一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法与流程

本发明属于三维测量技术，涉及一种大型物体三维测量拼接方法，尤其是一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法。

技术背景

大型船舶工件的弯曲是船舶制造的重要环节。由于船用工件较厚，要将其精确地弯曲到设计要求的形状是非常困难的。目前造船企业大多采用火烧之后手工敲打，然后再比对目标模型的方法。这种方法劳动强度大、费时、且精度和效率低，为此需研发大型船舶工件弯曲自动化控制系统。船舶工件弯曲自动化控制系统中，三维测量是最关键的环节，只有准确测量出工件的三维形状，才能实现自动化控制。由于大型船舶工件表面不能加装传感器，所以只能采用非接触测量法。目前，常用的非接触测量法有两种：激光测量法和视觉测量法。由于船舶工件尺寸较大(8m×3m)，如果采用激光测量，测量速度较慢，无法满足工业的实时加工要求。视觉测量方法具备测量速度高的优点，因此，采用视觉测量法是比较好的选择。但是一般的视觉测量技术只能测量较小的目标，在测量大型的船舶工件时，就需要多次测量，然后再进行拼接。因此在大型工件的三维测量中，拼接技术相当关键，将影响到整体的测量精度。

目前，存在多种测量数据拼接方法。文献一“三维点云对齐中基于结构光立体成像的基准标记检测(three-dimensionalpointcloudalignmentdetectingfiducialmarkersbystructuredlightstereoimaging)”【barone,s.,paoli,a.,razionale,a.v.:three-dimensionalpointcloudalignmentdetectingfiducialmarkersbystructuredlightstereoimaging.mach.vis.appl.23(2),217–229(2012)】，公开了一种测量大型物体的方法，该方法首先在被测的大型物体表面粘贴辅助标记，然后根据对辅助标记的测量，实现数据的拼接。但是方法非常繁琐，所需时间较长，使用不方便，并且拼接结果会受到被测物体形状的影响。文献二“大型曲面板的三维测量”【bai,suqin,etal."three-dimensionalmeasurementoflarge-scaletexture-lessbendingplates."journalofelectronicimaging24.1(2015):013001-013001.】，该拼接方法利用投影仪向被测物体表面投射特殊纹理，然后利用相机拍摄并分析所投射的纹理特征，进而实现拼接，但是该方法受外界光线的影响较大，结果极易不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，：针对现有技术中存在的问题与不足，一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法，该方法操作简易，速度较快，不受外界光线的影响，也不受被测物体几何形状的影响，能实现稳定而有效的数据拼接。

为了解决上述现有技术的问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法，所采用的系统包括：一台包括两个工业相机和一个投影仪的三维扫描仪、多个分别包括两个工业相机的立体跟踪器、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，包括如下具体步骤：

(1)采用n个立体跟踪器ti、一台三维扫描仪；在所述的每台立体跟踪器和三维扫描仪上分别安装m个led标记；然后采用棋盘格标定法，标定led标记，即：分别计算立体跟踪器ti的led标记在立体跟踪器ti坐标系中的坐标和三维扫描仪的led标记在三维扫描仪坐标系中的坐标；假设立体跟踪器ti标定之后的led坐标为三维扫描仪标定之后的led坐标为所述的i∈{1,....,n}、j∈{1,....,m}；

(2)在依次放置的n个立体跟踪器ti中，要确保ti上的led标记能被ti-1看到，将t1作为全局坐标系；

(3)前一个立体跟踪器ti-1拍摄下一个立体跟踪器ti的led标记，并在ti-1的坐标系中，计算ti的led标记的坐标，记作

(4)以led标记的坐标为顶点构建连通图，不同的顶点之间的连线作为图的边，用一个矩阵表示连通图；是一个m×m的矩阵，dhk表示矩阵第h行k列的元素；dhk表示第h个顶点和第k个顶点之间的欧式距离；同理，以led标记的坐标为顶点，构建连通图

(5)匹配连通图和

(6)根据对应关系，计算ti-1和ti坐标系之间的转换；

(7)获得相邻跟踪器之间的坐标转换后，估计立体跟踪器的姿态；对于第i个立体跟踪器，如果i＝2，它的姿态可以表示为如果i≥3，它的姿态可以表示为：

(8)三维扫描仪在立体跟踪器的视场中移动，测量大型物体的局部三维数据，假设在时刻t，三维扫描仪测量到的数据点云记作此时立体跟踪器会测量到三维扫描仪上的led标记，假设第i个立体跟踪器ti测量到三维扫描仪上的led标记，记作

