一种牙模三维表面数据非接触扫描方法
【专利摘要】本发明公开了一种牙模三维表面数据的非接触扫描方法，采用激光发射器、高精度平移台、和两台网络摄像机构成的三维扫描系统，每个摄像机独立完成三维扫描，然后以其中一台摄像机为坐标原点，通过标定点的三维坐标信息，完成摄像机位置的刚体变换过程求解，最终将扫描的数据经过这个刚体变换，得到在同一个坐标系下的牙模三维表面数据信息，解决了单目场景下的激光平面的标定、线条实时高效的提取、三维实时扫描等相关的技术难题。最终的扫描误差低于0.05mm。在分辨率为640*480下，能够实现20秒小尺寸物体的快速扫描。最终左摄像机的扫描数据经过刚体变换与右摄像机的扫描数据合成，可以得到比较完整的牙模三维扫描数据。
【专利说明】一种牙模三维表面数据非接触扫描方法
【技术领域】
[0001]本发明属于基于线结构激光的三维扫描【技术领域】，涉及双目计算机视觉位姿标定提前配准的非接触三维扫描，具体涉及一种三维表面数据非接触扫描方法。
【背景技术】
[0002]物体几何尺寸的精密测量在光电检测技术中是一个应用非常广泛且实用价值非常高的课题。计算机视觉测量方法具有无接触、准确度高、数据便于处理、易于自动控制等优点，因此基于计算机视觉的光电测量方法作为未来生产生活不可缺少的技术被许多研究者研究。随着计算机图像处理和模式识别技术的迅速发展，在精密测量中采用计算机视觉方法相对于纯机械方法或者其他光学方法具有操作直观简便、适应范围广、精度高等特点，具有很好的应用前景，已成为国内外研究的热点。
[0003]物体的三维轮廓测量法的用途很广，可以应用在机器人导航、视觉监控、监控制造等行业。同时在最近几年兴起的计算机虚拟现实，基于图像的绘制，三维动画等技术中都有广泛应用。物体的三维轮廓重构的实现方法很多，主要包括接触式和非接触式两大类。在非接触中，光学方法应用最为广泛。物体三维重构的光学方法又可以分为主动视觉和被动视觉两类。前者由物体辐射信号或者物体表面反射信号生成图像，成像设备不发出信号；后者是由成像设备发出一束信号，通过接收从物体表面反射回来的或穿透物体的信号生成图像。基于主动视觉的非接触的结构光法以其固有的非接触、易于实现和较高的精度等优点，这种方法的特点是测量过程中侧头不接触被测表面，且测量速度快，适用于各种软、硬材料的各种复杂曲面模型的三维测量。在考古测量与虚拟博物馆，虚拟现实、机械加工等逆向工程越来越多的得以应用。尤其在进入九十年代以来，随着工业检测技术、逆向工程技术和快速成型技术的迅速发展，对三维物体进行表面轮廓重构和测量的需求越来越大，对测量速度和精度要求越来越高，使得三角法式的结构光法成为使用最为广泛的方法。
【发明内容】
[0004]为获取牙模三维表面数据，本发明的目的在于，提供一种牙模三维表面数据的非接触扫描方法，该方法利用一套摄像机位置刚体变换求解的立体式三维扫描系统，能够在20秒内完成牙模数据扫描过程，且误差在0.05毫米范围内。
[0005]为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案:
[0006]一种牙模三维表面数据的非接触扫描方法，其特征在于，该方法采用激光发射器、高精度平移台、和两台网络摄像机构成的三维扫描系统，每个摄像机独立完成三维扫描，然后以其中一台摄像机为坐标原点，通过标定点的三维坐标信息，完成摄像机位置的刚体变换过程求解，最终将扫描的数据经过这个刚体变换，得到在同一个坐标系下的牙模三维表面数据信息，具体按下列步骤操作:
[0007]I)制作标定板，标定板为三列水平方向等距的三个黑圆圈，标定板放置在高精度平移台的台面上，标定板内的标定点分别按从左到右，从上到下的顺序排列，获取所有标定点在图像中的位置坐标；
[0008]2)两个摄像机对称设置在高精度平移台两侧，分别作为独立的单目扫描仪工作，两个摄像机与高精度平移台的台座平面有一定偏角，便于求解摄像机的刚体变换；
[0009]3)根据三维空间中非共线的三点确定唯一平面，即可得到台面的平面方程；
[0010]4)借用激光平面与物体表面相交求解物体表面三维空间位置坐标值,利用平移滑台的匀速运动的特性，添加物体平移值，得到物体的整个表面的三维点云坐标； [0011]5)在扫描过程中，将激光条中心一点在图像中的坐标点转换为成像平面上一点，该点与坐标原点构成的直线与激光平面相交于一点，这点为激光线打在物体上面的物理空间中的点；
