[发明专利]一种基于双目立体视觉的三维测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于双目立体视觉的三维测量方法，其特征在于，在测量装置上完成，所述测量装置包括测量室、弧形运动机构、姿态调整机构、相机运动机构和灯带，所述测量室由铝合金型材和钢板搭建而成，弧形运动机构安装在测量室的侧板上，姿态调整机构安装在测量室的底板上，所述姿态调整机构包括转盘和升降机，转盘固定在升降机上；姿态调整机构的几何中心与弧形运动机构中弧形导轨的对称平面重合，相机运动机构安装在弧形运动机构的滑块上，所述相机运动机构包括支架、直线模组、相机支座、相机和倾角传感器，直线模组固定在支架上，相机支座与直线模组固定连接，相机固定在相机支座上，倾角传感器用于检测相机倾角，在姿态调整机构周围布置有数个可调灯带，分别固定在测量室的侧板、顶板与门上；

应用前述测量装置的三维测量方法包括如下步骤：

(1)在上述测量装置与上位机之间建立信号传输通道，测量前调整相机与测量目标的相对位置，具体为：将测量目标放置在姿态调整机构中的转盘上，通过姿态调整机构中的升降机调整测量目标的高度，使测量目标的几何中心与相机弧形运动的旋转中心轴重合；通过转盘调整测量目标的测量角度，并标记测量角度；驱动相机运动机构中的直线模组、相机支座，使相机镜头正对测量目标；

(2)创建稳定封闭的测量环境：关闭测量室中的门，将灯带全部打开；

(3)弧形运动机构驱动相机绕测量目标旋转半周以上，结合弧形运动机构上的定相电机和相机运动机构上的倾角传感器定相拍摄测量目标：已知相机在弧线运动过程中需要多次停顿来拍摄测量目标，在相机相邻的两次停顿位置上，以相机相对于运动轨迹弧心的圆心角作为拍摄相位角，相机运动前为相机设置拍摄相位角；弧形运动机构驱动相机绕测量目标旋转半周以上，相机在绕测量目标弧线运动的过程中每旋转一个相位角停顿一次，并对测量目标进行拍摄，直至获取测量目标在所有相位下的点云模型，倾角传感器实时检测相机运动的角度和速度；

(4)相机在每个指定相位上连续以固定的时间间隔拍摄测量目标，在每个时间间隔内调节测量目标周围的光源，具体为调节测量目标周围灯光的强弱、调节被开启灯带的分布位置和控制被开启灯带的数量，以获取测量目标在不同光照条件下的点云模型；

(5)在上位机中对不同光照条件下的模型进行滤波处理，滤波处理具体为：采用一种基于邻域搜索的滤波方法，指定搜索半径R与滤波阈值N，以数据点为中心、R为半径划定每个数据点的搜索域，统计搜索域内其他点的数量；当某个搜索域内其他点的数量大于N时保留该搜索域对应的数据点，当数量小于N时则剔除该搜索域对应的数据点，通过不断迭代直至消除模型中所有的离群噪点；

(6)计算滤波后每个模型中数据点的数量，筛选出每个相位上具有最多数据点的模型；

(7)控制转盘使测量目标旋转90度并标记测量角度，重复步骤(3)～(6)获取测量目标其余部位的降损模型，将在不同相位上获取的降损模型依次命名为A₁,A₂,A₃...A_n-1,A_n，其中n为降损模型的总数，将在第i个相位上获取的降损模型命名为A_i；

(8)在上位机中对相邻降损模型A_i与A_i+1进行粗配准：将粗配准后的降损模型依次命名为A₁′,A₂′,A₃′...A_n-1′,A_n′，其中n为降损模型的总数，将在第i个相位上获取的降损模型命名为A_i′；

(9)计算配准后相邻降损模型A_i′与A_i+1′间的重叠率：设置距离阀值L，计算粗配准后A_i+1′中每个数据点与A_i′中所有数据点的距离，当两数据点的距离小于L，则判定这两点为重叠点，统计重叠点的数量Q，计算A_i′、A_i+1′数据点的总数M，则A_i′、A_i+1′间的重叠率为

(10)为重叠率设定目标范围[S₁,S₂]，若重叠率在目标范围之内即δ∈[S₁,S₂]，直接将满足重叠率要求的降损模型作为优化模型；若重叠率在目标范围之外即则调整相机对测量目标的拍摄相位角，重复步骤(3)～(9)直至重叠率达到目标范围，并将满足重叠率要求的降损模型作为优化模型；

(11)对优化模型精配准：按照步骤(8)所述方式粗配准所有优化模型，提取所有优化模型中数据点的表面法线特征作为对应数据点的几何特征，筛选优化模型间具有相同几何特征的多对数据点作为对应点组，根据对应点组的坐标信息借助一种点云配准的ICP算法对所有优化模型进行精配准：在相邻降损模型A_i′、A_i+1′中存在对应点组K，K中包含两个点集G、H，G、H中的数据点根据几何特征一致性一一对应，G、H中的对应点分别为和计算出点集G、H的重心精配准中使旋转、平移的变换矩阵为F，G、H中对应点的数量为Z，则精配准后G、H中对应点间的距离之和为以实现J的最小化为优化目标迭代计算出对应的变换矩阵F′，利用F′逐次对所有优化模型进行配准进而获得配准模型；

(12)按照步骤(11)所述的方式将配准模型精配准到标准模型中，对比配准模型与标准模型的差距完成三维测量。