基本信息
- 項目名稱：
- 自拼接雙目立體測量系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品將基于平面標定板的標定方法和自標定相結(jié)合，提出了一種簡便易行的三步優(yōu)化標定方法。并且用隨機模式投射器，瞬時投射一幅隨機圖像到被測物體表面，一次測量只需要在瞬時攝取一個圖像對，就可以生成物體表面的三維點云數(shù)據(jù)。基于姿態(tài)傳感器實現(xiàn)了多視角測量數(shù)據(jù)的自動拼合。同時在雙目立體測量的基礎(chǔ)上，將隨機模式投射器分別和兩個攝像機組成單目測量模塊，進行物體表面點云測量。
- 詳細介紹：
- 物體的三維外形輪廓測量技術(shù)是實施逆向工程、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、虛擬現(xiàn)實等的前端基礎(chǔ)，在飛機、汽車、船舶、模具、娛樂、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)、攝像機標定技術(shù)、匹配重建技術(shù)、測量數(shù)據(jù)拼合技術(shù)和系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)技術(shù)，自主開發(fā)了一種基于隨機模式投影的雙目立體測量系統(tǒng)RIMS (Random Illumination Measurement System)。RIMS直接模擬人類雙眼來獲取景物的三維信息，即利用兩個有一定間距、成一定角度的攝像機同時攝取場景的圖像，通過計算空間點在兩幅立體圖像中的相差得到其三維坐標值。 作品基于瞬時隨機模式投影的三維輪廓測量的軟硬件設(shè)計，使得RIMS僅通過投射一幅隨機模板圖像到被測物體表面，結(jié)合雙目立體測量結(jié)構(gòu)來獲取三維點云數(shù)據(jù)，單次測量如同普通照相一樣控制在極短時間內(nèi)完成，能勝任被測物體在振動、噪聲等非靜態(tài)環(huán)境下的測量，同時整個投影裝置乃至整個立體傳感器緊湊小巧。 作品將基于平面標定板的標定方法和自標定方法相結(jié)合，實現(xiàn)了一種簡便易行的三步優(yōu)化標定方法。該方法在兩步法的基礎(chǔ)上，進一步將標定板上靶點的空間坐標作為優(yōu)化變量進行優(yōu)化求解，并用實際距離已知的兩個點之間的間距精確恢復(fù)由此帶來的尺度變化，從而大大降低了標定板的制作和計量校準要求，同時提高了標定精度。并且在實際標定過程中只需雙攝像機從不同角度對平面標定板拍攝一組圖像，即可自動完成系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)和投影器以及姿態(tài)傳感器的標定。算法穩(wěn)定可靠，能夠滿足一般工業(yè)測量的精度要求。 作品基于姿態(tài)傳感器實現(xiàn)多視角測量數(shù)據(jù)的自動拼合。將結(jié)構(gòu)小巧的姿態(tài)傳感器穩(wěn)固于測量設(shè)備上，使得測量設(shè)備在改變位置和姿態(tài)對被測物體進行多視角測量時，能夠自行確定立體傳感器坐標系的坐標變換，從而無需在被測物體表面和測量場景中布置標記點，也無需采用專門的數(shù)控機械裝置，就可以穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)多視角測量數(shù)據(jù)的自動拼合。 作品在雙目立體測量的基礎(chǔ)上，將隨機模式投射器分別和兩個攝像機組成單目測量模塊，進行物體表面點云測量。在該方法中，空間一點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測量單元得到其三維坐標，因此避免了由于某個單攝像機視線方向存在高光及遮擋等原因引起的三維測量數(shù)據(jù)缺失，有效彌補了單純雙目測量的不足。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 三維外形輪廓數(shù)據(jù)的測量在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、文物考古等行業(yè)需求廣泛。本作品研究開發(fā)的瞬時隨機投影的雙目立體測量系統(tǒng)旨在方便快捷地獲取物體表面三維點云，并且實現(xiàn)多視測量數(shù)據(jù)自動拼合,同時減小被測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CCD相機、投影器、姿態(tài)傳感器、控制器等組成。測量軟件控制投影器向物體表面投射瞬時隨機光場，兩個相機同步曝光，對采集到的圖像對進行處理和匹配運算，就可在沒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，確定多視角測量過程中測量裝置的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，然后通過軟件算法確定平移向量，從而無需任何其它輔助手段，就可以穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)多視角測量數(shù)據(jù)的自動拼合，形成物體完整的輪廓數(shù)據(jù)。另外，兩個相機分別與投影器組成單目測量模塊，從而只要空間一點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單目測量單元得到其三維坐標，避免單純雙目測量模式下某個相機視線方向存在高光及遮擋引起的三維測量數(shù)據(jù)缺失問題。為實現(xiàn)以上目的，必須解決以下問題：對兩個相機內(nèi)外參數(shù)、設(shè)備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間關(guān)系、投影器發(fā)出光線束空間方程進行標定，單/雙目測量時隨機模式投影下的圖像匹配及三維點云生成技術(shù)，多視數(shù)據(jù)整體拼接優(yōu)化技術(shù)，兩個相機及投影器的時序控制，測量軟件的綜合開發(fā)。本作品單次測量點云數(shù)量為10-20萬個，單次測量的不確定度小于0.03mm，多視角測量數(shù)據(jù)拼合誤差不大于0.1mm/m，相機分辨率為1392×1040。