[0012]6)高精度平移台左侧摄像机经过选择和平移变换，得到与右摄像机的扫描数据在同一坐标系下的完整的三维扫描数据。
[0013]所述的坐标点为9个，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成三条相互平行的直线。
[0014]所述的三维扫描数据在处理阶段，将扫描得到的数据经过刚体变换合并左右摄像机的扫描数据。
[0015]在图像中激光光条上中心线上，在台座平面内找一个点，在平移台面内找两点；这三点的三维坐标可通过相应公式计算得到，由这三个空间点即可确定激光平面方程。
[0016]所述的标定点的获取方法包括以下步骤:
[0017]第一步，读入图像，对图形进行灰度化、高斯滤波；
[0018]第二步,运用Canny算子提取轮廓；
[0019]第三步，提取轮廓信息，用椭圆逼近算法，提取轮廓的最小逼近椭圆。
[0020]第四步，根据OpenCV提供的函数接口，可以取得轮廓的周长和面积，由此可以得出一个约束条件:
[0021]
【权利要求】
1.一种牙模三维表面数据非接触三维扫描方法，其特征在于，该方法采用激光发射器、高精度平移台、和两台网络摄像机构成的三维扫描系统，每个摄像机独立完成三维扫描，然后以其中一台摄像机为坐标原点，通过标定点的三维坐标信息，完成摄像机位置的刚体变换过程求解，最终将扫描的数据经过这个刚体变换，得到在同一个坐标系下的牙模三维表面数据信息，具体按下列步骤操作: 1)制作标定板，标定板为三列水平方向等距的三个黑圆圈，标定板放置在高精度平移台的台面上，标定板内的标定点分别按从左到右，从上到下的顺序排列，获取所有标定点在图像中的位置坐标； 2)两个摄像机对称设置在高精度平移台两侧，分别作为独立的单目扫描仪工作，两个摄像机与高精度平移台的台座平面有一定偏角，便于求解摄像机的刚体变换； 3)根据三维空间中非共线的三点确定唯一平面，即可得到台面的平面方程； 4)借用激光平面与物体表面相交求解物体表面三维空间位置坐标值，利用平移滑台的匀速运动的特性，添加物体平移值，得到物体的整个表面的三维点云坐标； 5)在扫描过程中，将激光条中心一点在图像中的坐标点转换为成像平面上一点，该点与坐标原点构成的直线与激光平面相交于一点，这点为激光线打在物体上面的物理空间中的点； 6)高精度平移台左侧摄像机经过选择和平移变换，得到与右摄像机的扫描数据在同一坐标系下的完整的三维扫描数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的坐标点为9个，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成三条相互平行的直线。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的三维扫描数据在处理阶段，将扫描得到的数据经过刚体变换合并左右摄像机的扫描数据。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，在图像中激光光条上中心线上，在台座平面内找一个点，在平移台面内找两点；这三点的三维坐标可通过相应公式计算得到，由这三个空间点即可确定激光平面方程。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的标定点的获取方法包括以下步骤: 第一步，读入图像，对图形进行灰度化、高斯滤波； 第二步，运用Canny算子提取轮廓； 第三步，提取轮廓信息，用椭圆逼近算法，提取轮廓的最小逼近椭圆。 第四步，根据OpenCV提供的函数接口，可以取得轮廓的周长和面积，由此可以得出一个约束条件:
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光条中心采用阈值重心法，包括以下步骤: 首先在图像的空间域中首先给定一个阈值，当图像中某个位置的亮度值大于设定的阈值时提取该点，否则跳过该点，进行下一个； 然后再将提取到的点运用重心法进行计算就得到光条中心结构光中心点； 最后按照图像的高斯分布法则，在上述提取的中心点上，对每个点进行Hessian矩阵运算，得到中心点 的法线，最终得到光条中心的亚像素精确点。
【文档编号】G01B11/24GK103759671SQ201410012040
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】张志毅, 贺一民, 袁林 申请人:西北农林科技大学