一種牙模三維表面數(shù)據(jù)非接觸掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種牙模三維表面數(shù)據(jù)的非接觸掃描方法，采用激光發(fā)射器、高精度平移臺(tái)、和兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成的三維掃描系統(tǒng)，每個(gè)攝像機(jī)獨(dú)立完成三維掃描，然后以其中一臺(tái)攝像機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，完成攝像機(jī)位置的剛體變換過(guò)程求解，最終將掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)這個(gè)剛體變換，得到在同一個(gè)坐標(biāo)系下的牙模三維表面數(shù)據(jù)信息，解決了單目場(chǎng)景下的激光平面的標(biāo)定、線條實(shí)時(shí)高效的提取、三維實(shí)時(shí)掃描等相關(guān)的技術(shù)難題。最終的掃描誤差低于0.05mm。在分辨率為640*480下，能夠?qū)崿F(xiàn)20秒小尺寸物體的快速掃描。最終左攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)剛體變換與右攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)合成，可以得到比較完整的牙模三維掃描數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】一種牙模三維表面數(shù)據(jù)非接觸掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于基于線結(jié)構(gòu)激光的三維掃描【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及雙目計(jì)算機(jī)視覺(jué)位姿標(biāo)定提前配準(zhǔn)的非接觸三維掃描，具體涉及一種三維表面數(shù)據(jù)非接觸掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物體幾何尺寸的精密測(cè)量在光電檢測(cè)技術(shù)中是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛且實(shí)用價(jià)值非常高的課題。計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量方法具有無(wú)接觸、準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)便于處理、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，因此基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的光電測(cè)量方法作為未來(lái)生產(chǎn)生活不可缺少的技術(shù)被許多研究者研究。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展，在精密測(cè)量中采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法相對(duì)于純機(jī)械方法或者其他光學(xué)方法具有操作直觀簡(jiǎn)便、適應(yīng)范圍廣、精度高等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003]物體的三維輪廓測(cè)量法的用途很廣，可以應(yīng)用在機(jī)器人導(dǎo)航、視覺(jué)監(jiān)控、監(jiān)控制造等行業(yè)。同時(shí)在最近幾年興起的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)，基于圖像的繪制，三維動(dòng)畫(huà)等技術(shù)中都有廣泛應(yīng)用。物體的三維輪廓重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法很多，主要包括接觸式和非接觸式兩大類。在非接觸中，光學(xué)方法應(yīng)用最為廣泛。物體三維重構(gòu)的光學(xué)方法又可以分為主動(dòng)視覺(jué)和被動(dòng)視覺(jué)兩類。前者由物體輻射信號(hào)或者物體表面反射信號(hào)生成圖像，成像設(shè)備不發(fā)出信號(hào)；后者是由成像設(shè)備發(fā)出一束信號(hào)，通過(guò)接收從物體表面反射回來(lái)的或穿透物體的信號(hào)生成圖像。基于主動(dòng)視覺(jué)的非接觸的結(jié)構(gòu)光法以其固有的非接觸、易于實(shí)現(xiàn)和較高的精度等優(yōu)點(diǎn)，這種方法的特點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程中側(cè)頭不接觸被測(cè)表面，且測(cè)量速度快，適用于各種軟、硬材料的各種復(fù)雜曲面模型的三維測(cè)量。在考古測(cè)量與虛擬博物館，虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)械加工等逆向工程越來(lái)越多的得以應(yīng)用。