一种基于跟踪器的大型物体三维测量中LED标记的标定方法与流程

本发明属于三维测量技术领域，涉及三维测量技术中的LED标记标定方法，特别是一种基于立体跟踪器的大型物体三维测量中LED标记的标定方法。

技术背景

基于跟踪器的大型物体三维测量方法是一种新兴的三维测量技术。在该技术中，需要利用三维扫描仪和立体跟踪器等设备实现三维测量。三维扫描仪包括两个工业相机和一个投影仪组成，立体跟踪器包括两个工业相机。在三维扫描仪上需要安装若干LED反光标记。通过移动三维扫描仪，测量大型物体的局部三维数据。在移动三维扫描仪测量大型物体的局部数据的过程中，立体跟踪器需要跟踪三维扫描仪上的LED标记，计算三维扫描仪的姿态，拼接局部数据。在此过程中，如何准确地标定三维扫描仪上的LED标记，是实现精确拼接的关键技术。所谓标定LED的标记，是指计算LED标记在三维扫描仪坐标系中的三维坐标。一般是先进行LED标记匹配，然后进行标定。但是由于三维扫描仪上的工业相机无法看到安装在自身上的LED标记，如何标定LED标记非常困难。

在现有技术中，往往采用点对应的方式，实现LED标记匹配。由于所有LED标记所在图像区域的局部特征非常相似，无法采用传统的点特征匹配技术实现精确匹配。因此只能利用平面几何关系寻找点的对应关系，但是该方法会产生较大的匹配错误。而且，现有技术通常采用圆形图案的标定方法进行LED标记的标定，该方法无法精确地寻找空间标定物，标定精度和鲁棒性较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于跟踪器的大型物体三维测量中LED标记的标定方法。该方法LED标记匹配精确度高，能准确地寻找空间标定物的点特征，其标定精度和鲁棒性高，从而能够方便、准确地在三维测量中对LED标记进行标定。

为了解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种基于跟踪器的大型物体三维测量中LED标记的标定方法，所采用的系统包括：一台包括两个工业相机和一台投影仪的三维扫描仪、一台包括两个工业相机的立体跟踪器，安装于三维扫描仪上的多个LED标记、GPU服务器；所述工业相机和投影仪分别经由千兆网线和USB接口连接到GPU服务器；

其特征在于，所述方法包括：首先在三维扫描仪上安装多个LED标记，然后进行以下步骤：

(1)用基于轨迹的LED标记匹配方法对LED标记进行匹配：所述的立体跟踪器观测所述的LED标记在立体跟踪器视场中的运动轨迹；将立体跟踪器两个相机中观测到的LED标记的轨迹进行匹配；根据匹配结果，测量LED标记在立体跟踪器坐标系中的三维坐标；

(2)用基于棋盘格的LED标记标定方法进行LED标记的标定：将所述的LED标记在立体跟踪器坐标系中的三维坐标，转换到三维扫描仪的坐标系中，实现LED标记的标定。

所述的基于轨迹的LED标记匹配方法，包括以下具体步骤：

(1-1)在t时刻，假设所述的三维扫描仪上的一个LED标记在所述的立体跟踪器坐标系中的坐标，记作，i∈{1，…，n}，其中n为LED标记的数量；将投影到立体跟踪器的两个相机中，在两个立体图像上，形成两个图像点，分别记作和

(1-2)假设在时间段T(t)＝{t|1≤t≤T₀}内，移动三维扫描仪，那么和将在立体跟踪器的两个立体图像序列中形成两条轨迹；

(1-3)基于上述轨迹，在所述的两个立体图像中，构建T(t)内LED标记的描述符，记作和

(1-4)同一个LED标记，根据极线几何约束原理，在两个立体图像中应该有相同的轨迹描述符，即应该与相等；因此，根据构建的LED标记描述符，即可匹配LED标记。

所述的基于棋盘格的LED标记标定方法，包括以下具体步骤：

(2-1)倾斜放置棋盘格标定板；

(2-2)放置三维扫描仪和立体跟踪器；

(2-3)将棋盘格标定板看作世界坐标系，记作C_w，将立体跟踪器的坐标系记作C_T，将三维扫描仪的坐标系记作C_S；

(2-4)利用之前所述的基于轨迹的LED标记匹配方法，在立体跟踪器的两个相机中匹配LED标记；

(2-5)利用三角测量算法，在立体跟踪器的坐标系中，计算匹配的LED标记的三维坐标，记作

(2-6)利用张正友标定算法，计算坐标系C_T和C_w之间的变换关系，记作T_TW，以及C_S和C_w之间的关系，记作T_SW，并将C_T和C_S之间的关系记作T_TS；

(2-7)利用T_TW和T_SW，计算出C_T和C_S之间的关系，记作T_TS；

(2-8)根据T_TS和计算出在三维扫描仪坐标系C_S中的坐标，记作

所述的棋盘格标定板放置的倾斜角度为45度。

在所述步骤(2-2)中，所述的放置三维扫描仪和立体跟踪器的要求是：三维扫描仪的两个相机和立体跟踪器的两个相机均能看见棋盘格标定板，并且立体跟踪器能看见三维扫描仪的LED标记。

