[发明专利]一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法

说明书

技术领域

本发明属于三维扫描技术领域，涉及一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法。

背景技术

目前三维扫描方式主要分为两种，接触式三维扫描和非接触三维扫描。接触式扫描是通过高精密度可控探针在与物体表面直接接触后记录物体表面上接触点的三维位置信息来实现的。非接触扫描方式主要用在学术研究专业和工业生产中，主要用到的方式包括两种，一种是基于物理声波的扫描方式，例如通过超声波进行三维扫描；另一种方式为基于光学和机器视觉的非接触三维扫描方式。非接触扫描方式可以更好的保护被测量对象，避免因测量过程中产生接触而破坏物体表面。

基于机器视觉的非接触三维扫描方式相比于基于物理声波等非接触三维扫描方式，其优点主要有设备造价低廉、操作方便、测量速度快、能耗低等特点。同时可以对测量对象的三维点云数据存储，对测量对象的数字分析提供比较准确的数据信息。基于机器视觉的非接触三维扫描方式包括基于双目机器视觉的三维物体表面的扫描系统和基于单目机器视觉的三维物体表面的扫描系统。

基于平行的双目机器视觉的三维扫描技术，首先用双目视觉获得两幅视差图像，然后对两幅图像中的对应特征点进行匹配，最后利用匹配结果计算各点在空间中相对于摄像头中心的三维坐标。其技术缺点在于：

1）特征点不易提取，匹配过程极容易产生误差，且误差比较大。

2）视差图像中对应点的匹配算法十分复杂，因耗时难以提高扫描速度。

3）双目视觉系统标定和校正难以操作，微小的移动或变形都会导致畸变。

基于单目机器视觉的三维物体表面的扫描系统，利用两块相互垂直的标定板以及固定的标定点进行背景建模，建立空间坐标系。用一字线激光笔照射被扫描对象时，从每帧图像中可提取物体表面上被照亮的一条线上的三维点数据。人手持激光笔上下移动，光线适宜的情况下能还原出物体的表面。其技术缺点在于：

1）标定板大小以及标定点的位置固定，标定板的两个面必须互相垂直。如果扩大测量物体，用当前标定板就不能进行扫描操作。对于普通用户，很难保证标定板的两个面完全互相垂直，更希望标定板的两个面能够以任意角度放置。

2）扫描过程对环境要求苛刻，要求环境中的所有光都必取消掉，否则会严重影响扫描效果。

3）软件操作复杂，需要较长时间来对软件进行熟悉。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，通过采用新的背景模型的建立、空间坐标系的确定及结构光中心提取和存贮方式，降低成本、简化操作，实现实时性，即时显示测量结果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于单目机器视觉的非接触三维扫描方法，包括以下步骤：

1）制作背景板，背景板包括相互连接的左标定板和右标定板，在左标定板和右标定板上相互对称的设置若干个均匀分布的坐标点；

2）在背景板前放置摄像头，通过激光笔依次点亮左标定板和右标定板上的坐标点，以摄像头中心点为坐标原点，提取各个坐标点的位置，以左标定板、右标定板上的坐标点分别构建其背景平面方程；

3）将待扫描的物体放置在左标定板和右标定板之间，激光笔持续晃动照射，此时摄像头能实时捕获到激光照射到待扫描物体表面上的图像；

在激光笔照射时，提取激光中心线，然后分别取激光线打在左标定板上的两个点和打在右标定板上的两个点构造激光线平面；

4）以摄像头中心点为坐标原点，通过激光笔照射到物体表面上的图像，提取得到激光光条中心线点，称为激光线点；通过激光线点与摄像头中心点构成直线方程，该直线方程与激光线平面相交于一点，将图像中的激光光条中心线上的所有点转换为相对与摄像头中心点的三维空间点；

5）利用所构建的左标定板、右标定板的平面方程作为筛选器，把不是平面上的三维空间点筛选出来就得到了落在待扫描物体表面上的三维空间点，得到了被扫描物体表面的三维空间信息，三维空间信息是以摄像头中心点为坐标原点的；

6）建立一个对应于图像大小的二维数组，将得到的被扫描物体表面的三维空间点信息存储到二维数组中，再按照OBJ格式要求，将数据写入OBJ文件中；

7）按照OBJ文件的绘制方式利用OpenGL图形绘制接口绘制显示，得到扫描物体的三维点云显示结果。

所述的左标定板和右标定板的连接角度可调。

所述的坐标点为12个，左标定板和右标定板上均设有六个坐标点，其中每三个坐标点均匀分布在一条直线上，形成两条相互平行的直线。