尤其在進(jìn)入九十年代以來(lái)，隨著工業(yè)檢測(cè)技術(shù)、逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)三維物體進(jìn)行表面輪廓重構(gòu)和測(cè)量的需求越來(lái)越大，對(duì)測(cè)量速度和精度要求越來(lái)越高，使得三角法式的結(jié)構(gòu)光法成為使用最為廣泛的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為獲取牙模三維表面數(shù)據(jù)，本發(fā)明的目的在于，提供一種牙模三維表面數(shù)據(jù)的非接觸掃描方法，該方法利用一套攝像機(jī)位置剛體變換求解的立體式三維掃描系統(tǒng)，能夠在20秒內(nèi)完成牙模數(shù)據(jù)掃描過(guò)程，且誤差在0.05毫米范圍內(nèi)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種牙模三維表面數(shù)據(jù)的非接觸掃描方法，其特征在于，該方法采用激光發(fā)射器、高精度平移臺(tái)、和兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成的三維掃描系統(tǒng)，每個(gè)攝像機(jī)獨(dú)立完成三維掃描，然后以其中一臺(tái)攝像機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，完成攝像機(jī)位置的剛體變換過(guò)程求解，最終將掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)這個(gè)剛體變換，得到在同一個(gè)坐標(biāo)系下的牙模三維表面數(shù)據(jù)信息，具體按下列步驟操作:
[0007]I)制作標(biāo)定板，標(biāo)定板為三列水平方向等距的三個(gè)黑圓圈，標(biāo)定板放置在高精度平移臺(tái)的臺(tái)面上，標(biāo)定板內(nèi)的標(biāo)定點(diǎn)分別按從左到右，從上到下的順序排列，獲取所有標(biāo)定點(diǎn)在圖像中的位置坐標(biāo)；
[0008]2)兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)稱設(shè)置在高精度平移臺(tái)兩側(cè)，分別作為獨(dú)立的單目掃描儀工作，兩個(gè)攝像機(jī)與高精度平移臺(tái)的臺(tái)座平面有一定偏角，便于求解攝像機(jī)的剛體變換；
[0009]3)根據(jù)三維空間中非共線的三點(diǎn)確定唯一平面，即可得到臺(tái)面的平面方程；
[0010]4)借用激光平面與物體表面相交求解物體表面三維空間位置坐標(biāo)值,利用平移滑臺(tái)的勻速運(yùn)動(dòng)的特性，添加物體平移值，得到物體的整個(gè)表面的三維點(diǎn)云坐標(biāo)； [0011]5)在掃描過(guò)程中，將激光條中心一點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為成像平面上一點(diǎn)，該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)成的直線與激光平面相交于一點(diǎn)，這點(diǎn)為激光線打在物體上面的物理空間中的點(diǎn)；
[0012]6)高精度平移臺(tái)左側(cè)攝像機(jī)經(jīng)過(guò)選擇和平移變換，得到與右攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下的完整的三維掃描數(shù)據(jù)。
[0013]所述的坐標(biāo)點(diǎn)為9個(gè)，其中每三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)均勻分布在一條直線上，形成三條相互平行的直線。
[0014]所述的三維掃描數(shù)據(jù)在處理階段，將掃描得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)剛體變換合并左右攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)。
[0015]在圖像中激光光條上中心線上，在臺(tái)座平面內(nèi)找一個(gè)點(diǎn)，在平移臺(tái)面內(nèi)找兩點(diǎn)；這三點(diǎn)的三維坐標(biāo)可通過(guò)相應(yīng)公式計(jì)算得到，由這三個(gè)空間點(diǎn)即可確定激光平面方程。
[0016]所述的標(biāo)定點(diǎn)的獲取方法包括以下步驟:
[0017]第一步，讀入圖像，對(duì)圖形進(jìn)行灰度化、高斯濾波；
[0018]第二步,運(yùn)用Canny算子提取輪廓；
[0019]第三步，提取輪廓信息，用橢圓逼近算法，提取輪廓的最小逼近橢圓。
