[发明专利]一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统，其特征在于：

将激光MEMS投影仪作为激光线扫描的光源和阴影莫尔测量的光源；复合式测量系统测量系统分别进行激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量，利用激光线扫描得到的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量的相位解包裹；

激光MEMS投影仪首先生成线激光，利用激光线扫描对物体进行粗测量，再利用阴影莫尔轮廓测量对物体进行精测量，利用粗测量的结果辅助精测量的相位解包裹；

利用单目标定技术求解出相机和光栅的位置关系，再利用逆相机标定技术标定出光源和相机的位置关系，得到阴影莫尔测量系统中相机、光源、光栅三者的位置关系；

按照如下步骤：

第一步，标定系统光学参数，阴影莫尔轮廓测量中需要标定相机、光栅、光源三者的位置关系，激光线扫描系统中需要标定投影仪和相机两者的位置关系；

第二步，采用激光线扫描对物体进行粗测量，将光栅上移，使被测物体位于阴影莫尔轮廓测量的深度测量范围外，利用激光MEMS投影仪生成光刀，对待测物体进行一次粗测量；

第三步，利用阴影莫尔轮廓测量待测物体进行精确测量，将光栅下降至合适的位置，使之靠近物体表面，激光MEMS投影仪向物体投射全亮画面，这将在物体表面生成莫尔条纹，利用相移法对被测物体表面的轮廓进行精确测量；

第四步，测量数据融合，利用激光线扫描的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量进行相位解包裹，获得精度高，无包裹的测量结果；

所述标定系统光学参数按照如下步骤：

(1).调整好相机的光圈和焦距，准备好标定板，进行相机标定及相机光栅相对位置标定，将标定板置于相机视场内，改变标定板的位姿，采集标定板的图像；再将标定板紧贴光栅下表面，采集标定板图像，利用单目相机标定技术能够标定出相机内参和相机与光栅的位姿关系[R₁,T₁]；

(2).相机投影仪类双目标定，将标定板置于相机和投影仪的共同视场内，改变标定板的位姿，利用逆相机标定技术标定出相机和投影仪的位姿关系[R₂,T₂]，具体标定过程如下：

1)摆放好标定板，使之位于相机和投影仪的共同视场内，用相机拍摄标定板的图像，保存每一张图像，并提取图像中标定板中每个标志点的图像坐标和圆心的亚像素坐标；

2)用MEMS投影仪向标定板分别投射一组水平方向和垂直方向的相移条纹图，并用相机记录下标定板上的条纹图；

3)对条纹相位图进行处理，将位于标志点上的像素置为NAN，提取出条纹相位并解包裹，得到水平方向和垂直方向的投影条纹的绝对相位值，根据相机坐标系下的标志点圆心所对应的像素，利用二维插值得到圆心位置处的条纹绝对相位；

4)根据获得的标志点圆心的绝对相位，利用插值法确定在投影仪中的标准投影图像上相位值等于标志点圆心的绝对相位的亚像素坐标，将该亚像素坐标作为标志点圆心的在投影仪的逆相机模型的坐标；

5)改变标定板的位姿，重复上述步骤，得到多组标定板位于不同位姿的时的圆心在投影仪和摄像机中的图像坐标；

6)在计算出标志点在投影仪的逆相机模型的坐标后，对投影仪进行标定，得到投影仪的内部参数和相机与投影仪的相对位置位姿矩阵[R₂,T₂]；

(3).对位姿矩阵[R₁,T₁]和[R₂,T₂]进行坐标变换，得到相机到光栅的距离h₁，投影仪到光栅的距离h₂，以及相机到投影仪的距离d，利用调整装置上下调节投影仪的位置使h₂＝h₁，并更新[R₂,T₂]。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，激光线扫描进行粗测量按照如下步骤：

系统开始工作时，位移台带动光栅向上移动，使被测物体位于阴影莫尔测量的深度测量范围外；激光投影仪向被测物进行投影单条或者多条光刀，由相机进行数据采集，将获得的图像进行光刀中心提取，获得光刀中心矩阵；根据投影仪与相机之间的三角关系，得到该组线激光位置处的物体表面三维坐标，利用投影仪使该组线激光在物体表面每次移动一个像素，重复上述过程提取光刀处物体三维坐标，直到光刀获取整个物体表面的三维坐标；测量的数据处理步骤如下：

1)光刀中心提取：

①首先用1×3的滑动窗口在图像行上滑动,根据阈值及约束条件,计算滑动窗口下灰度分布满足条件的3个像素的灰度和；滑动窗口下面3个像素的灰度和取最大值时的窗口中心位置,即为该行上光带中心的粗略位置；

②在光刀中心粗略位置的左右，根据光刀的宽度范围，左右各取一定宽度的像素区域；并对该范围内的像素灰度值进行低通平滑滤波和幂次变换,降低灰度的不匀称非正态分和高频噪声对光刀中心提取的影响；

③对光带边界内的像素进行梯度重心计算，得到该行上的光带中心点亚像素位置；对图像上每一行执行以上步骤即可计算出每一行上的光带中心点位置,从而得到图像的光带中心线；

2)获取粗测量点云数据：

我们已经获得光刀中心矩阵、投影装置和相机的内外参数，根据类双目立体视觉技术，重建出被测物体的三维点云模型。