一种手持式多激光条纹快速三维测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维测量技术领域，更具体地，涉及一种手持式多激光条纹快速三维测量方法。
【背景技术】
[0002]三维测量是通过使用三维测量仪器测量物体表面几何形状并构建所测物体三维模型的技术。这种技术用途广泛，在工业设计、产品检测、逆向工程、机器人引导、大地测量、人体测量、刑事鉴定、文物数字化，动画制作，游戏设计等领域都有重要的作用。手持三维测量仪以其灵活轻便，易操作和测量速度快等优点在三维测量领域发挥着重要作用。
[0003]三维测量技术目前已经发展了很多不同的理论(参阅Chen, F.，Brown G., SongM.0verview of three-dimens1nal shape measurement using optical methods.0pticalEngineering, 2000，39(I):10-22 和 Blais, F.Review of 20years of range sensordevelopment.Journal of Electronic Imaging, 2004, 13(1):231-240)。其中，干涉度量法(interferometry)，飞行时间(time_of-flight)和三角测量原理是三维测量不同时期发展出来的理论，根据测量距离和精度要求每一种理论或多或少是适用的。
[0004]其中三角测量原理使用广泛，此原理通常适用于近距离的测量，尤其是几米以内的距离。使用此原理，必须要同时获取两个不同视角下同一物体上同一点的测量值，这两个视角之间的刚体变换关系是已知的，其距离长度称为基线距。由两个视角的角度和基线距可以获得被测量点的相对坐标(三角形的一个边和此边的两个夹角求出第三点的坐标)。这实际上也属于被动三维测量技术，也是双目或多目立体视觉。
[0005]双目立体视觉使用一个或两个CCD或CMOS数码相机，从不同角度拍摄被测物体同一表面，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标。这种测量方法需要确定空间同一点在两幅或多幅不同角度拍摄的图像上的相应位置。扫描一个物体就需要收集物体表面的信息，使用激光器向物体表面投射激光光线，激光光线被物体表面反射后被相机采集，采集后的图像上的激光条纹可以提供密集物体表面点的信息。激光器可以投射光点和激光条纹，为了能够获取尽量多的信息，线激光器被广泛的使用。现有的线激光器有一字激光器，十字激光器，平行激光器，其中十字激光器和平行激光器可以同时投射多条激光条纹，则此激光器在物体表面投射的光线较多，可以一次获得较多的物体表面信息。
[0006]获取相机拍摄的图像上的激光条纹的信息，需要对拍摄的图像进行处理，得到图像上激光条纹的位置信息。通过图像处理提取激光条纹中心点，可以获得丰富的激光条纹中心点及其在图像上的二维坐标。常见的激光条纹中心提取算法有灰度阈值法、极值法和梯度阈值法等，这些方法实现简单但精度不高。Steger (参阅C.Steger, Anunbiased detector of curvilinear structures,IEEE Trans.PatternAnal.Mach.1ntel 1.20(1998) 113 - 125.)提出了一种激光条纹的亚像素提取方法，此方法可以精确的提取到激光条纹的中心，从而得到激光条纹的纵向中心线，但费时很长，无法满足手持式三维扫描仪快速测量的要求。
[0007]应用双目视觉的三维测量仪的一个主要难点是寻找一幅图像上的已知点在另一幅图像上的对应点，这也被称为对应点匹配。对匹配点求解三角形可以获得该点在三维测量仪坐标系的坐标。匹配的方法有极线匹配方法和基于灰度的区域匹配方法，这些方法都能精确的实现图像上对应点的匹配。双目立体视觉系统中一般使用极线匹配。
[0008]对于手持三维测量仪，相机与激光器是刚性连接的，这种手持三维测量仪对于快速测量以及物体必须是现场测量的情况特别方便有效。为了测量物体的整个表面，必须移动三维测量仪。在相对于物体固定的世界坐标系内确定三维测量仪的位置和方向出个自由度)是手持三维测量仪的又一难点。这可以通过使用与手持三维测量仪相配合的定位装置来完成。但是，这样明显增加了仪器的复杂度和成本，而且还会使手持三维测量仪质量增大，造成影响数据质量的噪音。
