一种基于激光MEMS振镜投影的彩色多线激光三维测量方法与流程

本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学检测方法，特别是一种基于激光MEMS振镜投影的彩色多线激光三维轮廓测量方法。

背景技术：
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光学三维测量技术飞速发展，因其非接触、精度高、速度快的优势，被广泛应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐等诸多领域。特别是在工业在线检测领域，目前主要运用干涉测量法，立体视觉测量法，结构光测量法三类光学三维测量方法，其中：

1)干涉法精度达微米级别，对测量环境稳定性要求过高，但工业在线检测车间现场噪声难以避免，干扰测量；

2)立体视觉技术系统结构简单，成本低。但存在着“匹配难”的瓶颈，而且运算量巨大，鲁棒性差的缺点；

3)结构光测量法分为点结构光、线结构光及面结构光三类：其中点结构光及线结构光需对零件逐点或逐层扫描，效率低下，不能满足高速度及实时性要求；面结构光易受物体表面反射干扰，稳定性较低。

线结构光测量法，是以一条或多条光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对于金属等高反表面同样可以进行测量等优点，然而其缺点在于扫描需要运动机构配合降低了测量效率及精度；采用一条光刀测量时需要多次扫描，效率极低；采用多条光刀测量则存在光刀的识别和匹配问题。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于微振镜投影的彩色多线激光三维测量方法。该测量方法将摄像机与激光MEMS振镜投影装置和线结构光三维测量技术相结合，首先用计算机生成如下颜色编码或其中任一组合的彩色线激光图案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分别代表灰度值为255的红绿蓝三种颜色，利用激光MEMS振镜投影装置将图案投影到被测物体表面；在与投影装置光轴夹角为15到60度范围内，安装一台或多台彩色相机，拍摄被测物体上的变形线激光图案，通过图案的色调区分多条不同颜色编码的线激光；对每条线激光分别提取线激光中心，根据投影装置与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取线激光处物体三维坐标，直到线激光获取整个物体表面的三维坐标。该方法的优势在于：可以同时投影多条彩色线激光，在保证线激光之间互不干涉，保证精度的同时，极大缩短了测量时间，减少工作量。

本测量系统可实现彩色多线激光测量，在于其硬件优势：采用激光微振镜投影装置。该投影装置可横向扫描式投影多条彩色线激光，替代了传统线结构光测量系统中的单色激光器和机械位移结构；该投影装置可以编程，按照编码同时投影多条不同颜色的彩色线激光，利用彩色相机对其进行采集和识别，在保持线激光测量优点的同时，大幅缩短测量时间。

本发明的目的通过以下技术方案解决：

一种基于激光MEMS振镜投影的柔性三维测量方法，将摄像机与激光MEMS振镜投影装置和线结构光三维测量技术相结合，首先用计算机生成如下颜色编码或其中任一组合的彩色线激光图案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分别代表灰度值为255的红绿蓝三种颜色，利用激光MEMS振镜投影装置将图案投影到被测物体表面；在与投影装置光轴夹角为15到60度范围内，安装一台或多台彩色相机，拍摄被测物体上的变形线激光图案，通过图案的色调区分多条不同颜色编码的线激光；对每条线激光分别提取线激光中心，根据投影装置与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取线激光处物体三维坐标，直到线激光获取整个物体表面的三维坐标。

本发明有以下三点有益效果：

1)激光MEMS振镜投影装置单帧投影出多条彩色线激光，优于一般的非激光投影仪或者单色激光器，在保证精度的同时，避免逐层或逐点测量，提高测量速度；

2)对于彩色相机采集到的变形线激光图案，利用色调对不同颜色编码的线激光进行区分，避免了多条线激光之间的干扰；

3)二维尺寸测量与三维轮廓测量相结合，使单次可测量指标增多，便于测量具有空间曲率的物体且提高测量精度。

附图说明：

图1为双相机立体视觉三维轮廓测量系统示意图；

其中：1为左第一相机；2为激光MEMS振镜投影装置；3为右第二相机；4为被测物体。

图2为双相机立体视觉三维轮廓测量系统示意图；

其中：5为摄像机；2为激光MEMS振镜投影装置；4为被测物体。

图3为投影至检测样品的彩色线激光图像；

其中，图像垂直于线激光方向的像素总数为21；每次投影R,B,G,RG,RB,BG,RGB七种彩色线激光；经过3次投影遍历所有投影像素点。

具体实施方式：

在被测物体正上方设置一台激光MEMS振镜投影装置，在其两侧对称放置两台有一定夹角的彩色相机。首先用计算机生成如下颜色编码或其中任一组合的彩色线激光图案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分别代表灰度值为255的红绿蓝三种颜色，利用激光MEMS振镜投影装置将图案投影到被测物体表面；在与投影装置光轴夹角为15到60度范围内，安装一台或多台彩色相机，拍摄被测物体上的变形线激光图案，通过图案的色调区分多条不同颜色编码的线激光；对每条线激光分别提取线激光中心，根据投影装置(或另一台摄相机)与摄像机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标；利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取线激光处物体三维坐标，直到线激光获取整个物体表面的三维坐标。

