一种基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量装置及方法

本发明涉及三维视觉测量与结构光扫描，具体来说，是一种基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量装置及方法，尤其适用于在不转动被测目标或不增加多组相机的情况下，对被测目标的正面、侧面及部分后侧区域进行三维点云获取和全景融合重建。

背景技术：

1、三维全景测量是获取复杂目标完整表面形貌信息的重要手段，在复杂曲面零件检测、目标识别、生物医学、逆向工程重建等领域具有广泛应用价值。对于具有侧壁、背向区域、遮挡区域或复杂曲面的目标，单一正向视角通常难以获得完整表面数据，因此需要通过多视角信息补充目标表面的空间形貌。

2、现有三维全景测量方法主要包括多相机多视角成像方法、机械转台扫描方法以及镜面辅助测量方法。

3、多相机或多视角成像方法虽然能够通过在不同方位布置多个相机或多组结构光测量单元来扩大观测范围，但装置结构复杂，多个相机之间需要进行统一标定，视角间点云拼接和坐标转换过程较为繁琐，并且容易因标定误差、视角遮挡和匹配误差造成点云融合误差累积。

4、机械转台扫描方法通常将被测目标放置在转台上，通过旋转被测目标或移动测量装置的方式，从多个方向采集目标表面数据。该类方法能够获得较完整的目标表面点云，但其依赖转台、导轨或机械臂等运动机构，装置体积较大，测量过程容易受到振动、回程误差、定位误差和多次采集配准误差的影响，且测量效率较低，不利于快速检测或在线检测。

5、镜面辅助测量方法通过在测量空间中设置平面镜，将被测目标的侧面或后侧区域以镜像形式引入相机视场，从而在较少相机数量的条件下扩展观测范围。该方法能够降低装置硬件复杂度，并减少部分机械运动。但现有镜面辅助三维测量装置多采用单线激光逐步扫描，每一时刻仅形成一条扫描线，完成全区域扫描需要较多采集帧数，测量效率较低。

6、为提高扫描效率，可以利用衍射光栅等衍射分光元件将线激光分束形成多级次激光线，从而实现多线并行扫描。然而，在镜面辅助测量场景中，多级次激光线不仅会投射到被测目标的真实观测区域，还会通过平面镜形成镜像观测区域。真实区域条纹、镜像区域条纹以及不同级次条纹可能在相机图像中相互邻近、交叉或重叠，导致条纹中心提取后难以判断其真实级次归属，从而出现条纹串扰、级次混淆和误匹配问题。

7、综上，现有技术至少存在如下技术问题：

8、1）现有单一双目结构光测量装置的直接观测范围有限，难以在一次测量中获取被测目标侧面及部分后侧表面信息，导致全景点云完整性不足。

9、2）现有机械扫描或多视角测量方法虽然能够扩展观测范围，但通常需要转台、多相机或多次配准，装置结构复杂，标定和融合过程繁琐，误差容易累积。

10、3）现有镜面辅助测量方法多采用单线扫描，完成多区域测量需要较多扫描帧数，测量效率较低。

11、4）在镜面辅助条件下引入多线结构光后，不同级次激光条纹和镜像条纹容易出现邻近、交叉、反射串扰和误匹配，导致级次判别不准确，影响三维重建的稳定性和精度。

12、因此，如何在扩展观测范围和提升采集效率的同时，实现多线条纹的可靠识别、准确级次判别和稳定三维重建，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量装置及方法，以解决现有技术中双目测量观测范围有限、镜面辅助单线扫描效率低以及镜面辅助多线扫描中易发生条纹串扰、级次混淆和误匹配的问题，从而实现被测目标表面的高效率、高完整性和高稳定性的三维全景重建。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明公开了一种基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量装置，包括双目相机、线激光器、衍射光栅、左平面镜、右平面镜以及控制处理单元；

4、双目相机包括左相机和右相机，左相机和右相机分别设置于被测目标前方的两侧，用于从不同视角同步采集被测目标表面的激光条纹图像，并使被测目标的真实观测区域位于左相机和右相机的视场范围内；

