投影线对应的光平面识别装置、三维测量系统及方法与流程

1.本发明实施例涉及3d光学信息识别技术领域，尤其涉及一种投影线对应的光平面识别装置、三维测量系统及方法。


背景技术：

2.通常的，结构光光源产生的一个光平面投射在平面物体上会在平面物体表面反射形成一条直线型的投影线，而投射在立体物体上则会反射出一条曲线型的投影线。
3.为了测量三维物体的三维信息，一种采用结构光光源的测量方法是采用结构光光源产生若干光平面投射在三维物体上以形成多条投影线，然后通过相应的摄像装置拍摄获得形成有投影线的三维物体的原始图像，从原始图像中提取出投影线后，需要将每条投影线与对应产生投影线的光平面一一对应，但是，曲面物体上的投影线呈现曲线形态，且可能会相互交错，这使得识别和判断存在较大的困难，而误判会造成三维数据很大的失真。
4.现有的一种投影线所对应的光平面的识别方法是通过增大各条投影线之间的距离，使得各条投影线无法交错，从而可根据投影线和光平面的排列顺序实现识别，但上述方法造成投影线之间的密度受限，为了提高采集密度，需要显著增加摄像装置的拍摄次数；另一种识别方法则是对投影线进行编码，使得投影线产生差异，再结合排列顺序以识别对应关系，编码方式主要包括图案编码和亮度编码，其中，图案编码是通过将三维物体的整个投影区域划分为不同的子区域，每个子区域内部具有编码结构，再根据排列顺序可识别找出每个子区域的对应关系，子区域内部的对应关系由编码结构识别，但是，由于要构造图案，并且保证图案在各类物体表面成像存在不变的特征，因此，识别精度和获取密度相对较差；而亮度编码则是通过调节光平面的投射能量，使得形成的投影线的亮度呈现规律性变化，从而确定每条投影线与光平面的对应关系，但是，不同的待测物体反射效果不同，明暗差异较小，无法准确区分，而且待测物体表面的材质同样会影响投影线的亮度，识别成功率相对较低。


技术实现要素：

5.本发明实施例要解决的技术问题在于，提供一种投影线对应的光平面识别装置，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面。
6.本发明实施例进一步要解决的技术问题在于，提供一种三维测量系统，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面。
7.本发明实施例进一步要解决的技术问题在于，提供一种投影线对应的光平面识别方法，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面。
8.为了解决上述技术问题，本发明实施例首先提供以下技术方案：一种投影线对应的光平面识别装置，与摄像装置相连，所述摄像装置用于拍摄与所述摄像装置相对固定的结构光光源投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面照射在待测物体上所形成的投影线网格以获得实际网格图像，所述识别装置包括：
交点提取模块，与所述摄像装置相连，用于从所述摄像装置提供的实际网格图像中提取出各个光平面在待测物体表面形成的实际投影线和实际投影线相交形成的实际交点；交点筛选模块，与所述交点提取模块相连，用于计算每个所述实际交点与预先标定并储存的任意两个相交的光平面的目标交线的实际距离，对比所述实际距离与预定距离阈值，将所有的仅与一条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点确定为已识别交点；以及投影线识别模块，与所述交点筛选模块相连，用于将与所述已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线所在的两个光平面与所述已识别交点所在的两条实际投影线一一识别对应。
9.进一步的，所述交点筛选模块包括：坐标标定单元，用于预先标定出所述结构光光源的任意两个相交的光平面的目标交线在所述实际网格图像中的实际交线坐标；坐标存储单元，用于存储所述实际交线坐标；距离计算单元，用于根据每个所述实际交点在实际网格图像中的实际交点坐标和所述实际交线坐标计算每个实际交点与每条所述目标交线的实际距离；以及对比及数量判断模块，用于对比所述实际距离与预定距离阈值，判断与所述实际交点的实际距离小于预定距离阈值的目标交线的实际数量，将仅与一条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的所有实际交点确定为已识别交点。
10.进一步的，所述交点筛选模块还用于将所有的与至少两条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点确定为混淆点，所述装置还包括：交点变换模块，分别连接所述交点筛选模块和所述投影线识别模块，用于将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线上的混淆点确定为已识别交点。
11.进一步的，所述装置还包括：位置校正模块，用于采用最短距离校正法校正所述已识别交点的实际交点坐标使所述已识别交点落在对应的所述目标交线上。
