线，同时三维扫描仪的两台工业相机对物体拍照，拍摄时缩小相机光圈，增强图像中所拍摄的线条的亮度；

d.将所拍图像传至服务器，服务器利用图像校正算法校正拍摄的立体图像；

e.服务器精确检测和匹配立体图像中的投影线，获取并计算所测量物体上所投红外线的三维数据；

f.根据三维扫描仪的移动距离，计算三维扫描仪的姿态，然后拼接三维投影线；假设运动距离向量为T，运动方向为R，T和R均可以利用张正友标定法计算；则可以利用公式(3)，将一条线的点集X拼接到全局坐标系：

X_g＝X·(RT) (3)

此处X_g表示点集X的全局坐标；

g.移动三维扫描仪，测量下一条投影线三维数据，重复所述步骤c-g，直到整个物体测量结束。

6.根据权利要求5所述的一种基于红外投线仪的三维测量方法，其特征在于，所述步骤e的具体方法如下：

①.对于每条扫描线，在投影线和水平扫描线之间存在一个交点；使用一维DOG(Difference of Gaussian)算法平滑校正立体图像中的每条水平扫描线，从而获得一条光滑的扫描线，使交点从梯形变成了抛物线型；DOG算法公式为：

$f(x;\mathrm{\μ};{\mathrm{\σ}}_1;{\mathrm{\σ}}_2)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\left(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1}\exp \right(-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_1^2})-\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_2}\exp (-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_2^2}\left)\right)---\left(1\right)$

其中，σ₁设置为投影线的宽度，σ₂设置为投影线宽度的一半,高斯均值μ设置为1.6，exp表示指数函数；

②.针对每一对平滑校正过的水平扫描线，检测具有最大灰度值的峰值点，作为投影线的中心的初始值；

③.使用初始值周围的相邻像素拟合抛物线，将拟合的抛物线的极值作为投射线的中心的精确值；假设利用n个邻居点拟合抛物线，x_i表示第i个邻居点的水平坐标，y_i表示其对应的像素灰度值，则可以通过优化公式(2)，利用最小二乘法，拟合抛物线，其中b₀、b₁、b₂是抛物线参数；

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}|y_i-(b_0+b_1{x}_i+b_2{x}_i^2){|}^2---\left(2\right)$

④.针对所有扫描线，重复所述步骤①-③，测量出投影线上的每个点，假设一条投影线的三维点集为X。