专利名称：一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维视觉测量拼接技术，尤其涉及一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法及装置。
背景技术：
为实现对大尺寸被测物三维形貌的测量，一般将大尺寸被测物表面分成多个子区域，从多个视角分别对各子区域进行测量，并将各局部测量数据拼接到全局坐标系下。三维数据拼接的精度决定了对大尺寸被测物三维形貌视觉测量能够达到的精度，因此，对三维数据拼接方法的研究有着重要的现实意义。目前，用于三维数据拼接的方法主要有三种第一种，是通过精密平台、经纬仪、激光跟踪仪等大型装置来扩展测量范围，这种方法中所用的测量装置价格昂贵，且测量范围有限；第二种，是通过在测量装置相邻两次测量的公共视场内粘贴标记点，利用其中非共线的三个点来求取拼接矩阵，这种方法存在着粘贴和清除标记的工作较为繁琐，且会损害被测物表面的缺点；第三种,是迭代最近点法(ICP, Iterative Closest Point)算法,但这种方法存在迭代运算量大，运行时间长等问题，且不适合于表面曲率变化不丰富的被测物。基于平面靶标的方法克服了以上三种方法的不足，该方法利用相邻两次测量公共视场内的平面靶标提供的特征点来计算拼接矩阵，不仅操作方便，而且精度高，有着广泛的使用前景。目前，常用的是基于方格特征的平面靶标，利用方格角点的匹配求取拼接矩阵，进而实现三维数据拼接。但是，在实际应用中，在平面靶标部分被遮挡的情况下，方格角点经常会出现误匹配的情况，从而导致三维数据拼接失败。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法及装置，解决了现有技术在平面靶标部分被遮挡情况下三维数据拼接失败的问题，保证了三维测量数据拼接的精度，提高了三维测量数据拼接可靠性。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的本发明提供了一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法，该方法包括将被测物固定并放置在已标定的双目视觉系统能观测的合理位置，并建立全局坐标系;放置平面圆靶标在被测物前，移动已标定的双目视觉系统，拍摄平面圆靶标在移动前后测量位置所成的椭圆图像；从拍摄的平面圆靶标图像中提取椭圆，并拟合椭圆方程，重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征；根据所述圆特征构造优化目标函数，求解拼接矩阵。
上述方案中，所述圆特征包括圆心坐标和圆平面的法向量。上述方案中，所述拟合椭圆方程，为结合随机抽样一致性算法(RANSAC，RandomSample Consensus)的直接最小二乘法拟合出椭圆方程。 上述方案中，所述重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征，为基于结合RANSAC的直接最小二乘法拟合出的椭圆方程、摄像机参数矩阵、以及平面圆靶标上圆特征的半径值，利用几何相交的圆特征三维重建方法，重建在局部测量坐标系下的圆特征。上述方案中，所述根据所述圆特征构造优化目标函数求解拼接矩阵，为利用重建的前后测量位置的圆特征在空间中的同一性，构造优化目标函数，并根据RANSAC拟合椭圆方程时得到的内外点比值；设置匹配的边缘点集对应的权重，利用列文伯格-马夸尔特法(Levenberg-Marquardt)非线性优化方法计算出高精度的拼接矩阵。本发明还提供了一种实现基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接装置，该装置包括椭圆图像获取�？�、重建圆特征�？楹推唇泳卣蠹扑隳？椋黄渲校衷餐枷窕袢∧？椋糜诨袢∑矫嬖舶斜暝谝贫昂蟛饬课恢盟傻耐衷餐枷瘢恢亟ㄔ蔡卣髂？椋糜诖优纳愕钠矫嬖舶斜晖衷餐枷裰刑崛⊥衷玻⒛夂贤衷卜匠蹋亟ㄆ矫嬖舶斜暝谇昂罅酱尉植坎饬孔晗迪碌脑蔡卣鳎黄唇泳卣蠹扑隳？椋糜诟菟鲈蔡卣鞴乖煊呕勘旰蠼馄唇泳卣�。上述方案中，所述椭圆图像获取�？�、重建圆特征�？�、拼接矩阵计算�？椋柚糜谒渴泳跸低持�。本发明所提供的基于平面圆靶标的三维数据拼接方法及装置，利用圆特征的同一性以及圆丰富的边缘信息；在获取拼接矩阵的过程中，通过高精度的检测椭圆边缘点集，提高拟合椭圆方程的精度，进而提高了拼接矩阵的求取精度。并且，本发明利用圆特征在部分被遮挡情况下也可以被精确提取和匹配的优点，能提高三维数据拼接的精度和可靠性，从而解决了现有技术中采用平面方格靶标法在部分被遮挡情况下三维数据拼接失败的问题，保证了三维测量数据拼接的精度，提高了三维测量数据拼接可靠性。另外，由于圆靶标不易受到部分遮挡的影响，所以更适于在各种复杂现场环境下的应用。
图I为本发明基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接模型示意图；图2为本发明基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法流程示意图；图3为本发明平面圆靶标的结构示意图；图4为本发明实现基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接装置的组成结构示意图；图5为本发明一具体实例实验系统图；图6为本发明局部测量位置的三维点云图；图7为本发明拼接所得结果与ICP法拼接所得结果的对比图；图8为右摄像机拍摄部分遮挡图像的场景示意图；图9为部分遮挡情况下方格靶标三维点集示意图10为部分遮挡情况下位置I与位置2方格靶标三维点集匹配图。
