[发明专利]大视场条纹投影视觉三维测量系统和方法

说明书

本发明涉及光学三维检测技术，为设计一种大视场分布式条纹投影视觉三维测量系统，扩展条纹投影视觉测量系统的测量范围，实现多相机同步分布式采集，快速获取物体全局三维点云数据。本发明，大视场条纹投影视觉三维测量系统和方法，包括激光投影仪、4个互补金属氧化物半导体CMOS工业相机、计算机和靶标，激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，亮度大于3000lm，投影比小于1，所投射条纹能够覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步。本发明主要应用于三维检测场合。

技术领域

本发明涉及光学三维检测技术，提出了一种新型的大视场分布式条纹投影三维测量系统，一种新型平面靶标，并应用这种靶标提出了一种新型系统全局标定方法。

背景技术

条纹投影三维测量技术利用投影仪向被测物体投射条纹，物体表面形貌会使条纹进行调制，再由相机采集被调制的条纹，最后反算出物体表面三维点云。条纹投影测量系统的测量精度主要取决于其标定精度，目前主流的系统标定方法有基于矩阵变换的摄影测量法和多项式拟合法。摄影测量法应用通过建立相机和投影仪的像素对应和坐标变换关系完成系统标定。多项式拟合法通过建立待测物点的三维坐标与改点在图像坐标系中的二维坐标及其对应编码值的多项式映射关系完成系统标定，这两种方法因其使用方便，成本低，效率高，在视觉测量领域有着广泛的应用。

传统的条纹投影三维测量系统由单投影仪和单相机组成，受相机视场和分辨率限制，在保证测量精度的前提下，测量范围有限，一般不大于500mm*500mm，大视场测量通常需要1m*1m以上的测量范围，因此单投影仪单相机系统不足以完成大视场的高精度测量，因此常常增加相机数量扩大视场，多相机测量时，应用传统的棋盘格或圆形靶标，在每个相机视场内分别进行局部标定，以完成各自坐标系下的相对测量，但标定过程复杂，耗时较长，同时缺少全局坐标系，测量数据不具有统一性，不能对整个被测对象实现一致性描述。

为了实现系统全局标定，常常借助辅助设备，例如通过双经纬仪建立全局世界坐标系，测量特征物点的三维坐标，与视觉测量的图像像点点一一对应，即可完成系统全局标定。除此之外还常常运用精密平移台等设备，此方法可以获得很高的全局标定精度，但成本较高。基于矩阵变换的摄影测量法可以将投影仪看作逆向相机或伪相机，通过建立相机和投影仪的映射关系，完成系统的全局标定，但这种方法依赖于相机的标定参数，会给系统全局标定引入误差。多项式拟合法不依赖于相机的小孔成像模型，可以有效避免相机参数标定误差扩散，如果能够改进多项式拟合法使之可以完成系统全局标定，测量系统将具有良好的精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在设计一种大视场分布式条纹投影视觉三维测量系统，扩展条纹投影视觉测量系统的测量范围，应用新型平面靶标，各视场同步完成全局标定，并根据靶标的特征设计一种系统全局标定方法，实现多相机同步分布式采集，快速获取物体全局三维点云数据。解决传统条纹投影系统无法获取全局三维点云数据，大视场测量中标定复杂，效率较低，精度较差，不满足大视场快速精密视觉三维测量的需求等问题。为此，本发明采取的技术方案是，大视场条纹投影视觉三维测量系统，包括激光投影仪、4个互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工业相机、计算机和靶标，激光投影仪为高亮度短焦激光投影仪，亮度大于3000lm，投影比小于1，所投射条纹能够覆盖所有相机有效测量范围；4个相机均匀分布于整个视场，相机采集范围覆盖整个视场；投影仪投射条纹与相机采集图像由软件时序控制同步；

靶标为平面圆形靶标，大小不小于相机有效测量范围；靶标具有4个方向性大圆标识，方向相同，均匀分布于整个靶标，其分布保证标定过程中每个相机视野内有且仅有一个方向性大圆标识，每个标识用于建立各相机局部世界坐标系。

靶标圆形的尺寸和圆心距加工误差不大于0.2mm，靶标平面度不大于1mm。

大视场条纹投影视觉三维测量方法，借助于激光投影仪、4个CMOS工业相机、计算机和靶标实现，具体步骤如下：