基于两轴旋转平台的三维数据获取系统及获取方法
【专利摘要】本发明涉及三维测量【技术领域】，尤其涉及一种基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法。本发明采用的技术方案主要包括三个重要部分：1.双目三维传感器的标定；2.两轴旋转台的标定；3.根据双目三维传感器及两轴旋转台的标定结果进行不同视角的被测物体深度像的自动匹配。本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法，能实现同时对双目三维传感器及两轴旋转台进行标定，利用标定结果可进行被测物体的三维图像的自动匹配。
【专利说明】基于两轴旋转平台的三维数据获取系统及获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维测量【技术领域】，尤其涉及一种基于两轴旋转台的三维成像系统及 其标定方法。
【背景技术】
[0002] 基于双目三维传感器的测量技术是计算机三维检测技术的一个重要组成部分，利 用左右两个摄像机构成三角测量关系，对空间中特征点进行重建其三维坐标。通常利用结 构光投影系统向物体表面不同编码的结构光，条纹等编码图像以获得稠密三维数据。由于 物体自身遮挡，为了获得物体360度完整的三维表面数据，需要在三维成像系统中集成两 轴旋转台，通过控制两个基本垂直的旋转轴不同的旋转角度获得不同视角下被测物体表面 三维数据，然后将不同视角下的深度像匹配到同一个坐标系下。因此需要对两个旋转轴进 行标定，计算得到旋转台的旋转轴线。
[0003] 现在对于三维测量系统中旋转轴的标定方法主要利用标准平面或是已知半径的 标准球来实现。通过已标定的视觉测量设备首先在多个不同的旋转位置获取标准平面或者 标准球的表面三维点云数据，在根据这些数据拟合平面或者球的解析表达，最后根据平面 或标准球的几何特征求出载物台的旋转轴线位姿。这些方法需要事先制作标准平面或是高 精度的标准球体，标定的成本较高；需要在标定旋转轴之前先标定双目三维传感器，标定效 率较低。针对双基于两轴旋转台全自动三维成像系统，需要设计出一整套操作简单，过程高 效的标定方法，并能利用这轴标定参数能方便自动进行不同视角三维数据的全局匹配，无 需人工干预实现被测物体表面三维数据的全自动获取。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于两轴旋转台的三维成像系统及其标 定方法。本发明是这样实现的：
[0005] -种基于两轴旋转台的三维成像系统，包括：两轴旋转台、双目三维传感器、计算 机系统；
[0006] 所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；所述 载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转 动轴转动，从而处于不同位姿；
[0007] 以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐 标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系 的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；
[0008] 以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐 标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系 的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；
[0009] 所述计算机系统包括控制模块、标定模块；
[0010] 所述控制模块用于驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保 载物台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄 像机的有效视场中；同时，控制所述双目三维传感器在与所述两轴旋转台的相对位置关系 不变的条件下，采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组：
[0011] 第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；
[0012] 第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；
[0013] 所述标定模块用于获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的 中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机 的成像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及标祀在载物台处于不同位姿时摄像机的 外部参数；
[0014] 根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感 器的结构参数；
[0015] 根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外 部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；
[0016] 根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器 坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；
[0017] 根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器 坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。
[0018] 进一步地，所述计算机系统还包括三维匹配模块；
[0019] 所述三维匹配模块用于根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆 动平台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹 配到同一坐标系中。
[0020] -种基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，所述两轴旋转台包括摆动轴、 转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；
[0021] 所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱 动下绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿；
