專利名稱：三維表面測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維測量技術(shù)，特別是有關(guān)于三維表面測量的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
物體表面的三維測量技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、制造、檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來其應(yīng)用
還擴(kuò)展到產(chǎn)品仿制、逆向工程、快速原型、人體測量、影視動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。 在申請(qǐng)?zhí)枮?3153504.6的中國申請(qǐng)中，公開了清華大學(xué)申請(qǐng)的一種測量物體表
面三維輪廓的方法，其包括利用相位和立體視覺技術(shù)的結(jié)合，在物體表面投射光柵，再采
用雙攝像機(jī)拍攝發(fā)生畸變的光柵圖像，然后利用編碼光和相移方法獲得左右攝像機(jī)拍攝圖
像上每一點(diǎn)的相位；最后利用相位和外極線實(shí)現(xiàn)兩幅圖像上的點(diǎn)的匹配，從而達(dá)到對(duì)物體
表面點(diǎn)三維坐標(biāo)的反求。該對(duì)比文件中所稱的"光柵"，本文稱為"圖案"，對(duì)比文件中所稱
的"外極線"，本文稱為"極線"。 具體地，對(duì)比文件使用二進(jìn)制黑白條紋編碼和90。相移正弦灰階條紋來實(shí)現(xiàn)三維 測量，其關(guān)鍵技術(shù)包括兩點(diǎn)其一是二進(jìn)制黑白條紋編碼，其二是90。相移正弦灰階條紋。 二進(jìn)制黑白條紋編碼用"黑"和"白"來表示"0"和"1"，用1幅黑白條紋圖案可為圖案中各 點(diǎn)賦予1位二進(jìn)制位，用2幅黑白條紋圖案可為圖案中各點(diǎn)賦予2位二進(jìn)制位，以此類推， 用n幅黑白條紋圖案可為圖案中各點(diǎn)賦予n位二進(jìn)制位。在其實(shí)例中，共用7幅編碼圖案， 構(gòu)造方法為第1幅為半黑半白，以后各幅逐次細(xì)分，細(xì)分方法為上一幅的黑色部分被分為 半黑半白，白色部分被分為半白半黑。7幅編碼圖案可得27個(gè)編碼序列，將整個(gè)圖案區(qū)域分 為27個(gè)長條。 n幅編碼圖案雖然可以區(qū)分圖案中2n個(gè)不同的條形區(qū)域，但是同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn) 卻無法區(qū)分，使得測量的分辨率受到限制。為了提高分辨率，遂提出相移方案，即在編碼圖 案的基礎(chǔ)上再增加相移圖案。相移圖案也是黑白條紋，不過其灰階是連續(xù)變化的，條紋的周 期一般等于編碼圖案中最窄條紋的寬度。在其實(shí)例中，相移圖案共有4幅，其灰階均為連續(xù) 正弦波變化，4幅圖案的相位依次相差90。。由相移圖案的特性即可得到對(duì)比文件中公開 的相位計(jì)算公式。 根據(jù)上述二進(jìn)制黑白條紋編碼技術(shù)和相移技術(shù)，可以為光柵覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意一 點(diǎn)賦予一個(gè)編碼值和周期內(nèi)相位值，兩者結(jié)合即可得到相位值。有了該相位值，再結(jié)合計(jì) 算機(jī)視覺鄰域中的極線約束關(guān)系就可以匹配兩個(gè)攝像機(jī)圖像中的點(diǎn)，然后根據(jù)三角測量原 理，就可以得到物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)。 在其實(shí)例中，由7幅編碼圖案加上4幅相移圖案構(gòu)成了一次測量中總共需要投射 的11幅圖案，這樣完成一次測量每一個(gè)攝像機(jī)均需成像11次，在此期間測量設(shè)備和待測物 體之間不能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 這種三維測量方法雖然具有精度高、廣泛適用的優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下缺點(diǎn) 首先，對(duì)比文件中的方法需要使用多幅投射圖案，這樣完成一次測量就需要多次
成像，限制了測量速度的提高。
其次，多次成像的時(shí)間無法做到很短，使得測量期間測量設(shè)備和待測物體之間的
相對(duì)運(yùn)動(dòng)無法忽略，因此需要使用三腳架等固定裝置使測量設(shè)備保持固定，增加了操作的 復(fù)雜度。 再次，該方法需要對(duì)整幅圖像逐點(diǎn)計(jì)算編碼和相位，存儲(chǔ)這些編碼和相位也需要