12.另一方面，为了解决上述进一步的技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：一种三维测量系统，包括：结构光光源，包括两组光平面，每组光平面均包括多个相互平行的光平面，每个光平面与至少一个不同组的光平面相交，所述结构光光源的各个光平面投射在待测物体上形成的实际投影线共同组成一个投影线网格；摄像装置，与所述结构光光源相对固定，用于拍摄所述投影线网格以获得实际网格图像；识别装置，所述识别装置为如上述任一项所述的基于结构光的投影线对应的光平面识别装置；以及三维计算装置，基于结构光光源的各个光平面与摄像装置的固定几何关系，计算得出所有已识别交点和实际投影线的三维坐标，构建待测物体的三维数据库。
13.再一方面，为了解决上述进一步的技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：一种投影线对应的光平面识别方法，包括以下步骤：
从摄像装置提供的实际网格图像中提取出实际投影线和实际投影线相交形成的实际交点，所述实际网格图像由所述摄像装置拍摄与所述摄像装置相对固定的结构光光源投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面照射在待测物体上所形成的投影线网格获得；计算每个所述实际交点与预先标定并储存的任意两个相交的光平面的目标交线的实际距离，对比所述实际距离与预定距离阈值，将所有的仅与一条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点确定为已识别交点；以及将与所述已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线所在的两个光平面与所述已识别交点所在的两条实际投影线一一识别对应。
14.进一步的，所述计算每个所述实际交点与预先标定并储存的任意两个相交的光平面的目标交线的实际距离，对比所述实际距离与预定距离阈值，将所有的仅与一条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点确定为已识别交点具体包括：预先标定出所述结构光光源的任意两个相交的光平面的目标交线在所述实际网格图像中的实际交线坐标；存储所述实际交线坐标；根据每个所述实际交点在实际网格图像中的实际交点坐标和所述实际交线坐标计算每个实际交点与每条所述目标交线的实际距离；以及对比所述实际距离与预定距离阈值，判断与所述实际交点的实际距离小于预定距离阈值的目标交线的实际数量，将仅与一条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的所有实际交点确定为已识别交点。
15.进一步的，所述方法还包括：将所有的与至少两条所述目标交线的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点确定为混淆点；以及将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线上的混淆点确定为已识别交点。
16.进一步的，所述方法还包括：采用最短距离校正法校正所述已识别交点的实际交点坐标使所述已识别交点落在对应的所述目标交线上。
17.采用上述技术方案后，本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明实施例通过从摄像装置提供的实际网格图像中提取出实际投影线和实际投影线相交形成的实际交点，而实际网格图像是由摄像装置拍摄与其相对固定的结构光光源投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面照射在待测物体上所形成的投影线网格获得的，进一步计算每个所述实际交点与预先标定并储存的任意两个相交的光平面的目标交线的实际距离，据空间几何原理，两个光平面在待测物体上的实际投影线的实际交点必定在两个光平面的目标交线上，即实际交点仅与两个光平面的一条目标交线的实际距离在理论状况下应该等于零，但考虑实际必然存在误差，因此通过设置适当的预定距离阈值，保证准确性，从而确定出实际交点与目标交线的对应关系，即确定出已识别交点，最后确定与已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线所在的两个光平面与所述已识别交点所在的两条实际投影线的对应关系，识别过程简单，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面，从而可显著增加
投影线密度，有效提升测量精度和测量速度。
附图说明
18.图1为本发明投影线对应的光平面识别装置一个可选实施例的原理结构框图。
19.图2为本发明投影线对应的光平面识别装置一个可选实施例两个相交的光平面投射在平面物体表面上的示意图。
20.图3为本发明投影线对应的光平面识别装置一个可选实施例交点筛选模块具体的原理结构框图。
21.图4为本发明投影线对应的光平面识别装置一个可选实施例坐标标定单元具体的原理结构框图。
22.图5为本发明投影线对应的光平面识别装置又一个可选实施例的原理结构框图。
23.图6为本发明三维测量系统一个可选实施例的原理结构框图。
24.图7为本发明投影线对应的光平面识别方法一个可选实施例的步骤流程图。
25.图8为本发明投影线对应的光平面识别方法一个可选实施例步骤s2具体的流程图。