以一台激光MEMS振镜投影装置和两台彩色摄像机为例，如图1所示，具体实施方案如下步骤进行：

第一步，标定左第一摄像机与右第二摄像机组合成的双目立体视觉系统内外参数(相机有效焦距、光心、像元间距、两相机坐标系间平移矩阵和旋转矩阵)；

第二步，用计算机生成包含不同颜色编码的彩色线激光图案，利用激光MEMS振镜投影装置将图案投影到被测物体表面，一台(或两台)相机拍摄被测物；

第三步，利用第一步标定得到的双目立体视觉系统内外参数，对相机采集到的图片(或投影仪投射的彩色线激光图案)进行极线校正；

第四步，通过校正后的图片上每个点R,G,B三个彩色通道的灰度值计算出每个点的色调，根据图像中每个像素点的色调的不同，对图像中的多条彩色线结构光进行分离；

第五步，将左右相机分离出的相同色调的彩色线激光进行图像处理提取光刀中心，求视差，从而计算光刀覆盖区域的高度信息；

第六步，利用投影装置使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取线激光处物体三维坐标，直到线激光获取整个物体表面的三维坐标。

所述第一步所采用的标定左第一摄像机与右第二摄像机重合视场的XY方向位置关系的方法如下：

标定左第一摄像机与右第二摄像机内外参数(相机有效焦距、光心、像元间距、两相机坐标系间平移矩阵和旋转矩阵)方法如下：

该标定为双相机系统标定，要知道每个相机的内参，同时还要知道两个相机坐标系之间的位置关系，这种位置关系可以用第二个相机在第一个相机之间的位姿表示也可以认为是第二个相机坐标系中的某点的坐标到第一个相机坐标系中相对应点的坐标转换：

P_c1＝R_rP_c2+T_r

同时，定义两个投影中心之间的平移为平移向量T_r,被称作基线；世界坐标系中的一点P_W投影为第一个图像中的P₁点与第二个图像中的P₂点；暂时假设镜头没有畸变，P_W、O₁、O₂、P₁、P₂在同一平面上；双相机系统标定中，以空间点投影到左右两个相机的图像上的投影像素坐标与相机拍摄到的真实图像坐标距离最小为优化目标；M_i表示标定板上一个标志点，将一个相机拍摄到的标定图像看作是第一组，其中标志点M_i在图像上表示为m_i,j,1；将二个相机拍摄到的标定图像看作是第二组，其中标志点M_i在图像上表示为m_i,j,2；另外相机参数也用向量c表示，它包含两个相机的内参，l个标定板在第二个相机中的位置参数，以及两个相机之间的相对位姿；当相机参数向量c确定时，双目系统的成像模型，以及重建的三角关系就确定了，也就确定了M_i到第一幅和第二幅图像的映射π₁(M_i,c)和π₂(M_i,c)；因此双目立体视觉系统标定的目标函数是：

从而求出最优解的c,也就是我们需要的标定结果，包括两个相机的内参c＝(f₁,κ₁,s_x1,s_y1,c_x1,c_y1,f₂,κ₂,s_x2,s_y2,c_x2,c_y2)和右相机坐标系在左相机坐标系中的位姿[R_r,T_r]。

所述第二步中所采用的不同颜色编码的彩色线激光图案，由计算机生成，如下颜色编码或其中任一组合的彩色线激光图案：R,B,G,RG,RB,BG,RGB，其中，R、G、B分别代表灰度值为255的红绿蓝三种颜色。设选取的的彩色线激光一共有k种，投影装置靶面垂直于线激光方向的像素点数为M(像素)，则相邻两条彩色线激光之间的间隔N(像素)＝M/k(像素)。以图3为例，所示图像为M＝21，k＝7时的情况，相邻两条彩色线激光之间的间隔N＝3，所以一共需要三次投影才能完成扫描过程。

所述第四步中，设彩色相机采集到的变形线激光的红、绿、蓝三个通道灰度值分别为R、G、B，色调H的计算方法为：

num＝0.5*(R-G)+(R-B))；

theta＝acos(num./(den+eps))；(eps--表示大于零的最小正单精度浮点值)

H＝H/(2π)；

所述第五步所采用的光刀中心的提取方法如下：

采用阈值法提取整幅图中所有光刀骨架，然后求取骨架上每一像素点的法线方向，具体为沿着骨架上的像素点进行曲线拟合，曲线拟合的方法为取10个象素点利用y＝ax²+bx+c进行二阶拟合，设(x₀，y₀)为像素点的坐标，则(x₀，y₀)点的斜率为t＝2ax₀+b，如果t＝0，则加权平均方向为y方向，如果t≠0，则(x₀，y₀)点的法线斜率为n＝-1/t，加权平均方向为法线方向；计算出图像的骨架上各点的法线方向后,求取光刀在其法线方向上的灰度分布；最后利用灰度重心法求出该光刀的重心位置,即为被测物体在该处的轮廓点位置,将这些轮廓点连接起来就形成了截面的轮廓线。

本方法也可以采用一台激光MEMS振镜投影系统和一台彩色摄像机实施，如图2所示，只需要将上述方案的第一步修改为：标定摄像机与投影装置组合成的双目立体视觉系统内外参数(相机有效焦距、光心、像元间距、畸变系数等，投影装置有效焦距、光心、相元间距、畸变系数等，相机与投影装置坐标系间平移矩阵和旋转矩阵)。其他步骤与上述方案一致，右相机采集到的图片由投影装置投射的原始图案代替。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。