大量的存儲(chǔ)空間，因此其時(shí)間和空間復(fù)雜度都比較高。 事實(shí)上，許多三維測量應(yīng)用對(duì)測量的速度要求高，且要求使用簡單，現(xiàn)有的對(duì)比文 件中的技術(shù)不能滿足這一類要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維表面測量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)不能滿足測量速 度高且操作簡單的技術(shù)問題。 本發(fā)明的另一 目的在于提供一種三維表面測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)不能滿足測 量速度高且操作簡單的技術(shù)問題。 —種三維表面測量方法，用于測量物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，由以下步驟組成 (1)向物體表面投射一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述圖案中光點(diǎn)之間的距離滿
足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值； (2)從至少兩個(gè)角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像； (3)匹配光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)； (4)計(jì)算并保存光點(diǎn)的空間坐標(biāo)； (5)改變測量位置，繼續(xù)進(jìn)行步驟(1)_(4)，直至還原出待測對(duì)象。
步驟(1)之前還包括A1 :設(shè)定失配度閾值；A2 :生成一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖 案，光點(diǎn)之間的距離為D ;A3 :將所述面狀光點(diǎn)圖案投射至一標(biāo)準(zhǔn)物體表面；A4 :從至少兩個(gè) 不同角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像；A5 :匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)，并得出失配度；A6 :改變 測量位置，重復(fù)進(jìn)行步驟A3-A5，直至進(jìn)行步驟A6的次數(shù)等于預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，得出平均失配 度；A7 :若平均失配度小于失配度閾值，則減小D，反之增大D，重復(fù)進(jìn)行步驟A3-A6，直至平 均失配度小于失配度閾值且D最小為止，此時(shí)的面狀光點(diǎn)圖案即為測量時(shí)使用的面狀光點(diǎn) 圖案。 步驟(3)進(jìn)一步包括利用極線約束和最近原則，匹配光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)。
步驟(3)還包括匹配之前先對(duì)待匹配的兩幅圖像進(jìn)行校正，使它們的極線與行 掃描線重合； 第一幅圖像中點(diǎn)p(x， y)與第二幅圖像中點(diǎn)p' (x-d， y)匹配的條件為
5S￡)(x，y，c0= Z[/,0,v) —/2(w —cf,v)]2 最小，其中Wm(x，y)是以(x，y)為中心的寬度為m的方形區(qū)域，^、 12分別為第一、 第二幅圖像的灰度值。 光點(diǎn)的分布為具有藍(lán)噪聲特性的隨機(jī)分布或者是包括正方形和正三角形在內(nèi)的 具有規(guī)則形狀的分布。 步驟(4)進(jìn)一步包括根據(jù)三角測量原理，由匹配結(jié)果和像點(diǎn)坐標(biāo)求得對(duì)應(yīng)光點(diǎn) 的空間坐標(biāo)。
步驟(1)中，失配度閾值為5%，使用的面狀光點(diǎn)圖案為20X20的方形陣列，其水 平張角和垂直張角相等，均為24。，相鄰光點(diǎn)的距離為1.2° ，圖像的分辨率為640X480， 其高度覆蓋整個(gè)面狀光點(diǎn)圖案。
獲得成像位置進(jìn)一步為 多個(gè)成像裝置固定好，運(yùn)用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)預(yù)先算出它們之間的相對(duì)位置； 將成像裝置固定在一個(gè)具有坐標(biāo)讀數(shù)的移動(dòng)平臺(tái)上，通過讀出成像時(shí)的坐標(biāo)來確
定各個(gè)圖像的成像位置；或，在物體上或場景中設(shè)置視覺定位物，使成像裝置在獲取光點(diǎn)圖
像的同時(shí)也獲取這些視覺定位物的圖像，然后利用攝影測量術(shù)來確定成像位置。 —種三維表面測量系統(tǒng)，它包括測量裝置和處理裝置，測量裝置包括投射裝置和
成像裝置； 投射裝置，用于向物體表面投射均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述圖案中光點(diǎn)之間
的距離滿足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值； 成像裝置，用于從至少兩個(gè)不同角度獲取上述光點(diǎn)的圖像； 處理裝置包括控制器和顯示器，控制器上至少包括點(diǎn)匹配單元、空間坐標(biāo)計(jì)算單 元和還原單元； 點(diǎn)匹配單元，用于按照預(yù)定的匹配算法匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)； 空間坐標(biāo)計(jì)算單元，用于利用匹配結(jié)果和像點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)三角測量原理計(jì)算光點(diǎn)的
