线激光三维测量仪中视觉传感器规划方法研究

　　1　引　　言

　　基于机器视觉的主动三维视觉传感测量技术,由于其精度和可靠性较高而广泛应用于三维测量和重建。由视觉系统获取物体三维坐标数据,重构三维场景与物体的三维模型,从而确定物体在三维空间中的形状、大小、位置和方向。近年来,国内已有众多研究者[1,2]提出基于机器视觉的三维测量和重建技术。而在三维重建过程中,如何自动高效地对视觉传感器进行规划,是三维物体自动重建的关键技术之一。传感器规划(或视点规划)的主要任务是设法理解和量化观察目标与传感器之间的关系,并决定出传感器在下一个最优视点(NBV)的空间位置和方向参数,从而以最少的视点获得物体表面三维信息[3~9]。目前已有众多研究者提出了多种NBV算法,例如Sablatnig等[4]提出自边界重建形状的下一视点规划方法,通过比较当前图像和已获图像之间的差异程度来确定下一视点的位置,但由于规划进程所需视点位置过多,该方法需要大量的计算时间和空间。Tarbox[5]提出基于计算可测性矩阵,并结合掠射角和不可视部分进行视点规划。Scott等[6]则在计算可测性矩阵的基础上增加了逐步递增进程以及传感器测量误差约束,最近Scott[7]又提出基于改进的可测性矩阵规划算法,有效改善了系统的计算效率。Larsson等[8]提出通过建立视觉系统的扫描窗模型,使系统可沿着物体表面三维曲线路径进行自动规划的方法,然而该方法并没有给定扫描平面的拟合精度,且对于尺寸较小物体规划效果并不理想。Li等[9]提出了信息熵与B样条曲面重构方法相结合的视点规划新方法,但该方法不适合于具有复杂表面的模型,特别是对于存在孔洞表面的模型。

　　本文针对所用线激光测量设备,通过确定视觉系统的合理可视区域,提出一种面向未知三维物体模型的自动测量和重建新方法,并分析了方法的可行性。

　　2　视觉系统可视区域及其极限可视表面

　　2.1　三维激光扫描仪简介

　　利用三维激光扫描仪(设备工作简图如图1所示)对三维物体模型进行测量。其中视觉系统由线激光发生器和CCD摄像机组成,可沿x方向做往复平移运动,而工作台可绕工作台中心做360°的旋转运动,并可沿y方向来回平移。另外,视觉系统可沿垂直于xy的平面(z方向)上下移动,每次移动量刚好为线激光的扫描高度。

　　2.2　视觉系统可视区域

　　2.2.1　有效测量深度

　　当物体与测量系统在某一距离时,利用视觉系统对该物体表面进行三维测量,同时完成表面数据拟合。如拟合精度在许可范围之内,则该距离被视为有效距离,否则视为无效距离。按照此方法,通过沿y方向移动工作台(如图1所示),很容易获得视觉系统的最近、最远测量距离(记为OLA , OLB ,该位置被记为Pmin,Pmax),有效测量深度为OLB - OLA。为简化测量数据的拟合过程,此处采用平面物体。虽然该视觉系统中传感器结构参数已知,但是由于所提有效测量深度与物体表面拟合精度有关,因此只有通过实验才能确定两者之间的确切关系。