大型物体三维形状测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大型物体的三维测量技术，具体涉及一种大型物体三维形状测量 系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，三维测量技术主要包括接触式测量及非接触式测量两类。工业生产中，有些 大型工件只能采用非接触式三维测量技术，如船舶曲面钢板。非接触式三维测量技术包括 两类：视觉照相三维测量、激光三维测量。照相三维测量系统具有测量速度快、测量密度高 的优点。激光测量系统具有测量精度高的优点，但在测量大型目标时，激光扫描速度较慢， 无法达到工业生产中的实时性要求。
[0003] 视觉测量主要可分为：被动测量和主动测量两种方法。被动测量方法通过探测物 体表面发出或反射的光线实现三维测量。然而该方法需要物体表面有丰富的纹理结构，因 此，很难将其应用到工业生产中。主动测量通过机械的或光辐射的方式接触被测物体，现 有的很多主动测量方法通过向被测物体投射特定的结构光的方式，测量物体三维形状。与 被动测量方法相比，主动测量更适合工业生产，因为它们更加稳定，并能获取更加稠密的数 据。
[0004] 主动测量方法大概可以分为两类：time-of-flight(TOF)激光测量和结构光测 量。T0F激光测量方法通过计算光的飞行时间获取物体的三维形状。结构光测量是通过投 影仪将编码的光投影在被测物体上，同时相机捕获重建这些场景。使用T0F相机可以实时 地获取稠密的三维数据。但是T0F相机分辨率太低，并且在深度图中的随机噪声太大，因此 获取的三维数据质量不高。所以，相对来讲，结构光测量更能满足工业生产对精度的要求。
[0005] 通常无法一次完成对大型物体的测量，需要先局部测量，然后进行拼接。拼接方法 可以分为三类：基于表面几何形状的方法、基于标记跟踪的方法和贴标签的方法。基于表面 几何形状的方法，需要被测场景有复杂的表面几何形状，但实际生产中，很多物体表面并没 有复杂的表面几何形状，如船舶钢板；基于跟踪的方法在三维扫描仪上放置反光标记，利用 立体跟踪器跟踪标记的位置，实现拼接。但是在跟踪器和三维扫描仪之间距离变大时，立体 跟踪器将不能清晰地捕获标记，因此，测量精度很难保证；贴标签的方法，需要在被测物体 表面放置基准标签，根据标签实现拼接，所以在实际生产中，实施起来很不方便。
【发明内容】
[0006] 发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种大型物体三 维形状测量系统及其测量方法。
[0007] 技术方案：本发明所述的一种大型物体三维形状测量系统，包括服务器、三维扫描 仪、激光测距仪和滑动导轨，所述滑动导轨的一端固定有激光标靶，滑动导轨的轨道上设有 可沿轨道滑动的机器手，所述机器手包括立于滑动导轨的支撑柱和连接于支撑柱的横杆， 支撑柱可沿竖直方向伸缩，横杆可沿水平方向伸缩，在支撑柱和横杆之间安装有轴承，使得 支撑柱与横杆之间可以旋转以适应不同的测量需求，支撑柱上安装有与激光标靶相对应的 激光测距仪，横杆上固定有三维扫描仪；所述三维扫描仪包括第一立体视觉系统、第二立体 视觉系统和投影仪，第一立体视觉系统和第二立体视觉系统并排固定于机器手横杆，且两 个立体视觉系统中均设有两个工业相机，投影仪设置于第一立体视觉系统和第二立体视觉 系统中间且固定于横杆；所述服务器分别与激光测距仪和三维扫描仪进行通信传输。
[0008] 进一步的，所述服务器与激光测距仪之间通过RS232串口连接，服务器与四个工 业相机之间通过千兆网进行通信传输，服务器与投影仪之间通过USB线进行数据传输。
[0009] 进一步的，所述三维扫描仪的工作距离为2~3m(例如可以是2. 5m)，测量范围约 2.lmX1. 3m;其中，相机的像素至少为500万像素，第一视觉系统和第二视觉系统的分辨率 均为1000X750,测量精度为0. 2 - 0. 3mm/m;所述激光测距仪的测量精度为lmm/10m。
[0010] 本发明还公开了一种大型物体三维形状测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0011] (1)在第一立体视觉系统和第二立体视觉系统之间放置一个标定板，服务器标定 各个立体视觉系统；
[0012] (2)步骤（1)完成后，再将上述标定板放置于滑动导轨一侧，服务器对激光测距仪 进行标定；
