一種基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法技術

本發明專利技術公開了一種基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，通過采用新的背景模型的建立、空間坐標系的確定及結構光中心提取和存貯方式，降低成本、簡化操作，實現實時性，即時顯示測量結果。本發明專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，操作技術要求低：對于非接觸方式的三維掃描方式一般要求較高的使用技能，本發明專利技術提供友好的使用方法簡單易操作，不需要具備較高的專業知識。本發明專利技術掃描速度快：非接觸測量一般要進行數據分析，所以測量時間一般比較慢；本發明專利技術可以實現實時掃描，能夠即時顯示測量結果，并且操作極其便利。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于三維掃描
，涉及。
技術介紹
目前三維掃描方式主要分為兩種，接觸式三維掃描和非接觸三維掃描。接觸式掃描是通過高精密度可控探針在與物體表面直接接觸后記錄物體表面上接觸點的三維位置信息來實現的。非接觸掃描方式主要用在學術研究專業和工業生產中，主要用到的方式包括兩種，一種是基于物理聲波的掃描方式，例如通過超聲波進行三維掃描；另一種方式為基于光學和機器視覺的非接觸三維掃描方式。非接觸掃描方式可以更好的保護被測量對象，避免因測量過程中產生接觸而破壞物體表面。基于機器視覺的非接觸三維掃描方式相比于基于物理聲波等非接觸三維掃描方式，其優點主要有設備造價低廉、操作方便、測量速度快、能耗低等特點。同時可以對測量對象的三維點云數據存儲，對測量對象的數字分析提供比較準確的數據信息。基于機器視覺的非接觸三維掃描方式包括基于雙目機器視覺的三維物體表面的掃描系統和基于單目機器視覺的三維物體表面的掃描系統。基于平行的雙目機器視覺的三維掃描技術，首先用雙目視覺獲得兩幅視差圖像，然后對兩幅圖像中的對應特征點進行匹配，最后利用匹配結果計算各點在空間中相對于攝像頭中心的三維坐標。其技術缺點在于I)特征點不易提取，匹配過程極容易產生誤差，且誤差比較大。2)視差圖像中對應點的匹配算法十分復雜，因耗時難以提高掃描速度。3)雙目視覺系統標定和校正難以操作，微小的移動或變形都會導致畸變。基于單目機器視覺的三維物體表面的掃描系統，利用兩塊相互垂直的標定板以及固定的標定點進行背景建模，建立空間坐標系。用一字線激光筆照射被掃描對象時，從每幀圖像中可提取物體表面上被照亮的一條線上的三維點數據。人手持激光筆上下移動，光線適宜的情況下能還原出物體的表面。其技術缺點在于I)標定板大小以及標定點的位置固定，標定板的兩個面必須互相垂直。如果擴大測量物體，用當前標定板就不能進行掃描操作。對于普通用戶，很難保證標定板的兩個面完全互相垂直，更希望標定板的兩個面能夠以任意角度放置。2)掃描過程對環境要求苛刻，要求環境中的所有光都必取消掉，否則會嚴重影響掃描效果。3)軟件操作復雜，需要較長時間來對軟件進行熟悉。
技術實現思路
本專利技術解決的問題在于提供，通過采用新的背景模型的建立、空間坐標系的確定及結構光中心提取和存貯方式，降低成本、簡化操作，實現實時性，即時顯示測量結果。本專利技術是通過以下技術方案來實現，包括以下步驟I)制作背景板，背景板包括相互連接的左標定板和右標定板，在左標定板和右標定板上相互對稱的設置若干個均勻分布的坐標點；2)在背景板前放置攝像頭，通過激光筆依次點亮左標定板和右標定板上的坐標點，以攝像頭中心點為坐標原點，提取各個坐標點的位置，以左標定板、右標定板上的坐標點分別構建其背景平面方程；3)將待掃描的物體放置在左標定板和右標定板之間，激光筆持續晃動照射，此時攝像頭能實時捕獲到激光照射到待掃描物體表面上的圖像； 