科學(xué)性、先進性
- 1、只要投射瞬時隨機光場到被測物體表面，兩個相機同步曝光，瞬時就可獲得三維重建所需圖像信號，單次測量如同普通照相一樣方便，而且能勝任動態(tài)物體以及在振動、噪聲等非靜態(tài)環(huán)境下的測量，同時整個測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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)對物體進行測量時，能夠自行確定測量裝置的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，并利用統(tǒng)計聚類方法計算相應(yīng)的平移向量，從而無需在物體表面和測量場景中布置標記點或采用專門的機械裝置，就可實現(xiàn)多視數(shù)據(jù)自拼接。目前未見用類似方法進行多視數(shù)據(jù)拼合的報道和商用系統(tǒng)。該方法已申請了國家發(fā)明專利。3、要實現(xiàn)雙目測量，又要實現(xiàn)單目測量，同時要利用姿態(tài)傳感器輔助進行多視數(shù)據(jù)自拼接，這就要求在對兩個相機內(nèi)外參數(shù)進行標定之外，還要對投影器和姿態(tài)傳感器進行標定。對此本作品提出了系統(tǒng)綜合標定方法。4、在雙目測量基礎(chǔ)上實現(xiàn)單目測量。這使得只要空間一點及其鄰域在左右任意一幅圖像上成像良好，即可由其中的一個測量單元得到其三維坐標，避免了該點在某個相機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。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、使用說明。測量軟件分為以下工作模式。（1）系統(tǒng)標定：分別對標定板正反面拍攝一組圖像，完成相機、投影器、姿態(tài)傳感器的標定；（2）雙（單）目測量：瞬時曝光拍得一對圖像，用雙（單）目測量算法生成測量區(qū)域的三維點云，并將本次測量數(shù)據(jù)變換到全局坐標系下。（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、三角網(wǎng)格模型生成等。2、技術(shù)特點和優(yōu)勢。（1）無需掃描和結(jié)構(gòu)化光照模式轉(zhuǎn)換，兩個相機瞬時同步拍攝一對圖像即可完成測量，并勝任非靜態(tài)物體及環(huán)境的測量；（2）僅靠測量系統(tǒng)自身就能實現(xiàn)多視數(shù)據(jù)自拼接；（3）投影裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低；（4）系統(tǒng)標定簡單易行；（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、動態(tài)物體、人體等的三維外形測量。 4、推廣前景。具有明顯的性價比優(yōu)勢，且具有“一鍵式”瞬時拍照測量、測量數(shù)據(jù)自拼接等獨特優(yōu)點。本作品后續(xù)的各項功能還將陸續(xù)開發(fā)、升級，進行功能模塊的客戶化定制式開發(fā)及各種專用測量系統(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測量技術(shù)發(fā)展十分迅速，一些相對成熟的技術(shù)已形成了三維坐標測量系統(tǒng)。其中具有代表性的有:激光線掃描三維測量機(如3D Scanner?)、結(jié)構(gòu)光編碼的光學(xué)掃描儀(如ATOS?、Comet?)、手持式激光測量儀(如T-Scan?)等。這些坐標測量設(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。前兩種測量設(shè)備在某些情況下不可避免地存在視線遮擋問題，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)相對復(fù)雜、成本高。手持式激光測量儀要求使用者手持激光掃描器像刷油漆一樣連續(xù)“刷”過物體表面，系統(tǒng)采用一個光學(xué)跟蹤器來確定激光掃描器的六度空間位置，以便由此增加測量的靈活性。但由于激光束的連續(xù)移動是通過手持掃描器進行，對大型工件的整體掃描也是十分費時費力的。另外，由于測量者手臂的抖動，測量得到的數(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量方法，是基于機械接觸式傳感的測量方法。該方法測量精度高，在工業(yè)界應(yīng)用也很廣泛，但對環(huán)境要求比較高，需要專門的測量室和專用測量臺，且測量范圍有限，測量效率低，不適合復(fù)雜自由曲面物體的測量。 我國在三維測量技術(shù)方面也進行了大量的研究。其中，航空精密儀器研究所在三維接觸式測量方面取得了令人矚目的成績，研制了系列三坐標測量機。哈爾濱工業(yè)大學(xué)將大型三坐標測量機和基于CCD攝像的二目成像原理相結(jié)合，進行大型工件特征點的檢測。在他們的方法中，工件需要放在特制的精密轉(zhuǎn)臺上以提供標準的位移，因此硬件設(shè)備組成較為復(fù)雜，缺乏足夠的柔性。對于基于CCD照相的表面點云測量方法，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)等單位也都進行了研究，開發(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)光并拍攝多對圖像用于解算三維點坐標，而且多次測量數(shù)據(jù)的拼合沒有得到很好解決。 本作品基于瞬時隨機模式投影的雙目立體測量系統(tǒng)，具有“一鍵式”瞬時拍照測量、無需任何輔助手段即可完成多視角測量數(shù)據(jù)的自拼合等目前其它方法所不具有的突出優(yōu)點。