5、控制处理单元包括工控机、计算机和激光器控制器，工控机与衍射光栅连接，用于控制衍射光栅转动，激光器控制器用于控制线激光器发射线激光，计算机与左右相机和工控机相连，用于控制双目相机采集被测目标的真实观测图像和镜像观测图像，并根据所采集的图像获得被测目标的三维全景点云；

6、工控机的壳体设有通孔，衍射光栅设置于线激光器的出射光路上，线激光器发出的线激光经通孔入射至衍射光栅，衍射光栅用于将线激光分束形成多级次激光线，并通过转动改变多级次激光线在被测目标表面的扫描位置；

7、线激光器的出射光轴、衍射光栅的中心通光区域以及被测目标的测量中心区域位于同一测量中心线上；

8、左平面镜和右平面镜分别设置于被测目标的两侧，用于形成被测目标左后侧区域和右后侧区域的镜像观测光路，使双目相机能够采集被测目标的真实观测图像以及经左平面镜和右平面镜反射形成的镜像观测图像。

9、作为进一步地改进，本发明所述的左平面镜和右平面镜分别设置于被测目标后侧的左右两侧，且左平面镜的镜面与右平面镜的镜面之间形成预设夹角，使被测目标的左后侧表面和右后侧表面分别经左平面镜和右平面镜反射后进入左相机和右相机的共同视场内。

10、作为进一步地改进，本发明所述的左平面镜和右平面镜的位置及姿态被设置为，使双目相机直接观测形成的真实观测区域、左平面镜反射形成的左镜像观测区域以及右平面镜反射形成的右镜像观测区域在左相机和右相机采集的图像中彼此分离。

11、作为进一步地改进，本发明所述的左平面镜的镜面与右平面镜的镜面之间的预设夹角为100°～140°。

12、作为进一步地改进，本发明所述的左平面镜的镜面与右平面镜的镜面之间的预设夹角为120°。

13、作为进一步地改进，本发明所述的衍射光栅在工控机的控制下绕其旋转轴转动；

14、衍射光栅将线激光分束形成包括零级激光线在内的多级次激光线，其中，零级激光线对应的零级参考光平面保持固定，其余级次激光线对应的激光光平面随衍射光栅的转动而改变空间位置，以实现对被测目标表面的多线扫描。

15、本发明还公开了一种基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量方法，采用一项基于镜面辅助双目多线扫描的三维全景测量装置进行测量，方法包括如下步骤：

16、s1、对双目相机、左平面镜和右平面镜进行标定；通过左相机和右相机获取标定图像，得到左相机和右相机的内参数、外参数及位姿转换关系并建立双目成像模型；同时获取左平面镜和右平面镜在双目测量坐标系下的空间位姿参数，并根据空间位姿参数分别建立左平面镜反射模型和右平面镜反射模型；

17、s2、基于步骤s1建立的双目成像模型，通过线激光器和衍射光栅向标定目标投射多级次激光线，并由左相机和右相机采集不同扫描位置下的激光条纹标定图像，从而获得零级参考光平面的空间参数和衍射光栅的旋转轴参数；

18、s3、根据步骤s1获得的双目成像模型、左平面镜反射模型和右平面镜反射模型，控制线激光器发射线激光，通过衍射光栅形成多级次激光线，并投射至被测目标的真实观测区域以及经左平面镜和右平面镜反射形成的左镜像观测区域和右镜像观测区域，左相机和右相机同步采集各扫描位置下的多级次激光条纹图像序列；

19、s4、对步骤s3中由左相机和右相机同步采集得到的多级次激光条纹图像序列进行预处理，并分别在左相机图像和右相机图像中提取激光条纹中心，获得左视图条纹特征点集和右视图条纹特征点集；

20、s5、基于步骤s1建立的双目成像模型，对步骤s4获得的左视图条纹特征点集和右视图条纹特征点集进行初始匹配，并根据初始匹配结果进行双目三维重建，得到候选空间点；再基于步骤s2获得的零级参考光平面的空间参数，对候选空间点进行空间分区，确定候选空间点对应的激光级次归属；

21、s6、根据步骤s5确定的激光级次归属，调用步骤s2获得的旋转轴参数以及计算对应扫描位置的旋转角度参数，获得候选空间点所属激光级次对应的激光光平面的空间参数；并根据候选空间点到对应级次激光光平面的距离进行筛选，获得有效条纹匹配点及对应的有效空间点；