(9)利用步骤(4)的方法，针对和构建连通图，分别记作gs和gt；

(10)利用步骤(5)的方法，匹配连通图gs和gt，确立led标记在三维扫描仪坐标和ti坐标系中的对应关系，假设和相对应；

(11)根据匹配的结果，计算三维扫描仪的姿态；

(12)根据三维扫描仪和立体跟踪器的姿态，拼接三维扫描仪在时刻t测量的局部数据

在所述步骤(5)中，所述的匹配连通图和的具体步骤如下：

对于中的每行元素，创建一个kd-tree；

对于的第y行中的任一列p的元素利用kd-tree树，在的第x行中，寻找离最近的元素然后利用如下公式计算的第y行与的第x行之间的距离，

记录第y行的所有然后求解如下公式：

如果dmin≤δ，所述的δ是一个已设定值，则认为找到连通图和中的匹配顶点；这里假设和相匹配。

在所述步骤(6)中，利用以下公式(3)计算ti-1和ti坐标系之间的转换：

其中，r∈ξ^3×3，且υ∈ξ³。

在所述步骤(11)中，假设此时三维扫描仪的姿态为可用下式计算三维扫描仪的姿态：

在所述步骤(12)中，采用以下公式，拼接三维扫描仪在时刻t测量的局部数据

所述的δ已设定值为1毫米。

与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

1.本发明在多跟踪器环境下，采用无接触式拼接技术，不受限于被测物体的形状、温度等特征，效率较高；

2.本发明的拼接精度不会受到环境光的影响，增加了测量系统的实用性，为船舶外板制造、飞机外板制造以及大型海洋工程装备等制造中的三维测量提供了一种有效的数据拼接技术手段。

附图说明

图1为本发明的一个实施例所采用的系统示意图。

图2为本发明的一个实施例的方法流程图。

具体实施方式

本发明的一种基于多立体跟踪器的大型物体三维测量数据拼接方法，所采用的系统如图1所示，包括有：一台包括两个工业相机和一个投影仪的三维扫描仪、多个分别包括两个工业相机的立体跟踪器、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。

图2为本发明的一个实施例的方法流程图。如图2所示。本实施例具体步骤如下：

a.假设采用n个立体跟踪器ti(i∈{1,....,n})，一个三维扫描仪，在每个立体跟踪器和三维扫描仪上需要安装m个led标记。然后采用棋盘格标定法，标定led标记(即计算立体跟踪器ti的led标记在立体跟踪器ti坐标系中的坐标，以及三维扫描仪的led标记在三维扫描仪坐标系中的坐标)，假设立体跟踪器ti标定之后的led坐标为三维扫描仪标定之后的led坐标为

b.在安装系统时，依次放置立体跟踪器，要确保ti上的led标记能被ti-1看到，并且将t1作为全局坐标系；

c.前一个立体跟踪器ti-1拍摄下一个立体跟踪器ti的led标记，并在ti-1的坐标系中，计算ti的led标记的坐标，记作

d.以led标记的坐标为顶点构建连通图，不同的顶点之间的连线作为图的边。用一个矩阵表示这个连通图。是一个m×m的矩阵，表示矩阵第h行k列的元素。表示第h个顶点和第k个顶点之间的欧式距离；同理，以led标记的坐标为顶点，构建连通图

e.匹配连通图和方法如下：对于的第x行，利用kd-tree算法创建树，对于的第y行中的任一列p的元素利用kd-tree树，在的第x行中，寻找离最近的元素然后利用如下公式计算的第y行与的第x行之间的距离，

记录第y行的所有然后求解如下公式：

如果dmin≤δ(δ是一个设定好的值，例如1毫米)，则认为找到连通图和中的匹配顶点。这里假设和相匹配；

f.根据对应关系，即可利用公式(3)计算ti-1和ti坐标系之间的转换

这里

其中，r∈ξ^3×3，且υ∈ξ³。

g.获得相邻跟踪器之间的坐标转换后，就可以估计立体跟踪器的姿态。对于第i个立体跟踪器，如果i＝2，它的姿态可以表示为如果i≥3，它的姿态可以表示为：

h.三维扫描仪在立体跟踪器的视场中移动，测量大型物体的局部三维数据，假设在时刻t，三维扫描仪测量到的数据点云记作此时立体跟踪器会测量到三维扫描仪上的led标记，假设第i个立体跟踪器ti测量到三维扫描仪上的led标记，记作

i.利用步骤d.的方法，针对和构建连通图，分别记作gs和gt；

j.利用步骤e.的方法，匹配连通图gs和gt，确立led标记在三维扫描仪坐标和ti坐标系中的对应关系，假设和相对应；

k.根据匹配的结果，计算三维扫描仪的姿态，假设此时三维扫描仪的姿态为可以如下公式计算：

l.根据三维扫描仪和立体跟踪器的姿态，拼接三维扫描仪在时刻t测量的局部数据如下公式

。