空間坐標(biāo)； 還原單元，用于將光點(diǎn)的空間坐標(biāo)還原出待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像； 顯示器，用于將還原出來的待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像進(jìn)行顯示。 投射裝置和成像裝置固定在測量設(shè)備中，投射裝置位于測量設(shè)備的中部，成像裝
置位于投射裝置的兩側(cè)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明投射的圖案只有一幅，因此完成一次測量只需從各個(gè)角 度成像一次，如果每個(gè)角度用一個(gè)相機(jī)，所有相機(jī)同步拍攝的話，則通過單次成像即可完成 一次測量，測量速度大為提高。如果同步拍攝的時(shí)間足夠短，即曝光時(shí)間足夠短(這可以通 過增加投射光的強(qiáng)度同時(shí)縮短快門時(shí)間來實(shí)現(xiàn))，則成像期間測量設(shè)備和待測物體之間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)所帶來的誤差相比測量精度可以小到能忽略的程度，這樣就能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式測量， 如手持式測量或安裝在一個(gè)機(jī)械臂上進(jìn)行測量，而不需要使用三腳架等固定裝置，使測量 操作變得簡單。也就是說，采用手持式測量或安裝在一個(gè)機(jī)械臂上測量時(shí)，本申請(qǐng)就能實(shí)現(xiàn) 動(dòng)態(tài)三維測量，克服了現(xiàn)有技術(shù)中只能是完成靜態(tài)三維測量這個(gè)缺陷。即足夠短的測量時(shí) 間可以為動(dòng)態(tài)變形物體進(jìn)行"三維定格"，方便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維測量。


圖1為本發(fā)明三維表面測量方法的原理示意圖； 圖2為基于SSD的區(qū)域匹配示意圖； 圖3A、圖3B和圖3C分別為光點(diǎn)之間的距離與失配度關(guān)系的示意圖； 圖4A、圖4B和圖4C分別為光點(diǎn)分布的幾種實(shí)例； 圖5為本發(fā)明三維表面測量系統(tǒng)的原理示意圖； 圖6為三維表面測量方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。 本發(fā)明是一種三維表面測量方法，用于測量物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，它包括(請(qǐng) 參閱圖6): S110:向待測對(duì)象投射一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述圖案中光點(diǎn)之間的距離 滿足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值。 如圖1所示，101為投射裝置，102為待測物體，103為投射在物體表面的面狀光點(diǎn) 圖案，104為其中某一個(gè)光點(diǎn)P， 105和106分別為該光點(diǎn)在某兩個(gè)圖像112和113中的像點(diǎn) p和p' ， 107和108分別為這兩個(gè)像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的視線，109為像點(diǎn)p在另一幅圖像中的極線， 110和111分別為這兩幅圖像的成像中心，114為投射光，115為光點(diǎn)之間的距離D。
將各個(gè)圖像中隸屬于同一光點(diǎn)的像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來的過程叫做匹配，錯(cuò)誤的匹配叫做 失配，失配的光點(diǎn)個(gè)數(shù)除以總光點(diǎn)個(gè)數(shù)就是失配度。在各個(gè)圖像的成像位置已知的情況下， 對(duì)于其中某一幅圖像中的某一個(gè)像點(diǎn)，其在其他圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)被約束在相應(yīng)的極線上， 這就是計(jì)算機(jī)視覺鄰域中的極線約束原則。 理想情況下，對(duì)應(yīng)點(diǎn)將與極線精確重合，而其他的像點(diǎn)將落在極線之外。還是以圖 1為例，光點(diǎn)P(104)在兩個(gè)圖像112和113上的像點(diǎn)分別為p(105)和p' (106)，像點(diǎn)p在圖 像113上的對(duì)應(yīng)極線為r(109)，理想狀態(tài)下p'應(yīng)與r重合。