具体实施例方式为了更好的理解本发明，首先介绍一下三维视觉测量数据拼接的基本原理，图I为基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接模型原理图，如图I所示，在局部测量位置k和位置k+Ι分别建立摄像机坐标系Od5XdJd5Zd5和0Λ+1χΛ+1γΛ+1ζΛ+1，将全局坐标系建立在位置I的摄像机坐标系OcaXciyclZcl下；在前后两次局部测量的摄像机移动过程中，平面圆靶标11保持不动，即平面圆靶标11上的圆特征在全局坐标系下不变；这里，所述圆特征包括圆心坐标和圆平面的法向量；假设圆特征为P V P，P在摄像机坐标系0ckxckyckzcl^P 0ck+1xck+1yck+1zck+1的结果分别为Λ，圯和凡+1，>^ ;假设摄像机坐标系0ckxckyckzck和0ck+1xck+1yck+1zck+1的拼接矩阵为Mk+1,k，Mk+1,k由正交的3X3旋转矩阵Rk+1,k和3X1平移矢量tk+1,k组成，其表达式如公式⑴所示
权利要求
1.一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法，其特征在于，所述方法包括 将被测物固定并放置在已标定的双目视觉系统能观测的合理位置，并建立全局坐标系; 放置平面圆靶标在被测物前，移动已标定的双目视觉系统，拍摄平面圆靶标在移动前后测量位置所成的椭圆图像； 从拍摄的平面圆靶标图像中提取椭圆，并拟合椭圆方程，重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征； 根据所述圆特征构造优化目标函数，求解拼接矩阵。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述圆特征包括圆心坐标和圆平面的法向量。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述拟合椭圆方程，为 结合随机抽样一致性算法RANSAC的直接最小二乘法拟合出椭圆方程。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征,为 基于结合RANSAC的直接最小二乘法拟合出的椭圆方程、摄像机参数矩阵、以及平面圆靶标上圆特征的半径值，利用几何相交的圆特征三维重建方法，重建在局部测量坐标系下的圆特征。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述根据所述圆特征构造优化目标函数求解拼接矩阵，为 利用重建的前后测量位置的圆特征在空间中的同一性，构造优化目标函数，并根据RANSAC拟合椭圆方程时得到的内外点比值；设置匹配的边缘点集对应的权重，利用列文伯格-马夸尔特法Levenberg-Marquardt非线性优化方法计算出高精度的拼接矩阵。
6.一种实现基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接装置，其特征在于，该装置包括椭圆图像获取�？�、重建圆特征�？楹推唇泳卣蠹扑隳？椋黄渲校� 椭圆图像获取�？椋糜诨袢∑矫嬖舶斜暝谝贫昂蟛饬课恢盟傻耐衷餐枷瘢� 重建圆特征模块，用于从拍摄的平面圆靶标椭圆图像中提取椭圆，并拟合椭圆方程，重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征； 拼接矩阵计算模块，用于根据所述圆特征构造优化目标函数，求解拼接矩阵。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述椭圆图像获取模块、重建圆特征�？�、拼接矩阵计算�？椋柚糜谒渴泳跸低持�。
全文摘要
本发明公开了一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接方法，包括将被测物固定并放置在已标定的双目视觉系统能观测的合理位置，并建立全局坐标系；放置平面圆靶标在被测物前，移动已标定的双目视觉系统，拍摄平面圆靶标在移动前后测量位置所成的椭圆图像；从拍摄的平面圆靶标图像中提取椭圆，并拟合椭圆方程，重建平面圆靶标在前后两次局部测量坐标系下的圆特征；根据所述圆特征构造优化目标函数，求解拼接矩阵。本发明还同时公开了一种基于平面圆靶标的三维视觉测量数据拼接装置，采用本发明，能解决现有技术在靶标部分被遮挡情况下三维数据拼接失败的问题，保证了三维测量数据拼接的精度，提高了三维测量数据拼接可靠性。
文档编号G01B11/24GK102944191SQ20121049495
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者魏新国, 张广军, 刘震, 孙军华, 刘涛 申请人:北京航空航天大学
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