26.图9为本发明投影线对应的光平面识别方法一个可选实施例步骤s21具体的流程图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。应当理解，以下的示意性实施例及说明仅用来解释本发明，并不作为对本发明的限定，而且，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
28.如图1
‑
图2所示，本发明一个可选实施例提供一种投影线对应的光平面识别装置1，与摄像装置3相连，所述摄像装置1用于拍摄与所述摄像装置1相对固定的结构光光源5投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在待测物体上所形成的投影线网格以获得实际网格图像，所述识别装置1包括：交点提取模块10，与所述摄像装置3相连，用于从所述摄像装置提供的实际网格图像中提取出各个光平面α在待测物体表面形成的实际投影线a和实际投影线a相交形成的实际交点a；交点筛选模块12，与所述交点提取模块10相连，用于计算每个所述实际交点a与预先标定并储存的任意两个相交的光平面α的目标交线b的实际距离，对比所述实际距离与预定距离阈值，将所有的仅与一条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为已识别交点；以及投影线识别模块14，与所述交点筛选模块12相连，用于将与所述已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线b所在的两个光平面α与所述已识别交点所在的两条实际投影线a一一识别对应。
29.本发明实施例通过从摄像装置3提供的实际网格图像中提取出实际投影线a和实际投影线a相交形成的实际交点a，而实际网格图像是由摄像装置3拍摄与其相对固定的结构光光源投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在待测物体上所形成的
投影线网格获得的，进一步计算每个所述实际交点a与预先标定并储存的任意两个相交的光平面α的目标交线b的实际距离，据空间几何原理，两个光平面α在待测物体上的实际投影线a的实际交点a必定在两个光平面α的目标交线b上，即实际交点a仅与两个光平面α的一条目标交线b的实际距离在理论状况下应该等于零，但考虑实际必然存在误差，因此通过设置适当的预定距离阈值，保证准确性，从而确定出实际交点a与目标交线b的对应关系，即确定出已识别交点，最后确定与已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线b所在的两个光平面α与所述已识别交点所在的两条实际投影线a的对应关系，识别过程简单，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面α，从而可显著增加投影线密度，有效提升测量精度和测量速度。
30.在具体实施时，可以理解的是，所述将与所述已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线b所在的两个光平面α与所述已识别交点所在的两条实际投影线a一一对应标定具体是指根据两个光平面α的位置关系，例如：一个为横向一个为竖向/斜向，对应的两条实际投影线a也是如此，从而横向的光平面α与横向的实际投影线a对应，竖向/斜向的光平面α与竖向/斜向的实际投影线a对应，因此，为方便识别对应，两个相交光平面α的通常采用易于识别的角度相交，例如：45度、60度或90度等。
31.在本发明一个可选实施例中，如图3所示，所述交点筛选模块12包括：坐标标定单元121，用于预先标定出所述结构光光源5的任意两个相交的光平面α的目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标；坐标存储单元123，用于存储所述实际交线坐标；距离计算单元125，用于根据每个所述实际交点a在实际网格图像中的实际交点坐标和所述实际交线坐标计算每个实际交点a与每条所述目标交线b的实际距离；以及对比及数量判断模块127，用于对比所述实际距离与预定距离阈值，判断与所述实际交点a的实际距离小于预定距离阈值的目标交线b的实际数量，将仅与一条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的所有实际交点a确定为已识别交点。
32.本实施例首先由坐标标定单元121预先标定出目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标，并由坐标存储单元123进行存储，在实际识别过程中，只需对应调用坐标存储单元123内的数据即可，提高识别效率；再进一步距离计算单元125通过预先获得的实际交点坐标和所述实际交线坐标，即可简单方便的计算出实际距离，最后只需通过对比及数量判断模块127相应的进行距离比较和数量确定，即可快速的确定出所有的已识别交点，识别效率更高。