22、s7、根据步骤s6获得的有效条纹匹配点及对应的有效空间点，结合步骤s1建立的双目成像模型和步骤s2获得的对应级次激光光平面约束，对被测目标表面的三维坐标进行求解和优化，获得真实观测区域、左镜像观测区域和右镜像观测区域对应的初始点云；

23、作为进一步地改进，本发明所述的将步骤s7获得的左镜像观测区域和右镜像观测区域的初始点云分别映射至真实坐标系，并与步骤s7获得的真实观测区域的初始点云进行融合，得到被测目标的三维全景点云。

24、作为进一步地改进，本发明所述的步骤s5和步骤s6中，基于零级参考光平面对候选空间点进行激光级次归属判断和筛选，具体包括：

25、根据候选空间点相对于零级参考光平面的符号距离，判断候选空间点对应的激光级次归属；在确定候选空间点对应的激光级次归属后，调用对应级次激光光平面的空间参数，计算候选空间点到对应级次激光光平面的距离；当距离小于预设距离阈值时，将候选空间点及其对应的初始匹配结果保留为有效空间点和有效条纹匹配点；当距离大于或等于预设距离阈值时，剔除候选空间点及其对应的初始匹配结果。

26、作为进一步地改进，本发明所述的步骤s8中，左平面镜反射模型和右平面镜反射模型分别通过如下方式建立：

27、根据左平面镜和右平面镜在双目测量坐标系下的空间位姿参数，分别建立左平面镜方程和右平面镜方程；根据左平面镜方程和右平面镜方程分别构建左平面镜反射矩阵和右平面镜反射矩阵；利用左平面镜反射矩阵和右平面镜反射矩阵分别将左镜像观测区域和右镜像观测区域的初始点云映射至真实坐标系，并将映射后的左镜像观测区域点云、映射后的右镜像观测区域点云与真实观测区域的初始点云进行融合，从而得到被测目标的三维全景点云。

28、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

29、1）本发明通过在被测目标后侧左右两侧设置左平面镜和右平面镜，使被测目标的左后侧区域和右后侧区域以镜像形式进入双目相机共同视场。与仅依靠双目相机直接观测的方案相比，本发明能够在不增加多组相机、不转动被测目标的条件下，同时获得真实观测区域、左镜像观测区域和右镜像观测区域的信息，从而提高目标表面点云覆盖范围和全景重建完整性。

30、2）本发明利用衍射光栅将线激光分束形成零级、正一级和负一级激光线，并通过转动衍射光栅改变正一级和负一级激光线对应光平面的空间位置，实现多线并行扫描。与单线逐步扫描方法相比，本发明在相同扫描范围内能够减少采集次数，提高扫描效率。

31、3）本发明将零级激光线对应的零级参考光平面作为固定空间分区基准，根据候选空间点相对于零级参考光平面的符号距离判断其激光级次归属。该方式区别于传统的多个光平面最小距离竞争判别方法，可以先通过固定参考光平面限定候选空间点的级次范围，再进行对应级次光平面验证，从而降低级次混淆风险。

32、4）本发明在完成级次归属判断后，进一步根据候选空间点到对应级次激光光平面的距离进行几何一致性筛选，剔除由镜面反射、杂散光、条纹交叉、局部遮挡或误匹配导致的伪条纹点，从而提高有效条纹匹配点的可靠性和三维重建稳定性。

33、5）本发明通过建立左平面镜反射模型和右平面镜反射模型，将镜像观测区域的点云映射回真实坐标系，并与真实观测区域点云进行融合。该过程能够将直接观测信息与镜像观测信息统一表达，实现被测目标表面的三维全景重建。

34、6）在一组标准球测量实验中，采用本发明所述装置和方法对标称直径为37.8 mm的标准球进行三维重建，并对重建点云进行球体拟合，得到拟合直径为37.759 mm，绝对误差为0.041 mm，相对误差为0.11%。实验结果表明，本发明在扩展测量视场并进行镜像区域点云融合的同时，仍能够保持较好的三维重建精度和稳定性。