[发明专利]一种基于ZYNQ平台的三维形貌测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于ZYNQ平台的三维形貌测量系统，将Linux系统移植到ZYNQ平台，其特征在于，该系统包括设置于ZYNQ板上的图像采集模块(100)、系统标定模块(200)、图像预处理模块(300)、光条中心提取模块(400)和点云数据拼接融合模块(500)；其中：

所述图像采集模块(100)通过相机扫描被测物体的光平面获取被测物体表面轮廓的信息；所述系统标定模块(200)用于标定系统参数，包括相机标定、光平面标定、双相机联合标定；经所述系统标定模块(200)得到的系统参数，分别传送至所述图像预处理模块(300)和所述光条中心提取模块(400)；所述图像预处理模块(300)用于消除图像中干扰信息，包括图像滤波与边缘检测；所述光条中心提取模块(400)用于通过设计改进型的灰度重心法来细化光条在垂直于光平面方向上的的灰度重心，得到光条中心点位置；该算法具体过程如下：

设输入的光条图像上第i行上光条占用了n个像素点，在这n个像素点中，像素点的列最大值为max，最小列值为min，图像中第u行v列的像素点的灰度值用f(u,v)来表示，则区域中心的公式如下：

利用改进型的灰度重心法提取光条所占用的第u行上v∈(min,max)区域内的能量中心，进而得到被测物体坐标；所述点云数据拼接融合模块(500)用于对上述采集图像、系统参数、光条中心位置进行融合与数据分析，完成三维形貌重建。

2.一种基于ZYNQ平台的三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1、将Linux系统移植到ZYNQ平台，并在该系统中调用OpenCV库中的函数编写三维形貌测量系统程序，保证该程序在ZYNQ板上有一个运行的系统环境；

步骤S2、系统移植成功后，进行图像采集，包括光投影、相机参数设定；

步骤S3、利用CMOS图像传感器输出图像采集结果；

步骤S4、进行数据转换，将采集的图像信息转换为数字信息，得到HDMI现实图像、将数据写入DDR3进行保存；

步骤S5、根据测试平台位置与采集图像信息进行系统参数标定，具体处理如下：

采用张正友标定法实现相机标定，即相机对空间中的物体进行图像采集，图像上的点与真实空间中的对应点之间存在一种转换关系。通过相机标定获取相应的转换关系，即相机内参矩阵、相机外参矩阵、畸变系数；

采用最小二乘法拟合实现光平面标定，即获得光平面上的特征点，利用最小二乘法进行拟合，在采用张正友标定法获得的空间坐标系下获取光平面的方程，得到光平面与像平面之间的对应关系；

采用直线拟合实现导轨方向余弦的标定，即移动拍照时，每一个拍摄位置都会产生一个局部坐标系，为获取各个拍摄位置的局部坐标系与空间坐标系之间的转换关系，需要对导轨的方向余弦进行标定；

通过一个二维平面靶标获取，固定平面靶标位置，相机在运动的导轨上对平面靶标进行拍照，获得多幅图像。通过OpenCV中FindChessboardCorners()获取棋盘内角点的坐标，将该坐标和角点进行相机标定，从而获取内角点在采用张正友标定法获得的空间坐标系下的坐标；通过多幅图像上内角点在该坐标系下的坐标进行直线拟合，得到导轨方向余弦。

双相机联合标定标定，即求解两个相机之间的转换关系，获取相机之间的旋转矩阵和平移向量。通过OpenCV中calibrateCamera()来单独求解每个相机捕获棋盘图像的旋转矩阵和平移向量，再通过双目标定函数stereoCalibrate()计算获取两个相机之间的旋转矩阵参和平移向量；

步骤S6、ZYNQ板外接HDMI设备对采集的图像进行实时显示，并进行采集图像处理，包括对采集图像先进行图像预处理，再进行光条中心提取；

步骤S7、对上述采集的图像数据、系统参数进行点云数据融合与分析，即点云融合是通过旋转、平移等操作将多组不同坐标系下的点云数据统一到同一坐标系；数据分析是通过对系统参数、点云数据进行分析，即根据系统参数标定计算出两组空间坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，并选择两个空间坐标系其中一个坐标系作为全局坐标系，根据标定计算出的旋转矩阵和平移向量，将另一坐标系上的全部点云转换到全局坐标系下，以重建物体表面的三维形貌。