33.在具体实施时，如图4所示，所述坐标标定单元121具体包括：标定交点提取子单元1210，与所述摄像装置3相连，用于从摄像装置3提供的标定网格图像中提取出标定投影线及标定投影线相交形成的标定交点，所述标定网格图像由所述摄像装置3先后拍摄至少两次与所述摄像装置3相对固定的结构光光源5投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在处于不同位置的平面标定板上所形成的标定网格获得；关系对应子单元1212，与所述标定交点提取子单元1210相连，用于根据各个光平面α的相对位置关系和排序规则确定各个标定投影线和所述各个光平面α的线面对应关系，再根据所述线面对应关系确定各个所述标定交点与各个光平面α的点面对应关系；以及
坐标确定子单元1214，与所述关系对应子单元1212相连，用于计算各个标定交点在所述标定网格图像的点坐标，将先后获得的并属于相同光平面α的标定交点拟合为一条标定直线，根据所述标定交点的点坐标计算获得所述标定直线的线坐标，将所述标定直线确定为任意两个相交的光平面α的目标交线b，将所述线坐标确定为所述目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标。
34.本实施例通过将结构光光源3投射在平面标定板上形成由标定投影线构成的标定网格，由于结构光光源3的各个光平面α投射在平面标定板上的标定投影线都是直线，因此易于区分，通过简单观察即可实现区分，然后先后拍摄至少两次所述平面标定板处于不同位置时反射的标定网格以获得标定网格图像，同样从中标定投影线及各条标定投影线的标定交点，由于结构光光源3与摄像装置5是相对固定的，仅是平面标定板在进行位置更换，因此任意两个相交的光平面α在标定网格图像及实际网格图像中的坐标位置均不会变化，即可从先后至少两次拍摄的标定网格图像中确定至少两组标定交点，而又根据两点确定一条直线的基本几何原理，且标定交点必在目标交线b上，即可将至少两组标定交点拟合为目标交线b，将所述标定直线确定为任意两个相交的光平面α的目标交线b，将所述线坐标确定为所述目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标，而且在具体实施时，还可以通过增加获得标定网格图像的次数，以提高目标交线b的标定的精确度。
35.在本发明又一个可选实施例中，如图5所示，所述交点筛选模块12还用于将所有的与至少两条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为混淆点，所述装置1还包括：交点变换模块16，分别连接所述交点筛选模块12和所述投影线识别模块14，用于将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线上的混淆点确定为已识别交点。
36.本实施例还通过将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线a上的混淆点确定为已识别交点，结合已确定出的已识别交点对混淆点进一步分析判断，提高已识别交点的数量，保证后续对待测物体的三维信息的计算精确度。
37.在具体实施时，所述交点筛选模块12共将所述实际交点分为三类：将所有的与每条所述目标交线b的实际距离均大于所述预定距离阈值的实际交点a确定为噪点；将所有的与至少两条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为混淆点；以及将所有的仅与一条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为已识别交点。
38.在本发明再一个可选实施例中，如图5所示，所述装置1还包括：位置校正模块18，用于采用最短距离校正法校正所述已识别交点的实际交点a坐标使所述已识别交点落在对应的所述目标交线b上。本实施例通过对所述已识别交点的实际交点坐标进行校正，使所述已识别交点落在对应的所述目标交线b上，而且采用最短距离校正法，即以点到直线最短距离进行坐标移动，尽可能减小误差，提高后续待测物体三维信息识别的准确度。
39.另一方面，如图6所示，本发明实施例提供一种三维测量系统，包括：结构光光源5，包括两组光平面α，每组光平面α均包括多个相互平行的光平面α，每
个光平面α与至少一个不同组的光平面α相交，所述结构光光源的各个光平面α投射在待测物体上形成的实际投影线a共同组成一个投影线网格；摄像装置3，与所述结构光光源5相对固定，用于拍摄所述投影线网格以获得实际网格图像；识别装置1，所述识别装置为如上述任一项所述的基于结构光的投影线对应的光平面识别装置；以及三维计算装置7，基于结构光光源5的各个光平面α与摄像装置1的固定几何关系，计算得出所有已识别交点和实际投影线的三维坐标，构建待测物体的三维数据库。本实施例三维测量系统采用上述的识别装置，可简单快速的构建待测物体的三维数据库。
40.再一方面，如图7所示，本发明实施例提供一种投影线对应的光平面识别方法，包括以下步骤：s1：从摄像装置3提供的实际网格图像中提取出实际投影线a和实际投影线a相交形成的实际交点a，所述实际网格图像由所述摄像装置3拍摄与所述摄像装置3相对固定的结构光光源5投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在待测物体上所形成的投影线网格获得；s2：计算每个所述实际交点a与预先标定并储存的任意两个相交的光平面α的目标交线b的实际距离，对比所述实际距离与预定距离阈值，将所有的仅与一条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为已识别交点；以及s3：将与所述已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线b所在的两个光平面α与所述已识别交点所在的两条实际投影线a一一识别对应。