在激光筆照射時，提取激光中心線，然后分別取激光線打在左標定板上的兩個點和打在右標定板上的兩個點構造激光線平面；4)以攝像頭中心點為坐標原點，通過激光筆照射到物體表面上的圖像，提取得到激光光條中心線點，稱為激光線點；通過激光線點與攝像頭中心點構成直線方程，該直線方程與激光線平面相交于一點，將圖像中的激光光條中心線上的所有點轉換為相對與攝像頭中心點的三維空間點；5)利用所構建的左標定板、右標定板的平面方程作為篩選器，把不是平面上的三維空間點篩選出來就得到了落在待掃描物體表面上的三維空間點，得到了被掃描物體表面的二維空間彳目息，二維空間彳目息是以攝像頭中心點為坐標原點的；6)建立一個對應于圖像大小的二維數組，將得到的被掃描物體表面的三維空間點信息存儲到二維數組中，再按照OBJ格式要求，將數據寫入OBJ文件中；7)按照OBJ文件的繪制方式利用OpenGL圖形繪制接口繪制顯示，得到掃描物體的三維點云顯示結果。所述的左標定板和右標定板的連接角度可調。所述的坐標點為12個，左標定板和右標定板上均設有六個坐標點，其中每三個坐標點均勻分布在一條直線上，形成兩條相互平行的直線。所述的坐標點為10個，左標定板和右標定板上均設有五個坐標點，這五個坐標點均勻分布在呈十字形相互垂直的兩條直線上。所述是利用光強式結構光中心提取方法或者亮度圖的差分式結構光中心提取方法得到激光中心線。所述的光強式結構光中心提取方法，包括以下步驟首先在圖像的空間域中首先給定一個閾值，當圖像中某個位置的亮度值大于設定的閾值時提取該點，否則跳過該點，進行下一個；然后再將提取到的點中運用重心法進行計算就得到光條中心結構光中心點；最后按照圖像的高斯分布法則，在上述提取的中心點上，對每個點進行Hessian矩陣運算，得到中心點的法線，最終得到光條中心的亞像素精確點。所述的亮度圖的差分式結構光中心提取方法，包括以下步驟第一步，將RGB三通道圖轉換為亮度圖，然后在圖像中沒有激光亮條紋時提取20幀圖像作為背景幀，對這20幀圖像進行均值計算，最后的均值圖像作為最后的背景幀；第二步，在圖像中出現激光條紋后，將此時的圖像減去背景幀，最后剩下中心亮條紋；第三步，再按照上面的光條紋光強提取辦法，再利用重心法即求得激光光條的中心。所述的激光筆照射晃動的頻率為O. 05赫茲，即20秒遍歷待掃描物體一次。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益的技術效果本專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，背景模型標定準確通過在背景板上設置坐標點，進而通過坐標點來確定標定板左右平面，確定空間坐標系，標定準確而且左右標定板的角度可調，克服了現有技術中左右標定板要求垂直的限定，而背景模型的建立的好壞直接影響三維掃描的精度以及掃描效果；而且背景板制作簡單，可以為各種尺寸的物體進行有效掃描。 提取效果好結構光中心的有效提取也直接影響三維掃描的準確度，目前所用到的光心提取算法為重心法，大多數對環境光要求比較苛刻，本專利技術可以選擇光強式提取方式或基于亮度圖的差分式進行結構光中心的提取，對環境光的要求比較低，提取效果良好。本專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，能夠對被測量對象的三維數據進行有效存儲目前的存儲方案中三維數據的抖動性較大，實驗采樣的重復性不好；而本專利技術可以得到測量對象的精確三維點數據，并按照obj格式存儲，數據量較小，便于結果的顯示和分析；對被掃描對象進行數字化，可以通過相應的圖形軟件對被測對象進行更加細致的分析與研究。本專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，構建設備成本非常低廉本專利技術用最簡單的儀器設備來構建，成本低廉，不超過2千元，在進行圖像攝取時僅需要一個高質量網絡攝像頭(800兀左右),一個一字線激光筆(1000兀左右),相對于市場上現有的各種三維掃描系統動輒10余萬、幾十萬來說成本非常低廉。本專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，操作技術要求低對于非接觸方式的三維掃描方式一般要求較高的使用技能，本專利技術提供友好的使用方法簡單易操作，不需要具備較高的專業知識。