基于結(jié)構(gòu)光的實(shí)時(shí)測量拼接方法及其設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量以及三維建模的方法，更具體的說是涉及一種基于結(jié)構(gòu) 光的實(shí)時(shí)測量拼接方法及其設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動化在現(xiàn)代制造業(yè)中具有重要的意義，在三維測量領(lǐng)域，獲取物體的精確模型 的步驟主要包括有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取以及拼接。
[0003] 其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取主要包括有激光掃描與光柵式測量，而光柵式測量由于其 精度高、大量程以及簡易化、抗干擾能力強(qiáng)等特性得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光法的基本思想 就是利用光柵圖的信息來幫助提取物體中的幾何信息，得到物體的與攝像機(jī)鏡頭的距離， 再通過系統(tǒng)標(biāo)定求得物體在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。
[0004] 點(diǎn)云拼接主要用于將不同視角下測得的物體點(diǎn)云統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下，問題的關(guān) 鍵是坐標(biāo)變換參數(shù)的求取。在實(shí)際測量過程中點(diǎn)云，拼接一般分粗拼接和精確拼接兩步。粗 拼接大致將不同坐標(biāo)系下點(diǎn)云對準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下，常用的方法有轉(zhuǎn)臺法、標(biāo)簽法和曲面 特征法等。其中轉(zhuǎn)臺法對測量設(shè)備的要求較高，定位精度一般不易保證，其拼合精度取決于 轉(zhuǎn)臺中心軸線的精確標(biāo)定。而標(biāo)記點(diǎn)的設(shè)置比較繁瑣，標(biāo)志點(diǎn)的識別和定位會帶來精度損 失，且干擾了被測形貌自身特征，影響測量的真實(shí)性。曲面特征法則要求點(diǎn)云有較明顯的特 征，利用曲面特征尋找點(diǎn)云間的對應(yīng)關(guān)系。一般粗拼接很難滿足精度要求，精確拼接方法常 用的迭代最近點(diǎn)（ICP)算法。其中確立對應(yīng)點(diǎn)集為ICP算法的關(guān)鍵，決定了算法的收斂速 度與最終的拼接精度。傳統(tǒng)的基于點(diǎn)到點(diǎn)距離的ICP算法在迭代過程中容易引入錯(cuò)誤對應(yīng) 點(diǎn)，效率與精度都難以滿足實(shí)際需求。
[0005] 由于粗拼接導(dǎo)致的錯(cuò)誤點(diǎn)會對ICP算法的精確拼接產(chǎn)生較大的影響，因而國內(nèi)外 主要的三維測量儀器主要依賴于標(biāo)簽法，即通過人為的干預(yù)提高粗拼接的精度，也因此影 響了測量的速度以及自動化程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種測量和拼接時(shí)不依賴標(biāo)志 點(diǎn)，且效率高的基于結(jié)構(gòu)光的實(shí)時(shí)測量拼接方法及其設(shè)備。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種基于結(jié)構(gòu)光的實(shí)時(shí)測量拼接 方法，實(shí)現(xiàn)物體的測量，包括如下步驟： 步驟一，進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定和粗拼接參數(shù)的標(biāo)定； 步驟二，利用步驟一中標(biāo)定好的相機(jī)多個(gè)視角拍攝被測物體，并將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 進(jìn)行拼接； 步驟三，對拼接后剩余的散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，進(jìn)行點(diǎn)云精簡； 步驟四，利用PCL開源庫提供的點(diǎn)云可視化類對最終處理完成的點(diǎn)云進(jìn)行顯示，完成 對物體的測量。
[0008] 通過采用上述技術(shù)方案，通過步驟一的設(shè)置，就可以有效的對測量中使用的相機(jī) 投影儀等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以便于后面設(shè)備對物品的拍攝，以及在拍攝好以后能夠快速 的進(jìn)入粗拼接，通過步驟二的設(shè)置，就可以有效的拍攝到物品多個(gè)視角的被測物體，這樣就 不需要現(xiàn)有技術(shù)中的人工去調(diào)節(jié)了，而通過步驟三的設(shè)置，就可以將經(jīng)過拼接后剩余的散 亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以避免這些剩余點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失和散亂導(dǎo)致的測量精確降低的問 題，而通過步驟四的設(shè)置，就可以有效的將上述三個(gè)步驟所測量到的數(shù)據(jù)顯示出來，有效的 完成物體的測量，這樣整個(gè)測量過程不需要人手工的去干預(yù)，大大的增加了測量效率，而且 測量完成之后沒有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失和散亂，測量起來更加的精確。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：上述步驟二由如下步驟組成： 步驟（1)，利用相機(jī)對被測物體進(jìn)行一個(gè)視角拍攝，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟（2)，對上述步驟（1)中獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪； 步驟（3)，創(chuàng)建點(diǎn)云拼接線程，加入線程池以對經(jīng)過上述步驟（2)降噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn) 行拼接； 步驟（4)，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤并返回步驟（1)，判斷是否完成所有視角拍攝，若完成則 至步驟三，若未完成則至步驟（1)。
[0010] 通過采用上述技術(shù)方案，通過步驟（1)的設(shè)置，就可以有效的通過相機(jī)獲取到被 測物體一個(gè)視角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過步驟（2)的設(shè)置就可以濾除掉摻雜在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的 干擾數(shù)據(jù)，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)容更加的精確，通過步驟（3)的設(shè)置就可以有效對上述采集 到并且經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接拼接，完成對被測物體一個(gè)視角的測量，通過步驟 (4)的設(shè)置，就可以有效的實(shí)現(xiàn)測量完成一個(gè)視角之后，能夠自動的轉(zhuǎn)到下一個(gè)視角進(jìn)行測 量，最后完成所有的測量。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：步驟（1)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取步驟是通過數(shù)字正弦光柵投影 的三維測量技術(shù)獲取。
