[发明专利]基于三维自然纹理数据扫描机的多视场数据拼接方法

摘要

本发明公开了一种高点阵密度和高精度的三维自然纹理数据扫描机及多视场数据拼接方法。装置由激光器、左右三维相机组、直线电机、被测样品、计算机、运动控制器、导轨及旋转固定装置组成。根据激光三角法，采用双三维相机与线结构光组成的双三角三维测量高度结构，对三维自然纹理样品进行三维数据采集，没有测量死角。然后采取基于三维图片高度信息的互相关法对多幅三维图片进行三维图像匹配和拼接，最后生成一幅完整被测样品幅面的三维图像。本发明具有三维测量的x和y方向像素点阵分辨率高，三维测量的z方向测量精度高，三维图像细节的高保真和三维测量速度快等优点，在自然纹理样品的三维立体扫描方面，具有广阔的应用前景。

主权项

一种基于高点阵密度和高精度三维自然纹理数据扫描机的多视场数据拼接方法，其特征在于，具体步骤为：(1)、将激光器（1）垂直固定在被测样品（6）的表面上，三维左相机（2）和三维右相机（3）通过旋转固定装置（10）固定在一起；(2)、将三维左相机（2）和三维右相机（3）倾斜布置，并保证三维左相机（2）和三维右相机（3）的中轴线与激光器（1）中轴线相交并成相同的夹角；此时，激光器（1）、三维左相机（2）和三维右相机（3）组成双三角形三维测量高度结构；(3)、激光器（1）发出的线结构光照射在被测样品（6）上；计算机（7）通过X、Y轴运动控制器（8）和导轨（9）控制X轴直线电机（4）和Y轴直线电机（5）作匀速扫描；(4)、在扫描过程中，X轴直线电机（4）和Y轴直线电机（5）带动激光器（1）、三维左相机（2）和三维右相机（3）对被测样品拍摄多幅小视场图像；(5)、根据激光三角法测量原理，得到每个视场的x，y，z点云数据，即三维图片；对生成的三维图片噪点和三维图片内存在大量噪点的小区域即噪块进行滤波处理；(6)、完成步骤(5)的滤波处理后，对各视场进行三维图像匹配和拼接；采用基于三维图片高度信息的互相关法进行图像匹配和拼接，具体步骤分为4步：①、选取第一幅三维图片靠近接口处的N列像素，构建初始像素矩阵；第二幅三维图片则选出一个N列像素大小的对比像素矩阵；从第二幅图片的边缘处开始扫描，此时得到一个相关性系数的波形，把相关系数波形达到最大值时的窗口作为拼接窗口，完成图像的匹配；初始像素矩阵和对比像素矩阵的相关系数为：其中，P1、P2分别对应三维图片沿x、y方向的总像素大小；m、n分别为矩阵的行列数；z1为初始像素矩阵各像素点的高度值；z2为对比像素矩阵各像素点的高度值；上标符号“‑”表示求均值；②、找到两幅三维图片的重合位置后，因为直线电机在X轴两端难以保持在z方向上的高度绝对一致，所以两幅三维图片整体的高度值存在差异；采用补偿法消除两幅三维图片整体的高度值差异，设第一幅三维图片的初始像素矩阵高度平均值为α1，第二幅三维图片的对比像素矩阵高度平均值为α2，于是有：则高度补偿值Δ＝α1‑α2；设第一张三维图片的灰度值为I1，第二张三维图片的灰度值I2，则高度补偿后的第二幅三维图片灰度值I′2为：I′2＝I2+Δ；③、高度补偿后的第二幅三维图片，切割为只保留以x轴为正向的拼接矩阵外三维图片部分；将第一幅三维图片和切割并高度值补偿后的第二幅三维图片合成一幅新的三维图片灰度值I12，完成三维图像拼接；④、图像拼接后，因为两幅三维图片在接口处出现较为明显的分界线，所以切去第一幅三维图片中最接近接口处的k列像素点；然后选取第二幅三维图片k列相似度最高的像素点补充进来，这k列像素点就是两幅三维图片的拼接接口；(7)、将多幅三维图片按上述步骤进行图像匹配和拼接，生成一幅完整的被测样品三维形貌图。