[发明专利]一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法

权利要求书

1.一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、准备一个可以独立自由移动并能对被测物体投射结构光的投影仪、一个可以独立自由移动并对被测物体拍摄图像的工业相机以及一台计算机，所述的投影仪能投出包裹有编码信息的结构光，所述计算机用于控制投影仪投影、相机拍摄以及三维点云测量所需的分析与计算；标定相机和投影仪的内参数，其中投影仪和相机都采用基于透视投影的内参数模型；

步骤二、调整被测物体、投影仪和相机之间的相对位置和姿态，使物体的待测表面位于投影仪和相机的公共视场内；

步骤三、保持被测物体、投影仪和相机三者之间的相对位姿不动，投影仪投影一组结构光图像集到被测物体表面，投射每幅结构光到被测物体表面的同时相机拍摄一幅经物体表面调制的结构光场图像，加入到物体结构光图像集中，并判断是否包含物体的完整表面，若否则执行步骤四，若是则执行步骤五；

步骤四、保持被测物体位姿不变，并保持相机和投影仪二者中的任意一个的位姿不变，灵活改变相机和投影仪二者中的另外一个的位姿，相对位姿改变后的相机和投影仪应有助于扩大被测量区域且保证二者之间仍然具有共同的视场，然后返回步骤三；

步骤五、将物体结构光图像集中所有图像进行解码得到每个像素对应的编码信息，对于固定投影仪位姿、相机移动拍摄的物体表面调制结构光图像组，根据调制结构光图像组编码信息进行相机图像像素与投影仪图像像素之间的匹配，对于相机固定而投影仪位置改变的物体表面调制结构光图像组，直接将投影仪位置改变前和投影仪位置改变后相机拍摄的二组调制结构光图像的同位置像素进行匹配，进而构建所有位姿下相机和投影仪对应图像之间的空间几何约束关系；

步骤六、建立统一坐标系，通过运动恢复结构的框架，解算出相机和投影仪在统一坐标系中的所有位姿；

步骤七、通过稠密的像素匹配对和相机、投影仪所有视角的位姿在统一坐标系中重建出被测物体表面完整的点云数据；

步骤八、将事先标定的相机内参、投影仪内参以及计算得到的所有位姿参数和空间点的三维坐标作为优化变量，利用光束平差整体优化，并根据优化后的参数最终重建出被测物体完整的点云数据。

2.根据权利要求1所述的一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：步骤五中，构建所有位姿下相机和投影仪对应图像之间的空间几何约束关系的具体方法为：记为投影仪移动总次数，为投影仪i次移动后的位姿，，记为投影仪姿态保持不动时相机移动的总次数，记为投影仪姿态保持不动时第j次移动相机后的相机位姿，，记相机在位姿下拍摄的调制图像集为，投影仪在位姿下投射的结构光图像为；对于，，，且的任意调制图像集，和，利用相同的编码信息进行图像之间的匹配；对于的任意两组调制图像集和，将相同像素直接作为匹配像素对进行图像之间的匹配。

3.根据权利要求2所述的一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：步骤六中，通过运动恢复结构的框架实现相机位姿和投影仪位姿的解算，其中，，首先从所有匹配的像素中离散采样，得到相对稀疏的匹配点集，相对稀疏的匹配点集中的匹配点对个数不少于8个，利用稀疏匹配点集建立空间几何约束，然后利用运动恢复结构框架解算出投影仪和相机在统一坐标系中的位姿。

4.根据权利要求3所述的一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：所述的运动恢复结构框架为增量式的三维重建框架。

5.根据权利要求4所述的一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：步骤六中，以投影仪在位姿下所在坐标系为统一坐标系，根据相机位姿和投影仪位姿之间的离散采样的匹配像素对估算出投影仪与相机的基础矩阵F,进而计算出本质矩阵E,分解本质矩阵E得到在统一坐标系中的位姿，然后通过空间几何约束，增量式地依次解算出各个拍摄位置下相机和投影仪在统一坐标系中的位姿。

6.根据权利要求5所述的一种无需主动视觉标记的自拼接表面点云测量方法，其特征是：步骤六中，估算出投影仪与相机的基础矩阵F后，根据公式

得到本质矩阵E，再利用SVD分解得到相机和投影仪的位姿；

其中与是相机和投影仪上匹配点的齐次坐标，F为基础矩阵，E为本质矩阵，为投影仪内参数矩阵，为相机内参数矩阵。