然而，實(shí)際應(yīng)用中由于圖像分 辨率的限制以及誤差的存在，對(duì)應(yīng)點(diǎn)不可能與極線精確重合，而是存在一定的偏差，但該偏 差一般比非對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏差要小，因此可以選擇離極線最近的像點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即最近原則。 最近原則的有效性與光點(diǎn)分布的疏密程度直接相關(guān)。在圖像分辨率和誤差不變的情況下， 隨著光點(diǎn)分布越來越密，即光點(diǎn)之間的距離越來越小，則像點(diǎn)之間的距離也越來越小，這樣 就有更多的非對(duì)應(yīng)點(diǎn)靠近極線，使非對(duì)應(yīng)點(diǎn)比對(duì)應(yīng)點(diǎn)更靠近極線的可能性增加，即最近原 則的有效性降低，誤匹配增加，失配度提高。而光點(diǎn)的距離在一個(gè)合理的范圍內(nèi)時(shí)，最近原 則的有效性就比較高，誤匹配率也會(huì)比較低。 如圖3A、圖3B、圖3C所示，109是極線，301是光點(diǎn)分布最密時(shí)所成的像點(diǎn)，302是 光點(diǎn)間距離放大1. 5倍后的像點(diǎn)，303是放大2倍后的像點(diǎn)，106是對(duì)應(yīng)點(diǎn)，106a、106b、106c 和106d是靠近極線的非對(duì)應(yīng)點(diǎn)。 根據(jù)失配度和光點(diǎn)間距離的關(guān)系可以看出，在確定失配度閾值后，存在一個(gè)滿足 失配度閾值的最小光點(diǎn)間距離，即最密光點(diǎn)分布。該分布可以通過以下步驟獲得
1)設(shè)定失配度閾值。該閾值是人為設(shè)定的，在本實(shí)例中設(shè)為5%，即認(rèn)為少于5% 的光點(diǎn)誤匹配是可以接受的。 2)生成一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，光點(diǎn)之間的距離為D。光點(diǎn)的分布可以是隨 機(jī)的，也可以是規(guī)則的。圖4A、圖4B和圖4C分別列出了幾種可能的光點(diǎn)分布方式，其中401 為具有藍(lán)噪聲特性的隨機(jī)分布，其特點(diǎn)是分布均勻且不規(guī)則，402為正方形分布，403為正 三角形分布。隨機(jī)分布有助于降低失配度，但實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，而規(guī)則分布實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較 容易。本實(shí)例使用的是正方形分布。 3)將所述面狀光點(diǎn)圖案投射至一標(biāo)準(zhǔn)物體表面。為了便于判斷像點(diǎn)匹配是否正 確，一般使用形狀已知的簡單物體，本實(shí)例中使用的是平板。
4)從兩個(gè)以及以上不同角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像。 5)匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)，并計(jì)算出失配度。匹配的方法詳見S130，失配度的定 義前面已經(jīng)給出。 6)改變測量位置，重復(fù)進(jìn)行步驟3) -5)，進(jìn)行該步驟的次數(shù)達(dá)到預(yù)定次數(shù)時(shí)，算出 平均失配度。改變測量位置的目的是使得到的失配度具有一般性，因此位置的選擇應(yīng)該是 隨機(jī)且均勻的，本實(shí)例從40個(gè)不同角度和距離的位置進(jìn)行測量，得到40個(gè)失配度，將它們 求平均得到平均失配度。 7)當(dāng)平均失配度小于失配度閾值時(shí)，減小D，否則增大D，重復(fù)步驟3) _6)，直至平 均失配度小于失配度閾值且D最小為止。由于減小D意味著光點(diǎn)分布變密，從而增加匹配 失敗的可能，導(dǎo)致平均失配度提高，因此當(dāng)平均失配度小于閾值時(shí)，可適當(dāng)減小D，以期得到 更小的D，而當(dāng)平均失配度超出閾值時(shí)，則需適當(dāng)增大D，以降低平均失配度。隨著D值越接 近目標(biāo)值，其減小和增大的步伐也需逐漸減小，以實(shí)現(xiàn)收斂。本實(shí)例中，設(shè)定一個(gè)足夠小的 步伐閾值，當(dāng)D的調(diào)整步伐小于該閾值時(shí)，結(jié)束調(diào)整，從而得到最終的面狀光點(diǎn)圖案。