[0013] (3)投影仪向被测物体投射结构光，四台工业相机获取被测物体的局部结构光投 影图像，并通过千兆网传输到服务器；激光测距仪测量其自身与激光标靶之间的距离，并通 过RS232接口传输给服务器；
[0014] (4)服务器采用结构光方法，根据两套立体视觉系统拍摄的被测物体的结构光投 影图像信息，分别得到其相应的两部分局部三维数据；然后根据步骤（1)中两套立体视觉 系统所标定的坐标变换参数，获得本次测量的被测物体的局部三维测量数据；
[0015] (5)根据激光测距仪与激光标靶之间的距离变化，计算三维扫描仪的姿态，即计算 该三维扫描仪在测量过程中的空间位置；然后根据步骤（2)中对激光测距仪的标定，拼接 局部三维数据；
[0016] (6)推动机器手在滑动导轨上沿直线向前移动到下一个相邻被测区域，重复上述 步骤（3)和步骤（4)来测量被测物体的下一个局部数据。
[0017] (7)重复步骤⑷~（6)，直到整个物体测量结束，得到物体完整的三维测量数据。
[0018] 进一步的，所述步骤（1)中第一立体视觉系统和第二立体视觉系统之间具有公共 视野区，每一套立体视觉系统均能看到标定板的一半，假定标定板有mXn个方格，每个方 格边长都是dg毫米，1彡k彡m，1彡1彡n;
[0019] 首先定位两套立体视觉系统中标定板的mXn个格子的所有角点，根据可见部分 估计不可见部分，具体过程为：
[0020] (11)假设句)和Gf是第一立体视觉系统中两个工业相机分别定位的格 子，d= (X丨/尤^丨^表示对应的三维角点；
[0021] (12)采用Harris角点检测算法，检测标定板图像中可见的#和Gf，并采用三角 测量方法计算相应的#的三维角点；
[0022] (13)假设某直线上有7个可见角点K，1G{1，2, ...，7}已经被定位，根据尸2，
[0023] 用最小二乘法拟合一条线L，L可用公式（1)表示：
(1)
[0024] 其中：(m, n, v)% L的法向量，t表示L的参数；
[0025] (14)估算L上P/7邻近的不可见角点P/8 :用公式⑵表示砥和硙之间的距离：
[0026]
(2)
[0027] 公式⑵可也用公式⑶描述：
[0028]
(3)
[0029] 根据L的参数函数，可以用公式⑷描述砥
[0030]
[0031] 根据公式⑶和（4)，公式（3)可以重写成公式（5):
[0032]
[0033] 根据公式（5)可获得t的两个值，如公式（6)、（7)所示：
[0036]根据公式（4)、t1和t2,最后得到与P/7相邻的两个点：和#6;[0037] (15)重复上述步骤，可获得该直线上所有不可见角点、相应的#以及第二立体视
[0034]
[0035] 觉系统中所有角点集合校（获得方法与4的获得方法获得）；其中，4和拉两个点集在 同一平面，最后标定两套立体视觉系统（可以采用Walkerl991提出的DualQuaternions 方法）。
[0038] 进一步的，所述步骤（2)中，对激光测距仪进行标定，即获得测量时三维扫描仪的 移动方向及归一化的平移向量，具体步骤如下：
[0039] (21)把标定板放在第一立体视觉系统能看到的地方，并将第一立体视觉系统的两 个相机中离支撑柱最近的工业相机作为第1个相机，把第1个工业相机的光学中心作为三 维扫描仪的坐标系原点，因此只需知道立体视觉系统1的移动方向，而不需考虑第二立体 视觉系统；
[0040] (22)假设在时刻，第一立体视觉系统测量了标定板的一部分，利用激光测距仪 记录当前的位置d1;第一立体视觉系统向前移动，在12时刻，测量另外一部分，同样利用激 光测距仪记录当前的位置d2;
[0041] (23)采用与步骤（1)同样的方法来计算&和12时刻三维扫描仪中第一立体视觉 系统的坐标转换，假设坐标变换用旋转矩阵R和平移向量T表示：
[0042]
[0043]
[0044] 三维扫描仪跟着机器手沿直线滑动导轨向前移动，没有旋转，因此，相邻两次测量 的三维扫描仪移动方向R是相同的；h时刻与12时刻三维扫描仪的移动距离为d=屯-屯， 判断公式（10)是否成立，若不成立转至步骤（22)重新标定；
[0045]
(1〇)
[0046] 进一步的，所述步骤（5)的具体过程如下：
[0047] (51)三维扫描仪沿直线移动测量不同的局部区域，在绝对移动距离和平移向量之 间存在一个比例关系，根据公式（11)获得当前局部测量的平移向量1\，其中d12是利用激光 测距仪测量的三维扫描仪平移距离：
[0048]
(11)
[0049]