[發(fā)明專利]基于三維自然紋理數(shù)據(jù)掃描機(jī)的多視場數(shù)據(jù)拼接方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410044047.8
• 申請日: 2014-01-22
• 公開（公告）號: CN103776390B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周延周;向志聰;王欽若;譚伯倫;賴文敬
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高點陣密度和高精度的三維自然紋理數(shù)據(jù)掃描機(jī)及多視場數(shù)據(jù)拼接方法，在皮革、墻紙、服裝面料等立體印刷領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，屬于物體表面三維輪廓測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)

所謂三維自然紋理主要指各種木材紋理、皮革紋理、甚至是人工的油畫紋理。將這些三維紋理高保真地印刷在壁紙、墻紙、家具貼紙、瓷磚和紡織服裝制品上，就是立體印刷。作為平面印刷的升級產(chǎn)業(yè)，立體印刷的市場需求大，產(chǎn)業(yè)利潤高，是現(xiàn)代化的高精尖產(chǎn)業(yè)。由于立體印刷對于細(xì)節(jié)要求更加豐富，因此對自然紋理數(shù)據(jù)輸入方法要求很高。所以提高x、y方向的點陣分辨率(＞1000DPI)和z方向的測量精度(＜±5μm)顯得十分重要，同時要兼顧測量的效率，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的效益需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種高點陣密度和高精度的三維自然紋理數(shù)據(jù)掃描機(jī)及多視場數(shù)據(jù)拼接方法，具有x、y方向測量點陣密度高、z方向測量精度高以及測量速度快等特點。

一種高點陣密度和高精度的三維自然紋理數(shù)據(jù)掃描機(jī)，如圖1所示，本裝置依次包括激光器1，三維左相機(jī)2，三維右相機(jī)3，X軸直線電機(jī)4，Y軸直線電機(jī)5，被測樣品6，計算機(jī)7，X、Y軸運動控制器8，導(dǎo)軌9，旋轉(zhuǎn)固定裝置10。

(1)、如圖1所示，采用雙三維相機(jī)與線結(jié)構(gòu)光組成的雙三角三維測量結(jié)構(gòu)，對被測樣品三維形貌進(jìn)行測量，具體表現(xiàn)在：將激光器1垂直固定在被測樣品6的平面上，三維相機(jī)組中的三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3通過旋轉(zhuǎn)固定裝置10固定在一起；三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3的中軸線分別與激光器1中軸線相交并成相同的夾角；三維相機(jī)組定焦拍攝被測樣品6。

(2)、如圖2所示，在進(jìn)行三維測量時，激光器1投射的線結(jié)構(gòu)光在被測樣品6表面上聚焦，并使三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3聚焦在線結(jié)構(gòu)光上。

(3)、如圖2所示，根據(jù)激光三角法測量原理，當(dāng)一束線結(jié)構(gòu)光投射在被測樣品6表面上，原來平直的線結(jié)構(gòu)光被物體表面輪廓高低所改變，使得三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3像平面上的成像發(fā)生相應(yīng)位移。通過計算三維相機(jī)成像位移的大小，可以得出物體表面的實際高度信息，即三維形貌圖。如圖3所示，設(shè)線結(jié)構(gòu)光中某一光點在三維相機(jī)組像平面上的成像位移為x，則由下式計算出被測樣品6各點的實際高度信息：

其中a為三維相機(jī)組物距；b為三維相機(jī)組像距；θ為激光器中軸與相機(jī)中軸之間的夾角。

(4)、計算機(jī)7分別與三維左相機(jī)2、三維右相機(jī)3、X軸直線電機(jī)4和Y軸直線電機(jī)5連接。當(dāng)開始三維掃描時，X軸直線電機(jī)4保持不動，Y軸直線電機(jī)5帶動激光器1和三維相機(jī)組整體勻速運動，三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3分別對被測樣品6的表面激光束所在位置進(jìn)行連續(xù)圖像采集。

(5)、圖像采集完成后，采用高斯分布擬合方法對線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行條紋中心識別，具體過程如下：首先將寬度為5-8個像素點的線激光擬合計算出條紋中心；最后采用亞像素技術(shù)提高條紋中心的識別精度。根據(jù)步驟(3)得到被測樣品6的實際高度信息。

(6)、如圖4所示，當(dāng)三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3拍攝激光點13時，因為激光點13到三維右相機(jī)3之間存在阻礙物，所以無法通過三維右相機(jī)3采集的數(shù)據(jù)得到激光點13的高度信息。此時，激光點13的高度信息由三維左相機(jī)2采集的數(shù)據(jù)計算所得。當(dāng)三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3拍攝激光點14時，它們均能采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)。此時，激光點14的高度信息通 過對三維左相機(jī)2和三維右相機(jī)3的數(shù)據(jù)計算結(jié)果求其平均所得。

(7)、Y軸直線電機(jī)5運動到Y(jié)軸方向測量限位，得到小視場單次連續(xù)掃描的結(jié)果；將單個視場掃描得到的高度信息保存到計算機(jī)7中。

(8)、單個視場測量完畢后，X軸直線電機(jī)4和Y軸直線電機(jī)5同時勻速運動，X軸直線電機(jī)4定位在下一拍攝視場的起始點，Y軸直線電機(jī)5定位在Y軸零點。

(9)、重復(fù)步驟(4)至步驟(8)，直至整體掃描結(jié)束。

(10)、當(dāng)整體三維掃描結(jié)束后，每個視場都生成相應(yīng)的x，y，z三維數(shù)據(jù)；對生成的三維圖片噪點和三維圖片內(nèi)存在大量噪點的小區(qū)域即噪塊進(jìn)行濾波處理。

(11)、使用互相關(guān)法對三維圖片進(jìn)行圖像匹配和拼接，具體步驟包括4步：

①、選取第一幅三維圖片靠近接口處的N列像素，構(gòu)建初始像素矩陣；第二幅三維圖片則選出一個N列像素大小的對比像素矩陣；從第二幅圖片的邊緣處開始掃描，此時得到一個相關(guān)性系數(shù)的波形，把相關(guān)系數(shù)波形達(dá)到最大值時的窗口作為拼接窗口，完成圖像的匹配；初始像素矩陣和對比像素矩陣的相關(guān)系數(shù)為：