[發明專利]一種用于點云拼接的管道測量系統位姿標定方法

有效

• 申請號: 202110824951.0
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113554614B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 邵新杰;潘碩;劉金華;宋彬;王懷光;唐香珺;李曉磊;吳定海
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T3/40;G06T7/73;G06T7/80
• 代理公司: 石家莊輕拓知識產權代理事務所(普通合伙) 13128
• 代理人: 嚴加亮

本發明公開了一種用于點云拼接的管道測量系統位姿標定方法，可解決應用于管道內表面測量系統整環點云拼接的問題。通過高精度加工的固定內徑的標定筒，旋轉測量生成不同位姿點云；建立標定坐標轉換模型，并通過所述坐標轉換模型將管道測量系統在不同位姿獲取的點云變換至同一坐標系，完成管道內壁整環的點云拼接；同時結合優化算法建立誤差補償模型，實現不同位姿點云的精確拼接；該方法實現的點云拼接不通過特征點進行拼接，能夠優化管道點云拼接精度，降低誤差，并且該模型簡潔明了，易于操作。

技術領域

本發明屬于光學管道檢測技術，具體的說，涉及一種用于點云拼接的管道測量系統位姿標定方法。

背景技術

在進行管道內表面研究中，由于其內部結構限制，傳統的測量方法精度較差，只能獲取管道內部的個別參數，無法完成其內表面三維重構，光學檢測技術因其精度高，測量速度快，自動化及無損檢測的優點在管道內表面檢測過程中得到廣泛應用。光學檢測技術能夠直接獲取管道內表面的點云特征，但在管道內表面檢測時無法獲取其內表面的全部周向三維信息，無法滿足三維重建的需要。因此，如何對管道測量系統不同位姿下的測量點云進行拼接，是實現管道內表面三維重建的重要研究方向。

在傳統的點云拼接算法中，以Besl在1992年提出的最近點迭代法(ICP)應用最為廣泛，但是該種算法在進行拼接時需要運用粗匹配獲取初值進行迭代運算。在粗匹配算法中，往往通過標志點法，特征點法，轉臺位姿法進行初步求解，但是管道內表面的空間限制難以在被測內表面上粘貼標志點，也無法對轉臺位姿加以標定，尤其在內徑為定值的光滑管道內表面中，不同位姿的圖像獲取的點云差異不大，更無法提取足夠的特征點供ICP算法進行點云拼接。

發明內容

本發明提供一種用于點云拼接的管道測量系統位姿標定方法，在沒有足夠的點云配準的特征點對的情況下，使管道內表面測量系統僅通過系統的旋轉角度便能完成整個管道內表面的高精度點云拼接。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種用于點云拼接的管道測量系統位姿標定方法，包括如下步驟：

S1、建立管道測量系統的坐標轉換數學模型；

S2、使用管道測量系統以預先設定角度步長測量整環固定內徑圓筒，生成不同角度的相機坐標系管道內表面點云；

S3、通過圓柱擬合將相機坐標系下點云變換到點云圓柱坐標系中；

S4、求取不同角度下的點云在全局圓柱坐標系中的表示，并建立圓柱坐標系的誤差補償模型；

S5、求取點云在相機坐標系和全局坐標系之間的轉換矩陣，通過優化算法迭代求取相應的誤差參數，完成標定。

進一步的，所述坐標轉換數學模型包括相機坐標系、點云旋轉坐標系，全局旋轉坐標系、點云圓柱坐標系及全局圓柱坐標系；所述坐標轉換數學模型為：

其中，(xCCF,yCCF,zCCF)為不同角度測量點云在相機坐標系中的坐標值，(xCyCF,yCyCF,zCyCF)為點云在全局圓柱坐標系中的坐標值，r11,r12,…,r19為旋轉坐標系與全局圓柱坐標系的位置轉換矩陣系數，r21,r22,…,r29為相機坐標系坐標系與點云旋轉坐標系的位置轉換矩陣系數。

進一步的，所述相機坐標系的建立，相機坐標系為CCF，坐標原點在鏡頭中心，z軸為相機光軸，固定在相機上。

進一步的，所述點云旋轉坐標系的建立，點云旋轉坐標系為RCF_i，原點建立在旋轉軸上某個定點，在旋轉測量過程中與CCF擁有固定的位置關系，其z軸與旋轉軸重合，空間位置隨系統測量姿態旋轉變化，i為不同測量位置的點云旋轉坐標系。