本實(shí)例預(yù)設(shè)的失配度閾值為5%，使用的面狀光點(diǎn)圖案為20X20的方形陣列， 其水平張角和垂直張角相等，均為24。，即相鄰光點(diǎn)的距離為1.2° 。圖像的分辨率為 640 X 480，其高度正好覆蓋整個(gè)面狀光點(diǎn)圖案。 S120 :從兩個(gè)以及以上不同角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像。 該步驟既可以用多個(gè)成像裝置從不同角度各自成像，也可以移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)成像 裝置進(jìn)行多次成像。成像位置的獲知可以有多種方式，可以將多個(gè)成像裝置固定好，運(yùn)用相 機(jī)標(biāo)定技術(shù)預(yù)先算出它們之間的相對(duì)位置；也可以將成像裝置固定在一個(gè)具有坐標(biāo)讀數(shù)的 移動(dòng)平臺(tái)上，通過讀出成像時(shí)的坐標(biāo)來確定各個(gè)圖像的成像位置；還可以在物體上或場景 中設(shè)置視覺定位物(如標(biāo)志點(diǎn))，使成像裝置在獲取光點(diǎn)圖像的同時(shí)也獲取這些視覺定位 物的圖像，然后利用攝影測量術(shù)來確定成像位置，等等，不一而足。 本實(shí)例使用兩個(gè)相機(jī)從左右兩側(cè)同步成像，具體的，其包括一個(gè)光點(diǎn)投射裝置和 左右兩個(gè)相機(jī)，光點(diǎn)投射裝置用于產(chǎn)生面狀光點(diǎn)圖案，它可以用投影儀來實(shí)現(xiàn)，也可以專門 設(shè)計(jì)，前者的優(yōu)點(diǎn)是有現(xiàn)成的通用商品可供購買，缺點(diǎn)是體積大，重量大，功耗高，不利于集 成，昂貴，而后者可克服這些缺陷。在本實(shí)例中，可以通過自己設(shè)計(jì)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。比如，光 點(diǎn)投射器位于測量設(shè)備的中部，光點(diǎn)投射器的左、右兩個(gè)相機(jī)呈對(duì)稱分布在設(shè)備中，并存在 一夾角。為了提高對(duì)測量環(huán)境的適應(yīng)性，在兩個(gè)相機(jī)的鏡頭中設(shè)置了濾光片，以濾除投射光 波段以外的雜光。兩個(gè)相機(jī)獲得的圖像數(shù)據(jù)通過USB連接傳送至PC機(jī)進(jìn)行處理。
S130 :匹配光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)。 根據(jù)S110中的討論，可以利用極線約束和最近原則來實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖像中像點(diǎn)的匹 配。作為最近原則的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)，可以利用區(qū)域匹配方法來找到離極線最近的像點(diǎn)。
首先，為了方便區(qū)域匹配，先對(duì)待處理的兩幅圖像進(jìn)行校正，使它們的極線與行掃 描線重合，這樣搜索對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)只需在另一幅圖像的相同行上進(jìn)行即可。然后設(shè)定一個(gè)區(qū)域 寬度，對(duì)另一幅圖像中位于相同行上的每一個(gè)點(diǎn)計(jì)算以該點(diǎn)為中心的方形區(qū)域的SSD值， 選擇SSD值最小的點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)。 如圖2所示，201和202分別為圖1中的圖像112和113校正后的結(jié)果，204為極 線r (109)校正后的結(jié)果，203為校正后p點(diǎn)所在行，205為校正后p點(diǎn)，206為校正后p'點(diǎn)，
8207為方形區(qū)域Wm(x，y)。設(shè)p點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，搜索點(diǎn)的坐標(biāo)為(x-d，y)，則對(duì)應(yīng)搜索點(diǎn) 的SSD值定義為 SSD(x,y，i/)二 Z[/,0,v) —/2(M —t/，v)]2 其中Wm(x， y)是以(x， y)為中心的寬度為m的方形區(qū)域
W邁(x， y) = {u， v | x_m/2《u《x+m/2， y_m/2《v《y+m/2}
I" 12分別為第一、第二幅圖像的灰度值。 由SSD的定義可以看出，越靠近極線的像點(diǎn)其SSD值也就越低，因此根據(jù)最近原則 選擇SSD值最低的點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)。 以上公開的僅是搜索對(duì)應(yīng)點(diǎn)的一種方式，但并非局限于此。
S140 :計(jì)算并保存光點(diǎn)的空間坐標(biāo)。 在完成各個(gè)圖像中像點(diǎn)的匹配之后，利用像點(diǎn)坐標(biāo)和已知的成像位置，運(yùn)用三角
測量原理便可求得光點(diǎn)的空間坐標(biāo)。如圖1所示，P和P'為匹配的像點(diǎn)，o和o'為對(duì)應(yīng)的
成像中心，則由視線op和o' p'求交即可得到光點(diǎn)P的空間坐標(biāo)。 S150 :改變測量位置，繼續(xù)進(jìn)行步驟S110-S140，直至還原出測量對(duì)象。 從S110-S140即可完成一次三維測量，但一般情況下單次測量不足以覆蓋整個(gè)物
體表面，因此需要改變測量位置，重復(fù)以上步驟，以得到完整的三維表面數(shù)據(jù)。根據(jù)待測量
