[发明专利]一种三维测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维测量技术，具体涉及一种三维测量系统及方法。

背景技术

随着现代军事科学技术的快速发展，武器装备向精密化、精确化、智能化方向发展。武器部件更加精密且结构复杂，传统的测量方法已逐渐难以满足发展的需要，以光电技术为基础的视觉测量方法已被应用于实际的科研工作中。

视觉测量系统最先来源于摄影测量和立体视觉技术，随着计算机技术的发展，摄影测量技术和计算机技术相结合产生了视觉测量技术。立体图像法或立体视觉测量法，七十年代末Marr创立的视觉计算机理论对立体视觉技术的发展产生了巨大的影响，随后，立体视觉技术得到了迅速发展并在军事装备研制领域中得到了应用。

当前密集点视觉测量方法中通常基于相位轮廓术原理，现有的系统采用数字光栅投影系统产生条纹，其条纹的精密度有些低，从而限制了其测量精度的进一步的提高，对测量物表面材料敏感，同时需要人工布置标志点从而完成三维图像的拼接。

根据测量原理，只要承载高度信息的光栅条纹的精密度高于所需的测量精度，其才可能实现达标的测量精度。

目前已经被军事科研实际应用的三维测量技术分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式一般采用三坐标测量机，目前仍是典型的标准三维测量设备，但价格昂贵、速度慢、特别是物体形状复杂时，测头路径规划不易实现。由于计算机视觉与图像检测这一新兴学科的兴起和发展，对物体面形的三维检测技术的研究近年来集中于非接触的光学三维测量方面，常用的简述如下：

基于结构光的三维视觉测量技术是非接触式三维测量技术中最常用的。它是一种依据摄影测量和三角法测量原理为基础，既利用图像作为信息载体又利用可控光源的测量技术。

随着科学技术的快速发展，为了满足新的需要，发达国家的军用装备研究单位已将视觉测量技术运用于实际的研发工作中，并取得了较好的效果。国内一些科研单位及公司也进行了相关方面的研究，并开发了自己的产品，但在测量精度、抗干扰性及图像拼接方面尚存在一定的差距。目前其进一步发展的主要障碍在于投射的光栅条纹的精细度，相位解算方法的准确性以及其抗干扰能力等方面。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种三维测量系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种三维测量系统，包括：

双目相机：其功能为采用二维标定靶对其进行标定，得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；

光栅干涉投影装置：用以将光影投射到光栅上产生干涉条纹后投射于被测物；

所述光栅干涉投影装置包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、光栅、两个透镜组成的透镜组、第一棱镜、第二棱镜、第一反射镜及第二反射镜；激光器通过分光镜被分为两路，经过光栅后分别经过两个透镜投射于第一棱镜、第二棱镜后相干涉形成干涉条纹，然后投射到第一反射镜后，经过反射后再投射到第二反射镜，再次反射后投射到被测的部件上。

根据本发明的又一方面，提供了一种三维测量方法，包括以下步骤：

S1，采用二维标定靶标定方法对双目相机进行标定；

S2，光栅干涉投影装置的使用；

S3，非简单正弦周期条纹相位解包裹算法的处理；

S4，建立立体视觉共线方程，解算三维坐标值；

S5，无特征点的三维图像拼接处理。

进一步地，所述步骤S1具体为：采用经典的基于平面靶标的二维标定靶标定方法对双目相机进行标定，采用圆点形替代传统的角点形标定板以提高标定精度，通过多次实验给出统计的标定参数；得到相机之间的空间外参数及两个相机各自的内参数，从而为三维重构提供必要的参数；双目相机系统设计采用可调节视场大小的机械结构，从而使得双目相机达到最佳的视场重合。

更进一步地，所述步骤S2具体为：所述光栅干涉投影装置将激光器产生的光束经分光镜后分成了同频的光波，然后分别经过起偏器后投射到光栅上产生高精度的光学细分；所述光栅干涉投影装置投射一定光栅图像到被测部件表面上，光栅将被测部件的外形调制而得到相位移动的光栅图像；为了克服这两路信号中普遍存在的非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差影响测量结果的精度的问题，以Heydemann模型为基础做误差修正，设计核心的电路补偿模块，对此三种误差进行动态补偿，进而实现高精度微米级干涉波，产生纳米级光学细分。