41.本发明实施例通过上述方法，从摄像装置3提供的实际网格图像中提取出实际投影线a和实际投影线a相交形成的实际交点a，而实际网格图像是由摄像装置3拍摄与其相对固定的结构光光源投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在待测物体上所形成的投影线网格获得的，进一步计算每个所述实际交点a与预先标定并储存的任意两个相交的光平面α的目标交线b的实际距离，据空间几何原理，两个光平面α在待测物体上的实际投影线a的实际交点a必定在两个光平面α的目标交线b上，即实际交点a仅与两个光平面α的一条目标交线b的实际距离在理论状况下应该等于零，但考虑实际必然存在误差，因此通过设置适当的预定距离阈值，保证准确性，从而确定出实际交点a与目标交线b的对应关系，即确定出已识别交点，最后确定与已识别交点的实际距离小于预定阈值的目标交线b所在的两个光平面α与所述已识别交点所在的两条实际投影线a的对应关系，识别过程简单，能准确高效率的识别出投影线所对应的光平面α。
42.在本发明一个可选实施例中，如图8所示，所述步骤s2具体包括：s21：预先标定出所述结构光光源5的任意两个相交的光平面α的目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标；s22：存储所述实际交线坐标；s23：根据每个所述实际交点a在实际网格图像中的实际交点坐标和所述实际交线坐标计算每个实际交点a与每条所述目标交线b的实际距离；以及s24：对比所述实际距离与预定距离阈值，判断与所述实际交点的实际距离小于预定距离阈值的目标交线b的实际数量，将仅与一条所述目标交线b的实际距离小于所述预定
距离阈值的所有实际交点a确定为已识别交点。
43.本实施例通过上述方法，首先预先标定出目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标，在实际识别过程中，只需对应调用储存数据即可，提高识别效率；再进一步通过预先获得的实际交点坐标和所述实际交线坐标，即可简单方便的计算出实际距离，最后只需通过相应的进行距离比较和数量确定，即可快速的确定出所有的已识别交点，识别效率更高。
44.在具体实施时，如图9所示，所述s21具体包括：s211：从摄像装置3提供的标定网格图像中提取出标定投影线及标定投影线相交形成的的标定交点，所述标定网格图像由所述摄像装置3先后拍摄至少两次与所述摄像装置3相对固定的结构光光源5投射出的两组同组平行而不同组彼此相交的光平面α照射在处于不同位置的平面标定板上所形成的标定网格获得；s212：根据各个光平面α的相对位置关系和排序规则确定各个标定投影线和所述各个光平面α的线面对应关系，再根据所述线面对应关系确定各个所述标定交点与各个光平面α的点面对应关系；以及s213：计算各个标定交点在所述标定网格图像的点坐标，将先后获得的并属于相同光平面α的标定交点拟合为一条标定直线，根据所述标定交点的点坐标计算获得所述标定直线的线坐标，将所述标定直线确定为任意两个相交的光平面α的目标交线b，将所述线坐标确定为所述目标交线b在所述实际网格图像中的实际交线坐标。
45.在本发明一个可选实施例中，所述方法还包括：将所有的与至少两条所述目标交线b的实际距离小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为混淆点；以及将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线a上的混淆点确定为已识别交点。
46.将与至少两条所述目标交线b的实际距离均小于所述预定距离阈值的实际交点a确定为混淆点，再将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线a上的混淆点确定为已识别交点。本实施例还通过将与已确定出的已识别交点位于同一条实际投影线a上的混淆点确定为已识别交点，结合已确定出的已识别交点对混淆点进一步分析判断，增加已识别交点的数量，保证后续对待测物体的三维信息的计算精确度。
47.在本发明一个可选实施例中，所述方法还包括：采用最短距离校正法校正所述已识别交点的实际交点a坐标使所述已识别交点落在对应的所述目标交线b上。本实施例通过对所述已识别交点的实际交点坐标进行校正，使所述已识别交点落在对应的所述目标交线b上，而且采用最短距离校正法，即以点到直线最短距离进行坐标移动，尽可能减小误差，提高后续待测物体三维信息识别的准确度。
48.本发明实施例所述的功能如果以软件功能模块或单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、
随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
49.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。