本專利技術提供的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，掃描速度快非接觸測量一般要進行數據分析，所以測量時間一般比較慢；本專利技術可以實現實時掃描，能夠即時顯示測量結果，并且操作極其便利。附圖說明圖I為背景板及坐標點排列示意圖；圖2為通過坐標點本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，其特征在于，包括以下步驟：1）制作背景板，背景板包括相互連接的左標定板和右標定板，在左標定板和右標定板上相互對稱的設置若干個均勻分布的坐標點；2）在背景板前放置攝像頭，通過激光筆依次點亮左標定板和右標定板上的坐標點，以攝像頭中心點為坐標原點，提取各個坐標點的位置，以左標定板、右標定板上的坐標點分別構建其背景平面方程；3）將待掃描的物體放置在左標定板和右標定板之間，激光筆持續晃動照射，此時攝像頭能實時捕獲到激光照射到待掃描物體表面上的圖像；在激光筆照射時，提取激光中心線，然后分別取激光線打在左標定板上的兩個點和打在右標定板上的兩個點構造激光線平面；4）以攝像頭中心點為坐標原點，通過激光筆照射到物體表面上的圖像，提取得到激光光條中心線點，稱為激光線點；通過激光線點與攝像頭中心點構成直線方程，該直線方程與激光線平面相交于一點，將圖像中的激光光條中心線上的所有點轉換為相對與攝像頭中心點的三維空間點；5）利用所構建的左標定板、右標定板的平面方程作為篩選器，把不是平面上的三維空間點篩選出來就得到了落在待掃描物體表面上的三維空間點，得到了被掃描物體表面的三維空間信息，三維空間信息是以攝像頭中心點為坐標原點的；6）建立一個對應于圖像大小的二維數組，將得到的被掃描物體表面的三維空間點信息存儲到二維數組中，再按照OBJ格式要求，將數據寫入OBJ文件中；7）按照OBJ文件的繪制方式利用OpenGL圖形繪制接口繪制顯示，得到掃描物體的三維點云顯示結果。...

【技術特征摘要】
1.一種基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，其特征在于，包括以下步驟 O制作背景板，背景板包括相互連接的左標定板和右標定板，在左標定板和右標定板上相互對稱的設置若干個均勻分布的坐標點； 2)在背景板前放置攝像頭，通過激光筆依次點亮左標定板和右標定板上的坐標點，以攝像頭中心點為坐標原點，提取各個坐標點的位置，以左標定板、右標定板上的坐標點分別構建其背景平面方程； 3)將待掃描的物體放置在左標定板和右標定板之間，激光筆持續晃動照射，此時攝像頭能實時捕獲到激光照射到待掃描物體表面上的圖像； 在激光筆照射時，提取激光中心線，然后分別取激光線打在左標定板上的兩個點和打在右標定板上的兩個點構造激光線平面； 4)以攝像頭中心點為坐標原點，通過激光筆照射到物體表面上的圖像，提取得到激光光條中心線點，稱為激光線點；通過激光線點與攝像頭中心點構成直線方程，該直線方程與激光線平面相交于一點，將圖像中的激光光條中心線上的所有點轉換為相對與攝像頭中心點的三維空間點； 5)利用所構建的左標定板、右標定板的平面方程作為篩選器，把不是平面上的三維空間點篩選出來就得到了落在待掃描物體表面上的三維空間點，得到了被掃描物體表面的三維空間信息，三維空間信息是以攝像頭中心點為坐標原點的； 6)建立一個對應于圖像大小的二維數組，將得到的被掃描物體表面的三維空間點信息存儲到二維數組中，再按照OBJ格式要求，將數據寫入OBJ文件中； 7)按照OBJ文件的繪制方式利用OpenGL圖形繪制接口繪制顯示，得到掃描物體的三維點云顯示結果。2.如權利要求I所述的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，其特征在于，所述的左標定板和右標定板的連接角度可調。3.如權利要求I所述的基于單目機器視覺的非接觸三維掃描方法，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張志毅，袁林，王芳，
申請(專利權)人：西北農林科技大學，
類型：發明
國別省市：