[0020]第四步，根據(jù)OpenCV提供的函數(shù)接口，可以取得輪廓的周長(zhǎng)和面積，由此可以得出一個(gè)約束條件:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種牙模三維表面數(shù)據(jù)非接觸三維掃描方法，其特征在于，該方法采用激光發(fā)射器、高精度平移臺(tái)、和兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成的三維掃描系統(tǒng)，每個(gè)攝像機(jī)獨(dú)立完成三維掃描，然后以其中一臺(tái)攝像機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，完成攝像機(jī)位置的剛體變換過(guò)程求解，最終將掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)這個(gè)剛體變換，得到在同一個(gè)坐標(biāo)系下的牙模三維表面數(shù)據(jù)信息，具體按下列步驟操作: 1)制作標(biāo)定板，標(biāo)定板為三列水平方向等距的三個(gè)黑圓圈，標(biāo)定板放置在高精度平移臺(tái)的臺(tái)面上，標(biāo)定板內(nèi)的標(biāo)定點(diǎn)分別按從左到右，從上到下的順序排列，獲取所有標(biāo)定點(diǎn)在圖像中的位置坐標(biāo)； 2)兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)稱設(shè)置在高精度平移臺(tái)兩側(cè)，分別作為獨(dú)立的單目掃描儀工作，兩個(gè)攝像機(jī)與高精度平移臺(tái)的臺(tái)座平面有一定偏角，便于求解攝像機(jī)的剛體變換； 3)根據(jù)三維空間中非共線的三點(diǎn)確定唯一平面，即可得到臺(tái)面的平面方程； 4)借用激光平面與物體表面相交求解物體表面三維空間位置坐標(biāo)值，利用平移滑臺(tái)的勻速運(yùn)動(dòng)的特性，添加物體平移值，得到物體的整個(gè)表面的三維點(diǎn)云坐標(biāo)； 5)在掃描過(guò)程中，將激光條中心一點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為成像平面上一點(diǎn)，該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)成的直線與激光平面相交于一點(diǎn)，這點(diǎn)為激光線打在物體上面的物理空間中的點(diǎn)； 6)高精度平移臺(tái)左側(cè)攝像機(jī)經(jīng)過(guò)選擇和平移變換，得到與右攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下的完整的三維掃描數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的坐標(biāo)點(diǎn)為9個(gè)，其中每三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)均勻分布在一條直線上，形成三條相互平行的直線。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的三維掃描數(shù)據(jù)在處理階段，將掃描得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)剛體變換合并左右攝像機(jī)的掃描數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，在圖像中激光光條上中心線上，在臺(tái)座平面內(nèi)找一個(gè)點(diǎn)，在平移臺(tái)面內(nèi)找兩點(diǎn)；這三點(diǎn)的三維坐標(biāo)可通過(guò)相應(yīng)公式計(jì)算得到，由這三個(gè)空間點(diǎn)即可確定激光平面方程。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的標(biāo)定點(diǎn)的獲取方法包括以下步驟: 第一步，讀入圖像，對(duì)圖形進(jìn)行灰度化、高斯濾波； 第二步，運(yùn)用Canny算子提取輪廓； 第三步，提取輪廓信息，用橢圓逼近算法，提取輪廓的最小逼近橢圓。 第四步，根據(jù)OpenCV提供的函數(shù)接口，可以取得輪廓的周長(zhǎng)和面積，由此可以得出一個(gè)約束條件:
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光條中心采用閾值重心法，包括以下步驟: 首先在圖像的空間域中首先給定一個(gè)閾值，當(dāng)圖像中某個(gè)位置的亮度值大于設(shè)定的閾值時(shí)提取該點(diǎn)，否則跳過(guò)該點(diǎn)，進(jìn)行下一個(gè)； 然后再將提取到的點(diǎn)運(yùn)用重心法進(jìn)行計(jì)算就得到光條中心結(jié)構(gòu)光中心點(diǎn)； 最后按照?qǐng)D像的高斯分布法則，在上述提取的中心點(diǎn)上，對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Hessian矩陣運(yùn)算，得到中心點(diǎn) 的法線，最終得到光條中心的亞像素精確點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103759671SQ201410012040
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】張志毅, 賀一民, 袁林 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)