[0022] 以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐 标系的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系 的X轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系；
[0023] 以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐 标系的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系 的X轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系；
[0024] 所述方法包括如下步骤：
[0025] 将标靶固定于所述载物台上，保持双目三维传感器与两轴旋转台的相对位置关系 不变，驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时， 所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同 时，利用所述双目三维传感器采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括 至少两组：
[0026] 第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度；
[0027] 第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度；
[0028] 获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐 标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成 像参数包括摄像机内部参数及在载物台处于不同位姿时的外部参数；
[0029] 根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感 器的结构参数；
[0030] 根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外 部参数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数；
[0031] 根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器 坐标系与转动平台局部坐标系的变换关系；
[0032] 根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器 坐标系与摆动平台局部坐标系的变换关系。
[0033] 进一步地，所述基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法还包括如下步骤：
[0034] 根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变 换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。
[0035] 与现有技术相比，本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统及其标定方法， 能实现同时对双目三维传感器及两轴旋转台进行标定，利用标定结果可进行被测物体的三 维图像的自动匹配。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1 :本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统结构示意图；
[0037] 图2 :上述三维数据获取系统中计算机系统的组成示意图。
[0038] 图3 :本发明提供的基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0040] 如图1所示，本发明提供了一种基于两轴旋转台的三维成像系统，包括两轴旋转 台2、双目三维传感器1及计算机系统3。两轴旋转台2包括摆动轴201、转动轴202及载物 台203。载物台203用于固定标靶。载物台203可在摆动轴201的驱动下绕摆动轴201摆 动，以及在转动轴202的驱动下绕转动轴202转动，从而处于不同位姿。在本实施例中，转 动轴202及摆动轴201由步进电机驱动，步进电机可连接计算机系统3。计算机系统3通过 编码器控制步进电机的动作。转动轴202与摆动轴201设置为接近相互垂直的位置关系。
[0041] 如图2所示，计算机系统3包括控制模块301及标定模块302。其中，控制模块301 用于驱动图1所示转动轴202及摆动轴201转动从而使载物台203处于不同位姿，并确保 载物台203处于各位姿时，标靶上的所有基准点都在双目三维传感器1的左、右两部摄像机 (101为右摄像机，102为左摄像机）的有效视场中。载物台203位姿发生变换时，固定于载 物台203上的标靶就相应地变换了位姿。因此，可以通过调节载物台203的位姿来调节标 靶的位姿。在本实施例中，标靶上一共设置有99个圆形基准点。控制模块301通过编码器 驱动步进电机，从而摆动轴201及转动轴202的转动，使载物台203处于不同位姿。同时， 控制模块301还用于控制双目三维传感器1在与两轴旋转台2的相对位置关系不变的条件 下，采集载物台203处于不同位姿时的标靶图像。不同位姿包括至少两组：
[0042] 第一组位姿：摆动轴201摆动角度固定，转动轴202分别处于若干不同转动角度； 第二组位姿：转动轴202转动角度固定，摆动轴201分别处于若干不同摆动角度。
[0043] 以（a i，β J定义标靶的位姿，其中a i为摆动轴201的摆动角度位置，β i为转动 轴202的转动角度位置。在本实施例中，第一组位姿具体包括四个位姿：摆动轴201处于摆 动角度为零度的位置，并保持不动，转动轴202从转动角度为零度的位置开始，每次旋转90 度。具体而言，该四个位姿分别为（〇°，90° )、（0°，180° )、（0°，270° )、（0°，0° )。 第二组位姿具体包括四个位姿：转动轴202处于转动角度为零度的位置，并保持不动，摆动 轴201从摆动角度为零度的位置开始，每次转动20度。具体而言，该四个位姿分别为（0°， 0。）、（20。，0。）、（40。，0。）、（60。，0。）。