在所述步骤(2-6)中，所述的三个坐标系T_TW、T_SW、T_TS之间具有如下关系：

T_TW＝T_TST_SW (1)。

所述的利用T_TW和T_SW，计算出C_T和C_S之间的关系公式为：

在所述步骤(2-8)中，所述的根据T_TS和计算出在三维扫描仪坐标系C_S中的坐标，记作的公式为：

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果包括以下几个方面：

1.现有技术往往采用点对应的方式，实现LED标记匹配。由于所有LED标记所在图像区域的局部特征非常相似，无法采用传统的点特征匹配技术实现精确匹配。因此只能利用平面几何关系寻找点的对应关系，但是该方法会产生较大的匹配错误。本发明为了解决这个问题，利用跟踪技术在图像序列中构建LED标记的运动轨迹，利用轨迹实现LED标记的匹配，该方法大大减低了错误匹配的可能性，提高了系统的稳定性。

2.在基于轨迹的LED标记匹配技术的基础之上，本发明提出了基于棋盘格的LED标记标定方法。该方法与传统的采用圆形图案的标定方法相比，能更加精确地寻找空间标定物的点特征，因此能提高系统的标定精度和鲁棒性。

3.本发明提出了一种基于轨迹的LED标记匹配方法，为类似于LED标记的粒子物体在立体相机中的匹配提供了一种手段；并且，提出了精确的LED标记标定手段，为基于跟踪器的三维测量方法提供了技术基础。

附图说明

图1是本发明所适用的系统结构简易示意图。

图2是本发明的一种实施例的基于轨迹的LED标记匹配方法原理图。

图3是本发明的一种实施例的基于轨迹的LED标记匹配方法流程图。

图4是本发明的一种实施例的基于棋盘格的LED标记标定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明所适用的系统结构简易示意图。如图1所示，本发明所适用的系统包括一台三维扫描仪(含两台工业相机和一台投影仪)、一个立体跟踪器(含两台工业相机)、一个棋盘格标定板，及一台高性能GPU服务器。

本发明方法所述方法包括：首先在三维扫描仪上安装多个LED标记，然后进行以下步骤：

(1)用基于轨迹的LED标记匹配方法对LED标记进行匹配：所述的立体跟踪器观测所述的LED标记在立体跟踪器视场中的运动轨迹；将立体跟踪器两个相机中观测到的LED标记的轨迹进行匹配；根据匹配结果，测量LED标记在立体跟踪器坐标系中的三维坐标；

(2)用基于棋盘格的LED标记标定方法进行LED标记的标定：将所述的LED标记在立体跟踪器坐标系中的三维坐标，转换到三维扫描仪的坐标系中，实现LED标记的标定。

图2是本发明的一种实施例的基于轨迹的LED标记匹配方法原理图。图3是本发明的一种实施例的基于轨迹的LED标记匹配方法流程图。如图2、图3所示，本实施例的基于轨迹的LED标记匹配方法，具体步骤如下：

a.在t时刻，假设三维扫描仪上的一个LED标记在立体跟踪器坐标系中的坐标，记作i∈{1，…，n}，其中n为LED标记数量。将投影在立体跟踪器的两个相机中，在两个立体图像中，形成两个图像点，记作和

b.假设在时间段T(t)＝{t|1≤t≤T₀}内移动3D扫描仪，那么和将在立体跟踪器的两个立体图像序列中形成两条轨迹。本发明使用Kanade-Lucas-Tomasi(KLT)跟踪法跟踪LED标记，形成T(t)时间段内的轨迹；

c.基于上述轨迹，在两个立体图像中，构建T(t)内LED标记的描述符，记作和

d.根据极线几何约束，同一个LED标记，在两个立体图像中应该有相同的轨迹描述符，即应该与相等；因此根据LED标记描述符，即可匹配LED标记。

图4是本发明的一种实施例的基于棋盘格的LED标记标定方法流程图。如图4所示，本实施例的基于棋盘格的LED标记的标定方法，具体步骤如下：

a.在视场之中，倾斜放置棋盘格标定板(见图1，倾斜角度约45度)，要求棋盘格标定板为盘格黑白相间，并且角点清晰；

b.在视场之中，放置三维扫描仪和立体跟踪器，要求三维扫描仪的两个相机和立体跟踪器的两个相机均能看见棋盘格标定板，并且立体跟踪器能看见三维扫描仪的LED标记(见图1)；

c.将棋盘格标定板看作世界坐标系，将其中的一个角点作为坐标原点，该坐标系记作C_w；将立体跟踪器的坐标系记作C_T，以其中的任意一个相机光心作为坐标原点；将三维扫描仪的坐标系记作C_S，以其中的任意一个相机光心作为坐标原点；

d.利用之前所述的基于轨迹的LED标记匹配方法，在立体跟踪器的图像中，匹配LED标记；

e.利用三角测量算法，在立体跟踪器的坐标系中，计算出匹配的LED标记的三维坐标，记作i∈{1,...,n}，n表示LED标记的数量；

f.利用张正友标定算法，计算坐标系C_T和C_w之间的变换关系，记作T_TW，以及C_S和C_w之间的变换关系，记作T_SW，C_T和C_S之间的关系记作T_TS，如图1所示，三个坐标系之间具有如下关系：

T_TW＝T_TST_SW (1)

g.利用T_TW和T_SW，计算出C_T和C_S之间的关系，

h.根据T_TS和计算出在三维扫描仪坐标系C_S中的坐标，记作

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