[0009]为了避免使用外部定位装置，通过使用在刚性物体上收集到的三维测量结果来计算测量仪与物体之间相对位置和方向，这时被测物拿在手中进行测量也能得到准确完整的三维数据(参阅 S.Runsinkiewicz, 0.Hall-Holt and Μ.Levoy, “real-Time 3D ModelAcquisit1n，，, in ACM Transact1n on Graphics, vol.21, n0.3July 2002, pp.438-446, F.Blais, M.Picard and G.Godin, “Accurate3D Acquisit1n of Freely Moving Objects,，，inproc.0f the Second Internat1nal Symposium on 3D Data Processing, Visualizat1nand Transmiss1n.Thessaloniki, Greece.September 6-9, 2004.)。这种在测量时把位置和方向计算集成入系统的思想很独特，但是这种方法完全依赖于物体的几何形状，并且这种计算精度无法满足精确测量。例如，具有对称性的物体，集合形状变化平缓的物体，球形和圆柱形。
[0010]通过使用可以从场景中的不同视觉重新观测的固定点及特征，可以确定三维测量仪在世界坐标系的位置和方向。这些特征可以是场景中的自然点，但大多数情况下它们的特征是不充分的。另一种方法是通过在三维测量仪上集成一个可以投影光图案的仪器，这样在测量物体时实现自定位。Herbrt (参阅 P.Hebert, ” A Self-Referenced Hand-HeldRange Imaging and Modeling, 28, 2001, Quebec City, Canada, pp.5-12)提出利用外部投影仪在被测量物体上投射激光光点来定位手持三维测量仪。然而，尽管系统能实现手持，但由于不能动态的建立位置特征点模型，此系统具有局限性，必须存在一个所有三个位置特征点均可见的单一视角。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，能克服现有技术和设备中，投射激光光线太少，测量速度较慢，投射激光条纹较多时对应点难匹配等难点和缺点，从而快捷精确地得出物体的形状。
[0012]为实现上述目的，按照本发明，提供了一种手持式多激光条纹快速三维测量方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0013]I)粘贴标志点:根据测量视场的大小，在待测物体表面粘贴若干个圆形的标志点，并且每个标志点在远离待测物体的端面上均设有与标志点同心的荧光粉圆形区域，此夕卜，任意两标志点的圆心距不相等；
[0014]2)使用手持三维测量仪测量物体表面的三维数据:所述手持三维测量仪具有多个激光器、两个已标定的CCD相机和多个用于照射待测物体的LED光源；所有激光器同时向被测物表面投射出若干条激光条纹，并且这些激光条纹包括至少两条相互平行的第一条纹线和至少两条相互平行的第二条纹线，所述的第一条纹线与第二条纹线相互垂直；
[0015]3)采集图像:两CCD相机同步拍摄物体表面的激光条纹和标志点，每个相机采集的图像均包含物体表面反射的激光条纹信息和标志点反射的标志点信息；所述激光条纹信息用于获得待测物体表面的激光条纹纵向中心线上的点的三维坐标数据，所述标志点信息用于确定当前的手持三维测量仪坐标系与所建立的世界坐标系的相对位置关系；其中，手持三维测量仪坐标系为其中一个相机的相机坐标系，世界坐标系为初始拍摄时的手持三维测量仪坐标系；
[0016]4)图像处理:分别提取每个相机的图像中每条激光条纹纵向中心线上的点在图像上的二维坐标信息和标志点圆心在图像上的二维坐标信息；其中，所述激光条纹纵向中心线为激光条纹上沿纵向分布的中心点所连成的线；
[0017]5)通过步骤4)中标志点圆心的二维坐标信息，获得待测物体上的标志点的圆心在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；
[0018]6)通过步骤4)中每条激光条纹的二维坐标信息，获得待测物体表面测量点在当前手持测量仪坐标系下的三维坐标；
[0019]7)手持三维测量仪的定位和世界坐标系下的数据拼合，即利用标志点信息来获得从手持测量仪坐标系变换到世界坐标系的旋转平移矩阵，