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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 自拼接雙目立體測(cè)量系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品將基于平面標(biāo)定板的標(biāo)定方法和自標(biāo)定相結(jié)合，提出了一種簡(jiǎn)便易行的三步優(yōu)化標(biāo)定方法。并且用隨機(jī)模式投射器，瞬時(shí)投射一幅隨機(jī)圖像到被測(cè)物體表面，一次測(cè)量只需要在瞬時(shí)攝取一個(gè)圖像對(duì)，就可以生成物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)了多視角測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼合。同時(shí)在雙目立體測(cè)量的基礎(chǔ)上，將隨機(jī)模式投射器分別和兩個(gè)攝像機(jī)組成單目測(cè)量模塊，進(jìn)行物體表面點(diǎn)云測(cè)量。
- 詳細(xì)介紹：
- 物體的三維外形輪廓測(cè)量技術(shù)是實(shí)施逆向工程、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等的前端基礎(chǔ)，在飛機(jī)、汽車、船舶、模具、娛樂(lè)、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用需求。本作品結(jié)合圖像處理技術(shù)、攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、匹配重建技術(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)拼合技術(shù)和系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)了一種基于隨機(jī)模式投影的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)RIMS (Random Illumination Measurement System)。RIMS直接模擬人類雙眼來(lái)獲取景物的三維信息，即利用兩個(gè)有一定間距、成一定角度的攝像機(jī)同時(shí)攝取場(chǎng)景的圖像，通過(guò)計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅立體圖像中的相差得到其三維坐標(biāo)值。 作品基于瞬時(shí)隨機(jī)模式投影的三維輪廓測(cè)量的軟硬件設(shè)計(jì)，使得RIMS僅通過(guò)投射一幅隨機(jī)模板圖像到被測(cè)物體表面，結(jié)合雙目立體測(cè)量結(jié)構(gòu)來(lái)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單次測(cè)量如同普通照相一樣控制在極短時(shí)間內(nèi)完成，能勝任被測(cè)物體在振動(dòng)、噪聲等非靜態(tài)環(huán)境下的測(cè)量，同時(shí)整個(gè)投影裝置乃至整個(gè)立體傳感器緊湊小巧。 作品將基于平面標(biāo)定板的標(biāo)定方法和自標(biāo)定方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)便易行的三步優(yōu)化標(biāo)定方法。該方法在兩步法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將標(biāo)定板上靶點(diǎn)的空間坐標(biāo)作為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化求解，并用實(shí)際距離已知的兩個(gè)點(diǎn)之間的間距精確恢復(fù)由此帶來(lái)的尺度變化，從而大大降低了標(biāo)定板的制作和計(jì)量校準(zhǔn)要求，同時(shí)提高了標(biāo)定精度。并且在實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中只需雙攝像機(jī)從不同角度對(duì)平面標(biāo)定板拍攝一組圖像，即可自動(dòng)完成系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)和投影器以及姿態(tài)傳感器的標(biāo)定。算法穩(wěn)定可靠，能夠滿足一般工業(yè)測(cè)量的精度要求。 作品基于姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)多視角測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼合。將結(jié)構(gòu)小巧的姿態(tài)傳感器穩(wěn)固于測(cè)量設(shè)備上，使得測(cè)量設(shè)備在改變位置和姿態(tài)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行多視角測(cè)量時(shí)，能夠自行確定立體傳感器坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，從而無(wú)需在被測(cè)物體表面和測(cè)量場(chǎng)景中布置標(biāo)記點(diǎn)，也無(wú)需采用專門的數(shù)控機(jī)械裝置，就可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)多視角測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼合。 作品在雙目立體測(cè)量的基礎(chǔ)上，將隨機(jī)模式投射器分別和兩個(gè)攝像機(jī)組成單目測(cè)量模塊，進(jìn)行物體表面點(diǎn)云測(cè)量。在該方法中，空間一點(diǎn)及其鄰域只需要在左右任意一幅圖像上成像良好，就可以由其中的一個(gè)測(cè)量單元得到其三維坐標(biāo)，因此避免了由于某個(gè)單攝像機(jī)視線方向存在高光及遮擋等原因引起的三維測(cè)量數(shù)據(jù)缺失，有效彌補(bǔ)了單純雙目測(cè)量的不足。