[发明专利]一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置及方法，装置包括控制模块、运动量采集模块、云台和双目视觉系统，云台和双目视觉系统整体可沿三轴做直线运动以及绕Z向直线和水平直线做旋转运动，两个相机可做相互靠近或分离的水平直线运动以及回转运动，每个相机的焦距和光圈均可调；运动量采集模块采集云台和相机的运动量、焦距和光圈的调节量，控制模块接收运动量采集模块以及相机采集的数据；方法通过采集多个视角的图像以及对相机内参、畸变参数和外参的自动标定，生成多视角点云，并配准至同一视角来进行三维重建。本发明可根据不同待喷涂工件的形状大小实现任意视角和方位的高精度三维重建，具有工作空间和自由度大，效率高等优点。

技术领域

本发明涉及工件三维重建领域，具体是一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置及方法。

背景技术

随着计算机视觉技术的发展，三维重建技术逐渐应用在工业生产中。其中，利用双目结构光系统采集工件表面几何信息的点云数据，是一种非接触式、主动式、快速稳定的三维重建方法。点云是一种简单、直观的数据，能够表达待喷涂工件表面的三维信息，而智能喷涂机器人作业需要获取待喷涂工件的表面信息，从而将工件表面点云与喷涂工艺相结合自动生成喷涂轨迹，最终完成智能化喷涂任务。

相机标定是三维重建中必不可少的步骤，包括确定相机内部参数(如主点坐标和焦距等)以及外部参数(如相机的旋转和平移)。目前基于双目相机的三维重建系统在改变相机内部结构参数(如焦距、光圈等)和双目相机的相对位置后，就需要对双目相机内外参重新进行标定。在实际应用中，当面对不同大小和类型的待喷涂工件，需要对工件边缘或者精度要求较高区域进行三维重建时，就要调整相机的位置、焦距和光圈。但普通双目相机在工作中不能对相机相对位置、焦距和光圈进行自动调整，只能依靠人工手动调节，并且在调整后要对相机的内外参进行重新标定，这给多品种小批量待喷涂工件的三维重建带来了诸多不便，降低了工作效率。由于单视角点云往往不能反映完整的待喷涂工件表面信息，因此在利用双目结构光技术重建出多个视角的点云之后，需要对这些点云进行配准，将其配准到基准视角下。ICP算法因为简单并且计算复杂度低而被广泛应用于点云配准。但是其要求两个点云的初始位置必须足够接近，否则易于陷入局部最大值。

专利申请号“202010641003.9”提出了一种基于双目相机成像的三维测量装置及测量方法，该方法采用变焦相机，使用一种高阶多项式拟合的方法来确定拟合相机参数和焦距的映射模型。然而，该方法没有考虑到光圈对相机参数的影响，并且高阶多项式容易出现过拟合的情况。另外，该发明中相机的位置和角度虽然可以手动调整，但可调节空间较小，自由度较低，一经调整完毕，在整个测量过程中便不可再动，否则需要重新对外参进行标定。

专利申请号“202210045927.1”提出一种双目相机外部参数确定方法，该方法假设相机是绕着自身坐标轴旋转，转台转动中心线与相机坐标轴重合，对双目相机位置变化关系进行了简化。但是未考虑到在实际应用中，转台转动中心线往往与相机自身坐标轴不重合这一现象。

专利申请号“201810310517.9”提出了一种三维测量装置及方法，该方法标定了相机在8个不同位置的旋转和平移矩阵，并对各位置的点云进行配准，以得到完整的被测物体点云。然而，该方法对于任何不同类型的物体都是在8个固定位置处采集点云，所以对于一些特殊类型和大小的待测物体，难以保证其重建精度。

因此，在需要获取多品种小批量待喷涂工件表面的三维信息来完成智能喷涂任务时，研发一种工作空间大，重建视角多，精度高，并且在相机姿态和内部参数改变后，可以自动对相机内外参进行标定的多视角三维重建装置及方法尤为重要。

发明内容

本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置及方法，以解决现有技术待喷涂工件基于点云进行三维重建时相机无法自动标定，以及点云配准中传统ICP算法所存在的对点云初始位置要求高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：