[发明专利]基于瞬时随机光照的三维曲面测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于三维传感和测量领域，特别涉及一种基于瞬时随机光照的三维曲面测量装置及方法。

背景技术

三维曲面测量技术是目前国内外三维传感和测量领域研究的热点之一，它广泛应用于航空航天、汽车船舶、机械制造、生物医学等各个领域。目前主流的非接触的测量方法主要有以下几种：①激光单点测量法，由于此方法一次只能测量一个点，虽然测量精度高，但效率极低；②激光线扫描法，这种方法是单线扫描，与单点测量相比效率较高，测量精度较高，是比较成熟的方法，但此方法对被测物体表面的测量，必须借助对激光线的精确运动控制方能实现；③莫尔条纹法，此方法是将变形栅像与周期相同的参考光栅叠加，利用得到的图样描绘出被测物体的等高线，它属于全场测量，可以测量动态物体，但测量精度不高，装置较复杂；④结构光编码投影法，它向被测物体投射含有编码信息的结构光，通过分析结构光照射下的被测物体图像实现三维物体表面点云测量，最常见的是光栅投影，这种方法可以达到较高的精度和数据致密度，较为成熟，但是由于需要多次投射光栅条纹并在时间序列上拍摄多幅图像，因此测量持续时间相对较长，在此期间被测物体和测量设备均需要保持绝对静止，所以该方法对环境振动和测量设备的结构稳定性都比较敏感，限制了其在某些特殊场合的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种结构简单、便于实现、能够像普通照相一样在瞬间完成一次拍摄测量、既适合于静态物体又可用于运动物体的三维曲面测量装置及方法。

技术方案：本发明的基于瞬时随机光场的三维曲面测量装置及方法不同于一般的光栅条纹投影三维测量方法，本测量方法投射一幅纯随机图像在被测物体表面，结合双目立体相机进行物体表面密集三维坐标点的测量。

该装置包括两个数码相机组成的双目立体相机对、一个控制电路板、一个瞬时随机光场投射装置、一台电脑以及一块标定板，两个数码相机和投影装置与控制电路板相连接，控制电路板和电脑由控制线连接，双目立体相机对和电脑由数字线连接；瞬时随机光场投射装置将一幅随机的黑白二值数字图像转移到具有透光效果的物理介质上，光线照射在该物理介质上，并通过投影镜头，在被测物体表面产生随机光照。

基于瞬时随机光照的三维曲面测量装置的测量方法包含以下步骤：

a.测量前利用平面标定板对双目立体相机对的固有成像参数和结构几何参数进行标定；

b.测量时电脑通过控制电路板启动双目立体相机对同步摄取一个没有辅助光场投射的立体图像对，之后控制电路板立即启动随机光场投射装置，瞬间在被测物体表面产生随机光照并持续毫秒级时间，这时双目立体相机对再次同步摄取被测物体在随机光场照射下的立体图像对；

c.电脑自动对步骤b拍摄的被测物体在随机光场照射下图像对进行分析处理，获得被测物体表面密集的三维点坐标；

d.电脑自动对步骤b拍摄的没有辅助光场照射下的立体图像对进行分析处理，获得图像中稳定的特征点的三维坐标，用于多次测量数据的拼合。

在第c步中，自动对随机光场照射下的立体图像对进行分析处理获得被测物体表面密集的三维点坐标的方法，包含以下步骤：

①综合图像特征点匹配算法以及区域匹配算法确定一个初始匹配点，

②结合灰度信息和摄像机成像几何约束，在局部窗口内采用加权最小二乘法对初始匹配进行亚像素精度迭代优化，同时获得匹配点的三维坐标；迭代过程中根据两幅图像当前窗口内的图像灰度的均值和方差，对待匹配窗口进行灰度矫正，以消除两幅图像之间整体灰度差异的影响，

③根据步骤②得到的最终匹配，确定该已匹配点的周围点的初始匹配，

④对步骤③中的初始匹配再按照步骤②中的方法进行亚像素精度优化，如此迭代求得各像点对应的三维空间坐标。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下特色和优点：

1.根据一个随机光场照射下的立体图像对，即可在非接触的情况下，测量出物体表面密集的三维点坐标。

2.能够类似普通照相一样在毫秒瞬间内完成一次测量所需要的图像拍摄，而不需要在时间序列上投射多个光线模式到被测物体表面，这使得本发明的方法不仅适用于一般静态物体的测量，而且可以应用于运动物体的测量。另外，对测量现场的振动、噪声、测量设备无法稳定摆放等其它测量方法比较敏感的问题，本发明方法都有很好的适应性。