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 三維外形輪廓數(shù)據(jù)的測(cè)量在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、文物考古等行業(yè)需求廣泛。本作品研究開(kāi)發(fā)的瞬時(shí)隨機(jī)投影的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)旨在方便快捷地獲取物體表面三維點(diǎn)云，并且實(shí)現(xiàn)多視測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)拼合,同時(shí)減小被測(cè)物體表面高光反射以及自身遮擋造成的影響。系統(tǒng)由兩個(gè)CCD相機(jī)、投影器、姿態(tài)傳感器、控制器等組成。測(cè)量軟件控制投影器向物體表面投射瞬時(shí)隨機(jī)光場(chǎng)，兩個(gè)相機(jī)同步曝光，對(duì)采集到的圖像對(duì)進(jìn)行處理和匹配運(yùn)算，就可在沒(méi)有任何掃描或變換結(jié)構(gòu)光投影模式下方便快捷地獲取物體表面數(shù)據(jù)。利用姿態(tài)傳感器，確定多視角測(cè)量過(guò)程中測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，然后通過(guò)軟件算法確定平移向量，從而無(wú)需任何其它輔助手段，就可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)多視角測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼合，形成物體完整的輪廓數(shù)據(jù)。另外，兩個(gè)相機(jī)分別與投影器組成單目測(cè)量模塊，從而只要空間一點(diǎn)及其鄰域在左右任意一幅圖像上成像良好，就可以由其中的一個(gè)單目測(cè)量單元得到其三維坐標(biāo)，避免單純雙目測(cè)量模式下某個(gè)相機(jī)視線方向存在高光及遮擋引起的三維測(cè)量數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)以上目的，必須解決以下問(wèn)題：對(duì)兩個(gè)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)、設(shè)備坐標(biāo)系與姿態(tài)傳感器坐標(biāo)系之間關(guān)系、投影器發(fā)出光線束空間方程進(jìn)行標(biāo)定，單/雙目測(cè)量時(shí)隨機(jī)模式投影下的圖像匹配及三維點(diǎn)云生成技術(shù)，多視數(shù)據(jù)整體拼接優(yōu)化技術(shù)，兩個(gè)相機(jī)及投影器的時(shí)序控制，測(cè)量軟件的綜合開(kāi)發(fā)。本作品單次測(cè)量點(diǎn)云數(shù)量為10-20萬(wàn)個(gè)，單次測(cè)量的不確定度小于0.03mm，多視角測(cè)量數(shù)據(jù)拼合誤差不大于0.1mm/m，相機(jī)分辨率為1392×1040。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、只要投射瞬時(shí)隨機(jī)光場(chǎng)到被測(cè)物體表面，兩個(gè)相機(jī)同步曝光，瞬時(shí)就可獲得三維重建所需圖像信號(hào)，單次測(cè)量如同普通照相一樣方便，而且能勝任動(dòng)態(tài)物體以及在振動(dòng)、噪聲等非靜態(tài)環(huán)境下的測(cè)量，同時(shí)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。2、利用姿態(tài)傳感器，使系統(tǒng)在改變位置和姿態(tài)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠自行確定測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，并利用統(tǒng)計(jì)聚類方法計(jì)算相應(yīng)的平移向量，從而無(wú)需在物體表面和測(cè)量場(chǎng)景中布置標(biāo)記點(diǎn)或采用專門的機(jī)械裝置，就可實(shí)現(xiàn)多視數(shù)據(jù)自拼接。目前未見(jiàn)用類似方法進(jìn)行多視數(shù)據(jù)拼合的報(bào)道和商用系統(tǒng)。該方法已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。3、要實(shí)現(xiàn)雙目測(cè)量，又要實(shí)現(xiàn)單目測(cè)量，同時(shí)要利用姿態(tài)傳感器輔助進(jìn)行多視數(shù)據(jù)自拼接，這就要求在對(duì)兩個(gè)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定之外，還要對(duì)投影器和姿態(tài)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)此本作品提出了系統(tǒng)綜合標(biāo)定方法。4、在雙目測(cè)量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單目測(cè)量。這使得只要空間一點(diǎn)及其鄰域在左右任意一幅圖像上成像良好，即可由其中的一個(gè)測(cè)量單元得到其三維坐標(biāo)，避免了該點(diǎn)在某個(gè)相機(jī)視線方向存在高光反射或遮擋而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2008年12月本校第十一屆大學(xué)生科技節(jié)特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、使用說(shuō)明。測(cè)量軟件分為以下工作模式。