基于标记点的流动式三维扫描测量技术的研究

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【摘 要】为解决大尺寸工件的现场测量问题，本文提出了一种基于标记点的流动式三维扫描测量技术。该技术主要包含双目视觉系统和结构光系统。首先建立双目视觉模型，然后建立新的工件坐标系，之后通过标记点的匹配，建立工件坐标系和传感器坐标系的关系，然后可将测得的每幅图像中的激光数据转到工件坐标系中。实验结果表明，本系统在视场范围内的空间测量精度达到0.2mm，可以满足大尺寸物体的现场测量要求。

【关键词】双目视觉；激光扫描仪；标记点；流动式测量

0 引言

具有复杂外形的三维物体的轮廓测量，尤其是表面点云测量，在航空航天、汽车制造等行业应用非常广泛。近年来，随着电子、光学、计算机技术的日趋完善，人们在图像处理、模式识别、人工智能技术等领域取得了巨大成就，其中以使用摄像机、个人计算机及其它一些电子产品为硬件基础，以计算机视觉理论为软件基石的三维外形轮廓测量技术成为了国内外研究的热点和重点[1-2]。目前现有的测量技术有关节臂三坐标测量法和光栅投影测量法。关节臂测量法测量范围有限，如要测量大范围则需变换位置，因此会导致测量基准变化，从而影响到整体测量；光栅投影测量法在测量大尺寸物体时，需要大片数据的拼接，因而会带来累加误差[3-4]。鉴于此，本文设计一款且体积小、质量轻、便于携带的三维激光扫描仪，实现对物体轮廓的三维测量。

1 系统组成

图1所示为手持扫描仪系统结构示意图，主要由两个CCD摄像机、激光器和照明装置组成。

图1 手持扫描仪系统结构示意图

图2 双目立体视觉中空间点三维模型

2 系统建模与标定

如图2所示，o1-x1y1z1为左相机坐标系，O1-X1Y1为相面坐标系，f1为有效焦距；o2-x2y2z2为右相机坐标系，O2-X2Y2为相面坐标系，f2为有效焦距。点P为空间中一点，位于世界坐标系（ow-xwywzw）中。

3 图像处理

图3 标记点

本文采用的标记点如图3所示，标记点为带有黑圈的亮圆，利用黑圈和亮圆明显的灰度对比差异，实现标记点的识别和定位。处理时，采用沿行方向判断，再沿列方向判断，可确定粗圆心，再在给定区域中边缘提取获取粗边缘点，最后最小二乘你和获取圆形坐标[5]。

4 测量过程

4.1 求取标记点三维坐标

本文第3部分中已经提取出标记点的中心位置，利用外极线斜率约束方法并结合图像特征进行双目立体匹配结合摄像机理想模型，即可求出标记点在传感器坐标系中的三维坐标。

4.2 光平面坐标系到传感器坐标系的转换

标定时，利用传感器坐标系中的共面点（xw，yw，zw）建立光平面中的二维坐标系（xl，yl），这些点在两个坐标系中的坐标都是已知的，这样就可以确定从光平面二维坐标系到传感器坐标系的变换关系。

4.3 工件坐标系的建立

上文已经得到了标记点在传感器坐标系下的三维数据，因在扫描过程中传感器是流动的，传感器坐标系也是流动的，因此选取合适的方法，利用第一次测量所得到的点建立新的工件坐标系OR-XRYRZR。又因为这些点即在传感器坐标系中又在工件坐标系中，（下转第142页）（上接第102页）所以又还可以得到传感器坐标系和工件坐标系之间的转化关系。经过多个坐标系间的转换，最终可以将激光像素坐标转到工件坐标系中。

5 实验和结果

利用手持扫描仪对复杂物体进行扫描测量，将得到的三维点云数据在Imageware软件下打开，可得到如图4所示的效果图。

图4 三维测量效果图对比

6 结论

1）三维外形轮廓测量技术是国内外研究的热点和重点，能否快速、精确的获取大物体的外形轮廓具有重要意义。本文设计的扫描仪体积小、质量轻、结构简单、便携性好、不受空间和被测物体体积的影响，结合所提出的标定方法以及处理手段，实现了物体的三维轮廓扫描。

2）该系统经过准确的相机标定，精确的图像处理后，在系统视场内，应用本文所提出的方法对标准点及标准球进行测量，平面度和点间距离误差均在0.2mm之内，测量精度较好。同时测量了三维物体并成功还原其形态，经试验验证，该方法具有一定的使用价值。

【参考文献】

[1]Joaquim Salvi， Sergio Fernandez， Tomislav Pribanic， etal. A state of the art in structured light patterns for surface profilometry [J]. Pattern Recognition， 2010， 43：2666-2680.

[2]Tomislav Pribanic， Sa？a Mrvo？， Joaquim Salvi. Efficient multiple phase shift patterns for dense 3D acquisition in structured light scanning [J]. Image and Vision Computing， 2010，28：1255-1266.

[3]张国雄.三坐标测量机的发展趋势[J].中国机械工程，2000，11（1）：222-226.

[4]王晖.一种考虑透镜畸变的高效摄像机标定方法[J].武汉科技学院学报，2007，20（11）：36-39.

[5]张虎，达飞鹏，邢德奎.光学测量中椭圆圆心定位算法研究[J].应用光学，2008，11（6）：905-911.