的對(duì)象不同，繼續(xù)進(jìn)行步驟S110-S140。待測量的對(duì)象可以是某一個(gè)物品，也可以某一頭像，
還可以是某一物品的局部。測量位置的改變也可以按照順序來，這樣能提高還原測量對(duì)象
的速度，比如從高到低，從左到右。在本申請(qǐng)中，不需要使用三腳架等固定裝置使測量設(shè)備
保持固定，可以用手持式測量設(shè)備讓用戶隨意移動(dòng)，移動(dòng)到哪里，還原到該面的所有光點(diǎn)的
坐標(biāo)，非常方便且直觀。 由上可知，本實(shí)例具有測量速度快、操作簡單的技術(shù)效果。 圖5是本發(fā)明三維表面測量系統(tǒng)的原理示意圖。它包括測量設(shè)備503和處理裝置， 測量設(shè)備包括投射裝置101和成像裝置。 投射裝置101發(fā)出的光114在待測物體102表面形成面狀光點(diǎn)圖案103，面狀光點(diǎn) 圖案的形狀是預(yù)先確定的。投射裝置101可以為上述提及到光點(diǎn)投射機(jī)，也可以為其它投
射裝置。 成像裝置用于從兩個(gè)以上(含兩個(gè))不同角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像。成像裝 置的個(gè)數(shù)既可以是一個(gè)，通過改變位置來從不同角度獲取圖像；也可以是多個(gè)，各自從不同 角度獲取圖像。本實(shí)例使用左右兩個(gè)成像裝置501和502，它們獲得的圖像通過傳輸線路 504傳送至處理裝置，本實(shí)例的傳輸線路為USB連接。 處理裝置包括控制器505和顯示器506，控制器上至少包括點(diǎn)匹配單元、空間坐標(biāo) 計(jì)算單元和還原單元。 點(diǎn)匹配單元，用于按照預(yù)定的匹配算法匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)； 空間坐標(biāo)計(jì)算單元，用于利用匹配結(jié)果和像點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)三角測量原理計(jì)算光點(diǎn)的
空間坐標(biāo)； 還原單元，用于由光點(diǎn)的空間坐標(biāo)還原出待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像；
顯示器，用于將還原出來的待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像進(jìn)行顯示。
以上公開的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，但本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員能思之變化，都應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種三維表面測量方法，用于測量物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，其特征在于由以下步驟組成(1)向待測對(duì)象表面投射一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述面狀光點(diǎn)圖案中光點(diǎn)之間的距離滿足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值；(2)從至少兩個(gè)角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像；(3)匹配光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)；(4)計(jì)算并保存光點(diǎn)的空間坐標(biāo)；(5)改變測量位置，繼續(xù)進(jìn)行步驟(1)-(4)，直至還原出待測對(duì)象。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)還包括 Al :設(shè)定失配度閾值；A2 :生成一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，光點(diǎn)之間的距離為D ; A3 :將所述面狀光點(diǎn)圖案投射至一標(biāo)準(zhǔn)物體表面； A4 :從至少兩個(gè)不同角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像； A5 :匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)，并得出失配度；A6 :改變測量位置，重復(fù)進(jìn)行步驟A3-A5，直至進(jìn)行步驟A6的次數(shù)等于預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，得 出平均失配度；A7 :若平均失配度小于失配度閾值，則減小D，反之增大D，重復(fù)進(jìn)行步驟A3-A6，直至平 均失配度小于失配度閾值且D最小為止，此時(shí)的面狀光點(diǎn)圖案即為測量時(shí)使用的面狀光點(diǎn) 圖案。