[0044] 采集到上述8幅标靶图像后，标定模块302获取所采集的载物台203处于各位姿 时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并 将其作为各基准点在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标。在本实施例中，在第 一组和第二组共八个不同位姿，双目三维传感器1的左右摄像机各自采集到8幅不同的 标靶图像，经相应的图像处理技术得到各幅标靶图像中的各基准点的中心像素的图像坐 标。具体可通过高斯滤波去噪，canny算子边沿提取，椭圆边沿亚像素定位最后拟合得到 各个基准点的中心像素在图像坐标系中的坐标，记为A ,同时获取各基准点在世界坐标系 中的坐标，记为X。在确定各基准点在各坐标系中的坐标时，都以各基准点的中心像素为 计算依据。确定了各基准点在图像坐标系中的坐标沿及在世界坐标系中的坐标X后，可 根据各基准点在图像坐标系中的坐标^及在世界坐标系中的坐标X计算左、右两部摄像 机的成像参数。成像参数包括内部参数及在载物台203处于不同位姿时的外部参数。根 据张正友提出的摄像机标定方法，可以建立左、右摄像机的极大似然判据优化的目标函数：
【权利要求】
1. 一种基于两轴旋转台的三维成像系统，其特征在于，包括：两轴旋转台、双目三维传 感器、计算机系统； 所述两轴旋转台包括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶；所述载物 台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下绕所述转动轴 转动，从而处于不同位姿； 以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系 的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X 轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系； 以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系 的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X 轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系； 所述计算机系统包括控制模块、标定模块； 所述控制模块用于驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物 台处于各位姿时，所述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机 的有效视场中；同时，控制所述双目三维传感器在与所述两轴旋转台的相对位置关系不变 的条件下，采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少两组： 第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度； 第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度； 所述标定模块用于获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心 像素在图像坐标系中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成 像参数；所述成像参数包括摄像机内部参数及标祀在载物台处于不同位姿时摄像机的外部 参数； 根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的 结构参数； 根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参 数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数； 根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标 系与转动平台局部坐标系的变换关系； 根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标 系与摆动平台局部坐标系的变换关系。
2. 如权利要求1所述的三维成像系统，其特征在于，所述计算机系统还包括三维匹配 模块； 所述三维匹配模块用于根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平 台局部坐标系的变换关系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到 同一坐标系中。
3. -种基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，其特征在于，所述两轴旋转台包 括摆动轴、转动轴及载物台；所述载物台用于固定标靶； 所述载物台可在所述摆动轴的驱动下绕所述摆动轴摆动，以及在所述转动轴的驱动下 绕所述转动轴转动，从而处于不同位姿； 以转动轴上任意一点为转动平台局部坐标系的原点，以转动轴为转动平台局部坐标系 的Z轴，垂直于转动轴且过转动平台局部坐标系的原点的平面为转动平台局部坐标系的X 轴及Y轴所在平面，确定转动平台局部坐标系； 以摆动轴上任意一点为摆动平台局部坐标系的原点，以摆动轴为摆动平台局部坐标系 的Z轴，垂直于摆动轴且过摆动平台局部坐标系的原点的平面为摆动平台局部坐标系的X 轴及Y轴所在平面，确定摆动平台局部坐标系； 所述方法包括如下步骤： 将标靶固定于所述载物台上，保持双目三维传感器与两轴旋转台的相对位置关系不 变，驱动转动轴及摆动轴转动从而使载物台处于不同位姿，并确保载物台处于各位姿时，所 述标靶上的所有基准点都在所述双目三维传感器的左、右两部摄像机的有效视场中；同时， 利用所述双目三维传感器采集载物台处于不同位姿时的标靶图像；所述不同位姿包括至少 两组： 第一组位姿：摆动轴摆动角度固定，转动轴分别处于若干不同转动角度； 第二组位姿：转动轴转动角度固定，摆动轴分别处于若干不同摆动角度； 获取所采集的载物台处于各位姿时的标靶图像中各基准点的中心像素在图像坐标系 中的坐标及在世界坐标系中的坐标，并据此计算左、右两部摄像机的成像参数；所述成像参 数包括摄像机内部参数及在载物台处于不同位姿时的外部参数； 根据所述载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参数标定双目三维传感器的 结构参数； 根据双目三维传感器的结构参数及载物台处于不同位姿时左、右两部摄像机的外部参 数标定载物台处于不同位姿时双目三维传感器的外部参数； 根据载物台处于第一组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标 系与转动平台局部坐标系的变换关系； 根据载物台处于第二组位姿时双目三维传感器的外部参数标定双目三维传感器坐标 系与摆动平台局部坐标系的变换关系。
4.如权利要求3所述的基于两轴旋转台的三维成像系统的标定方法，其特征在于，还 包括如下步骤： 根据双目三维传感器坐标系与转动平台局部坐标系及摆动平台局部坐标系的变换关 系，将载物台处于不同位姿时采集到的被测物体的三维图像匹配到同一坐标系中。
【文档编号】G01B11/24GK104154875SQ201410415211
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】刘晓利, 何懂, 彭翔, 殷永凯 申请人:深圳大学