基于激光扫描的小物体三维测量系统

作     者：闫光绪 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺赛先

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：三维测量 双目视觉 激光三角法 数据拼接 系统标定 

摘      要：三维扫描技术是获取物体三维信息的主要方式之一,被广泛应用在逆向工程、质量检测、医学研究及文物保护等领域中。作为最常用的两种测量技术,双目视觉和激光三角测量具有不同的特点。双目立体视觉通过模拟人眼获取三维信息,能够一次性得到整个视场范围内的三维点云数据。然而由于获取点云的过程需要进行立体匹配,而对于缺乏纹理的被测目标来说,比较容易产生误匹配,且由立体匹配误差引起的测量误差会比较大。激光三角法测量速度快、精度高,并且在被测目标缺乏纹理的情况下也能得到良好的结果。但是激光三角法每次只能得到激光光条中心线上的三维点云数据。因此,激光三角法通常需要额外的运动机构配合进行扫描才能得到完整点云。本文结合上述两种三维测量原理,研究并搭建了一套手持式三维扫描系统,在原始双目系统中引入一个线激光器,使得左右相机分别与该线激光器构成一个激光三角测量系统。为了实现帧间点云数据的无标志点拼接,提出利用相邻帧间图像特征点检测与匹配来计算帧间旋转平移矩阵的方案,并以第一帧扫描图像的系统坐标系作为基准坐标系,将各帧扫描图像得到的点云数据转换至基准坐标系下。针对激光三角测量系统光平面标定需要精密平移台辅助,操作步骤繁琐的问题,提出利用网格线靶标来获取光平面特征点的标定方案。使用网格线靶标的优势在于,获取光平面特征点的同时能够得到相机的位姿,从而可以将光平面的特征点都转换至相机坐标系中,因此该标定方案不再需要精密平移台辅助,大大简化了标定步骤。对于网格线靶标图像的处理,首先提取网格线,并根据直线的斜率和截距对提取到的网格线进行分类排序,然后求各直线之间的交点得到带标签网格点。通过这样的方式,即便是网格点被激光光条遮挡的情况下,也能够成功得到网格点坐标。对于激光光条中心线的提取,提出利用红色分量进行激光光条中心粗定位并结合灰度重心法的提取方案,该方法能准确的提取出激光中心线。最后,使用搭建的系统进行了系统标定、三维扫描等实验,实验结果表明本文提出的数据拼接方案、系统标定方案以及激光中心线提取方案皆是可行的。