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)進(jìn)一步包括利用極線約束和最近 原則，匹配面狀光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)還包括 匹配之前先對(duì)待匹配的兩幅圖像進(jìn)行校正，使它們的極線與行掃描線重合；第 一 幅圖像中點(diǎn)P(x， y)與第二幅圖像中點(diǎn)p ' (x-d， y)匹配的條件為 MD"，>^)= Z[/>，V)-/2(W-^)]2最小，其中w (x，y)是以(x，y)為中心的寬度為m的方形區(qū)域，Ip 12分別為第一、第二幅圖像的灰度值。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，面狀光點(diǎn)的分布為具有藍(lán)噪聲特性的隨機(jī) 分布或者是包括正方形和正三角形在內(nèi)的具有規(guī)則形狀的分布。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)進(jìn)一步包括 根據(jù)三角測量原理，由匹配結(jié)果和像點(diǎn)坐標(biāo)求得對(duì)應(yīng)光點(diǎn)的空間坐標(biāo)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟(1)中，失配度閾值為5%，使用的光 點(diǎn)圖案為20X20的方形陣列，其水平張角和垂直張角相等，均為24° ，相鄰光點(diǎn)的距離為 1. 2° ，圖像的分辨率為640X480，其高度覆蓋整個(gè)光點(diǎn)圖案。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，獲得成像位置進(jìn)一步為 多個(gè)成像裝置固定好，運(yùn)用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)預(yù)先算出它們之間的相對(duì)位置； 將成像裝置固定在一個(gè)具有坐標(biāo)讀數(shù)的移動(dòng)平臺(tái)上，通過讀出成像時(shí)的坐標(biāo)來確定各個(gè)圖像的成像位置；或，在物體上或場景中設(shè)置視覺定位物，使成像裝置在獲取光點(diǎn)圖像的 同時(shí)也獲取這些視覺定位物的圖像，然后利用攝影測量術(shù)來確定成像位置。
9. 一種三維表面測量系統(tǒng)，其特征在于，它包括測量裝置和處理裝置，測量裝置包括投 射裝置和成像裝置；投射裝置，用于向物體表面投射均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述圖案中光點(diǎn)之間的距 離滿足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值；成像裝置，用于從至少兩個(gè)不同角度獲取上述光點(diǎn)的圖像；處理裝置包括控制器和顯示器，控制器上至少包括點(diǎn)匹配單元、空間坐標(biāo)計(jì)算單元和 還原單元；點(diǎn)匹配單元，用于按照預(yù)定的匹配算法匹配各個(gè)圖像中的像點(diǎn)；空間坐標(biāo)計(jì)算單元，用于利用匹配結(jié)果和像點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)三角測量原理計(jì)算光點(diǎn)的空間 坐標(biāo)；還原單元，用于由光點(diǎn)的空間坐標(biāo)還原出待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像； 顯示器，用于將還原出來的待測對(duì)象的三維點(diǎn)云圖像進(jìn)行顯示。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，投射裝置和成像裝置固定在測量設(shè)備中， 投射裝置位于測量設(shè)備的中部，成像裝置位于投射裝置的兩側(cè)。
全文摘要
一種三維表面測量方法，包括(1)向物體表面投射一均勻分布的面狀光點(diǎn)圖案，所述面狀光點(diǎn)圖案中光點(diǎn)之間的距離滿足其像點(diǎn)的平均失配度小于預(yù)設(shè)的失配度閾值；(2)從已知的兩個(gè)及其以上角度獲取物體表面光點(diǎn)的圖像；(3)匹配光點(diǎn)在各個(gè)圖像中的像點(diǎn)；(4)計(jì)算并保存光點(diǎn)的空間坐標(biāo)；(5)改變測量位置，繼續(xù)進(jìn)行步驟(1)-(4)，直至還原出待測對(duì)象。本申請(qǐng)只需投射一幅面狀光點(diǎn)圖案且只需一次成像即可完成測量出該面上所有光點(diǎn)的空間坐標(biāo)。并且，在測量過程中，待測物體與測量裝置之間的距離可以是動(dòng)態(tài)變化的，不像現(xiàn)有技術(shù)中需要要求其固定不變，因此，本申請(qǐng)中用戶使用手持式測量裝置就能完成測量，不需要使用腳手架等固定裝置。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101706263SQ20091019853
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者倪友群, 劉暉 申請(qǐng)人:倪友群;劉暉