（1）系統(tǒng)標(biāo)定：分別對(duì)標(biāo)定板正反面拍攝一組圖像，完成相機(jī)、投影器、姿態(tài)傳感器的標(biāo)定；（2）雙（單）目測(cè)量：瞬時(shí)曝光拍得一對(duì)圖像，用雙（單）目測(cè)量算法生成測(cè)量區(qū)域的三維點(diǎn)云，并將本次測(cè)量數(shù)據(jù)變換到全局坐標(biāo)系下。（3）數(shù)據(jù)處理：主要完成整體拼合優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、三角網(wǎng)格模型生成等。2、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。（1）無(wú)需掃描和結(jié)構(gòu)化光照模式轉(zhuǎn)換，兩個(gè)相機(jī)瞬時(shí)同步拍攝一對(duì)圖像即可完成測(cè)量，并勝任非靜態(tài)物體及環(huán)境的測(cè)量；（2）僅靠測(cè)量系統(tǒng)自身就能實(shí)現(xiàn)多視數(shù)據(jù)自拼接；（3）投影裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；（4）系統(tǒng)標(biāo)定簡(jiǎn)單易行；（5）減小了物體表面高光反射和遮擋產(chǎn)生的影響。3、適用范圍。本作品可廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品、動(dòng)態(tài)物體、人體等的三維外形測(cè)量。 4、推廣前景。具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，且具有“一鍵式”瞬時(shí)拍照測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)自拼接等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。本作品后續(xù)的各項(xiàng)功能還將陸續(xù)開(kāi)發(fā)、升級(jí)，進(jìn)行功能模塊的客戶化定制式開(kāi)發(fā)及各種專用測(cè)量系統(tǒng)。
同類課題研究水平概述
- 基于光學(xué)原理的各種三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)發(fā)展十分迅速，一些相對(duì)成熟的技術(shù)已形成了三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。其中具有代表性的有:激光線掃描三維測(cè)量機(jī)(如3D Scanner?)、結(jié)構(gòu)光編碼的光學(xué)掃描儀(如ATOS?、Comet?)、手持式激光測(cè)量?jī)x(如T-Scan?)等。這些坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備均是基于光學(xué)三角形原理并輔以一定的結(jié)構(gòu)光照射。前兩種測(cè)量設(shè)備在某些情況下不可避免地存在視線遮擋問(wèn)題，產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺失。另外結(jié)構(gòu)光編碼需要多次變換投影模式，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、成本高。手持式激光測(cè)量?jī)x要求使用者手持激光掃描器像刷油漆一樣連續(xù)“刷”過(guò)物體表面，系統(tǒng)采用一個(gè)光學(xué)跟蹤器來(lái)確定激光掃描器的六度空間位置，以便由此增加測(cè)量的靈活性。但由于激光束的連續(xù)移動(dòng)是通過(guò)手持掃描器進(jìn)行，對(duì)大型工件的整體掃描也是十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。另外，由于測(cè)量者手臂的抖動(dòng)，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)排列往往不利于后續(xù)處理。 不同于上述基于光學(xué)傳感器和光學(xué)三角形原理的另一類測(cè)量方法，是基于機(jī)械接觸式傳感的測(cè)量方法。該方法測(cè)量精度高，在工業(yè)界應(yīng)用也很廣泛，但對(duì)環(huán)境要求比較高，需要專門的測(cè)量室和專用測(cè)量臺(tái)，且測(cè)量范圍有限，測(cè)量效率低，不適合復(fù)雜自由曲面物體的測(cè)量。 我國(guó)在三維測(cè)量技術(shù)方面也進(jìn)行了大量的研究。其中，航空精密儀器研究所在三維接觸式測(cè)量方面取得了令人矚目的成績(jī)，研制了系列三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)將大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和基于CCD攝像的二目成像原理相結(jié)合，進(jìn)行大型工件特征點(diǎn)的檢測(cè)。在他們的方法中，工件需要放在特制的精密轉(zhuǎn)臺(tái)上以提供標(biāo)準(zhǔn)的位移，因此硬件設(shè)備組成較為復(fù)雜，缺乏足夠的柔性。對(duì)于基于CCD照相的表面點(diǎn)云測(cè)量方法，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等單位也都進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)。這些系統(tǒng)基本上都是采用多次投射不同的條紋模式結(jié)構(gòu)光并拍攝多對(duì)圖像用于解算三維點(diǎn)坐標(biāo)，而且多次測(cè)量數(shù)據(jù)的拼合沒(méi)有得到很好解決。 本作品基于瞬時(shí)隨機(jī)模式投影的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)，具有“一鍵式”瞬時(shí)拍照測(cè)量、無(wú)需任何輔助手段即可完成多視角測(cè)量數(shù)據(jù)的自拼合等目前其它方法所不具有的突出優(yōu)點(diǎn)。
