[發明專利]基于兩軸旋轉平臺的三維數據獲取系統及獲取方法

有效

• 申請號: 201410415211.1
• 申請日: 2014-08-20
• 公開（公告）號: CN104154875B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 劉曉利;何懂;彭翔;殷永凱
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙)44312
• 代理人: 陳健

技術領域

本發明涉及三維測量技術領域，尤其涉及一種基于兩軸旋轉臺的三維成像系統及其標定方法。

背景技術

基于雙目三維傳感器的測量技術是計算機三維檢測技術的一個重要組成部分，利用左右兩個攝像機構成三角測量關系，對空間中特征點進行重建其三維坐標。通常利用結構光投影系統向物體表面不同編碼的結構光，條紋等編碼圖像以獲得稠密三維數據。由于物體自身遮擋，為了獲得物體360度完整的三維表面數據，需要在三維成像系統中集成兩軸旋轉臺，通過控制兩個基本垂直的旋轉軸不同的旋轉角度獲得不同視角下被測物體表面三維數據，然后將不同視角下的深度像匹配到同一個坐標系下。因此需要對兩個旋轉軸進行標定，計算得到旋轉臺的旋轉軸線。

現在對于三維測量系統中旋轉軸的標定方法主要利用標準平面或是已知半徑的標準球來實現。通過已標定的視覺測量設備首先在多個不同的旋轉位置獲取標準平面或者標準球的表面三維點云數據，在根據這些數據擬合平面或者球的解析表達，最后根據平面或標準球的幾何特征求出載物臺的旋轉軸線位姿。這些方法需要事先制作標準平面或是高精度的標準球體，標定的成本較高；需要在標定旋轉軸之前先標定雙目三維傳感器，標定效率較低。針對雙基于兩軸旋轉臺全自動三維成像系統，需要設計出一整套操作簡單，過程高效的標定方法，并能利用這軸標定參數能方便自動進行不同視角三維數據的全局匹配，無需人工干預實現被測物體表面三維數據的全自動獲取。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種基于兩軸旋轉臺的三維成像系統及其標定方法。本發明是這樣實現的：

一種基于兩軸旋轉臺的三維成像系統，包括：兩軸旋轉臺、雙目三維傳感器、計算機系統；

所述兩軸旋轉臺包括擺動軸、轉動軸及載物臺；所述載物臺用于固定標靶；所述載物臺可在所述擺動軸的驅動下繞所述擺動軸擺動，以及在所述轉動軸的驅動下繞所述轉動軸轉動，從而處于不同位姿；

以轉動軸上任意一點為轉動平臺局部坐標系的原點，以轉動軸為轉動平臺局部坐標系的Z軸，垂直于轉動軸且過轉動平臺局部坐標系的原點的平面為轉動平臺局部坐標系的X軸及Y軸所在平面，確定轉動平臺局部坐標系；

以擺動軸上任意一點為擺動平臺局部坐標系的原點，以擺動軸為擺動平臺局部坐標系的Z軸，垂直于擺動軸且過擺動平臺局部坐標系的原點的平面為擺動平臺局部坐標系的X軸及Y軸所在平面，確定擺動平臺局部坐標系；

所述計算機系統包括控制模塊、標定模塊；

所述控制模塊用于驅動轉動軸及擺動軸轉動從而使載物臺處于不同位姿，并確保載物臺處于各位姿時，所述標靶上的所有基準點都在所述雙目三維傳感器的左、右兩部攝像機的有效視場中；同時，控制所述雙目三維傳感器在與所述兩軸旋轉臺的相對位置關系不變的條件下，采集載物臺處于不同位姿時的標靶圖像；所述不同位姿包括至少兩組：

第一組位姿：擺動軸擺動角度固定，轉動軸分別處于若干不同轉動角度；

第二組位姿：轉動軸轉動角度固定，擺動軸分別處于若干不同擺動角度；

所述標定模塊用于獲取所采集的載物臺處于各位姿時的標靶圖像中各基準點的中心像素在圖像坐標系中的坐標及在世界坐標系中的坐標，并據此計算左、右兩部攝像機的成像參數；所述成像參數包括攝像機內部參數及標靶在載物臺處于不同位姿時攝像機的外部參數；

根據所述載物臺處于不同位姿時左、右兩部攝像機的外部參數標定雙目三維傳感器的結構參數；

根據雙目三維傳感器的結構參數及載物臺處于不同位姿時左、右兩部攝像機的外部參數標定載物臺處于不同位姿時雙目三維傳感器的外部參數；

根據載物臺處于第一組位姿時雙目三維傳感器的外部參數標定雙目三維傳感器坐標系與轉動平臺局部坐標系的變換關系；

根據載物臺處于第二組位姿時雙目三維傳感器的外部參數標定雙目三維傳感器坐標系與擺動平臺局部坐標系的變換關系。

進一步地，所述計算機系統還包括三維匹配模塊；

所述三維匹配模塊用于根據雙目三維傳感器坐標系與轉動平臺局部坐標系及擺動平臺局部坐標系的變換關系，將載物臺處于不同位姿時采集到的被測物體的三維圖像匹配到同一坐標系中。

一種基于兩軸旋轉臺的三維成像系統的標定方法，所述兩軸旋轉臺包括擺動軸、轉動軸及載物臺；所述載物臺用于固定標靶；

所述載物臺可在所述擺動軸的驅動下繞所述擺動軸擺動，以及在所述轉動軸的驅動下繞所述轉動軸轉動，從而處于不同位姿；