[0012] 通過采用上述技術(shù)方案，數(shù)字正弦光柵投影的三維測量技術(shù)可以很好的獲取一個(gè) 物品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因而用在這里可以有效的獲取到被測物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：步驟（2)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪步驟是利用點(diǎn)云這種順序排列 的特點(diǎn)，可以快速地找到每個(gè)點(diǎn)的鄰域，利用均值濾波的原理進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪。
[0014] 通過采用上述技術(shù)方案，這樣就額可以有效的對獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處 理，有效的增加了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：步驟（3)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接包括粗拼接步驟和精拼接步 驟。
[0016] 通過采用上述技術(shù)方案，通過粗拼接的設(shè)置，就可以有效的大致拼出被測物體的 數(shù)據(jù)，而通過精拼接之后，就可以有效的拼出所需要的測量數(shù)據(jù)。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述的粗拼接步驟包括如下步驟： a. 首先在轉(zhuǎn)盤上放置一帶有標(biāo)記點(diǎn)的標(biāo)志物； b. 對標(biāo)志物投射結(jié)構(gòu)光，完成拍照； c. 計(jì)算得到拍照圖片中各點(diǎn)二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系； d. 檢測圖片中的標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo)，利用（2)中的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算得到標(biāo)記點(diǎn)的三維坐 標(biāo)； e. 保持標(biāo)志物在轉(zhuǎn)盤上的相對位置不變，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，重復(fù)b至d，得到旋 轉(zhuǎn)后標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)； f. 利用旋轉(zhuǎn)前后兩組標(biāo)記點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，利用SVD法計(jì)算得到變換矩陣T。
[0018] 通過采用上述技術(shù)方案，通過a步驟的設(shè)置，就可以為被測體的拍攝找到一個(gè)拍 攝點(diǎn)，然后通過b步驟的設(shè)置，就可以有效的拍攝到較為清晰的物體影像，接著通過c步驟 的設(shè)置，就可以得到二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，通過d步驟的設(shè)置，就可以得到標(biāo)記 點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過e步驟的設(shè)置，就可以自動的改變物體的拍攝角度，獲得另一個(gè)拍攝角 度的二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系以及標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過f步驟的設(shè)置，就可以 有效的對上述獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗拼接作用，獲得經(jīng)過粗拼接操作后的變換矩陣T，這 樣就能有效的完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的粗拼接作用，其不僅更加的精確，而且還不需要人工的參 與，有效的提升了拼接效率。
[0019] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述的精拼接步驟包括如下步驟： A. 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行等距采樣； B. 計(jì)算點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)到另一片點(diǎn)云中歐氏距離最近的點(diǎn)； C. 將最小點(diǎn)間距小于設(shè)定閾值的點(diǎn)對加入對應(yīng)點(diǎn)集； D. 利用方向性約束和剛性約束對對應(yīng)點(diǎn)集中的誤匹配點(diǎn)進(jìn)行剔除； E. 利用SVD法求解對應(yīng)點(diǎn)間的變換矩陣； F. 計(jì)算旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)云與旋轉(zhuǎn)前的點(diǎn)云的距離平方和，若相鄰兩次計(jì)算的距離平方和的 差值小于閾值ε，則停止計(jì)算；否則重復(fù)A-E，直至差值小于ε或迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定最大 值。
[0020] 通過采用上述技術(shù)方案，通過Α步驟的設(shè)置就可以采樣到一個(gè)具有規(guī)律的原始數(shù) 據(jù)，通過B步驟的設(shè)置就可以獲得另一片點(diǎn)云中歐氏距離最近的點(diǎn)，通過C步驟的設(shè)置就可 以將另一片點(diǎn)云中歐氏距離最近的點(diǎn)加入對應(yīng)點(diǎn)集，通過D步驟的設(shè)置就可以剔除掉對應(yīng) 點(diǎn)集中的誤匹配點(diǎn)，通過E步驟的設(shè)置就可以有效的得到對應(yīng)點(diǎn)間的變換矩陣，通過步驟F 的設(shè)置就可以有效的完成點(diǎn)云的精拼接，這樣通過上述步驟的設(shè)置就可以完成點(diǎn)云的精拼 接，使得最后測量出的物體更加的準(zhǔn)確。
[0021] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：步驟三中點(diǎn)云精簡步驟采用基于曲面特征的點(diǎn)云精簡算 法，以各點(diǎn)的曲率用以描述曲面特征。
[0022] 通過采用上述技術(shù)方案，為更好地保留點(diǎn)云細(xì)節(jié)特征以及更好的穩(wěn)定性，選擇基 于曲面特征的點(diǎn)云精簡算法，并以各點(diǎn)的曲率用以描述曲面特征。這種算法較其他算法精 度較高，這樣就可以有效的提升整個(gè)測量方法的測量精度。
[0023] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：采用主成分分析法擬合點(diǎn)云的局部曲率。
[0024] 通過采用上述技術(shù)方案，通過主成分分析法的設(shè)置，可以簡單有效的算出各點(diǎn)的 曲率以及法向量。
[0025] 本發(fā)明另一方面提供了一種應(yīng)用于上述方