双目视觉和激光传感器对目标物体的三维重建技术双目视觉和激光传感器对目标物体的三维重建技术
已有的方法包括基于单摄像头结合结构光的方法、双目视觉方法、投影仪配合摄像机方法等。其中双目视觉因
其结构灵活、安装方便、成本低而被广泛采用。
双目视觉和激光传感器对目标物体的三维重建,我们对该技术工作进行概述总结,读懂这篇文章,应该就了解其中技术门道。
(一)背景和研究意义
在现代工业中,传统的测量设备如三坐标测量机、卡尺、千分尺等, 因测量速度慢、效率低,已不能适应现代制造技术发展
的需要。而计算机视觉检测技术以其非接触、快速、高精度、自动化程度高等诸多优点,在工业生产中得到了越来越广泛的应
用。已有的方法包括基于单摄像头结合结构光的方法、双目视觉方法、投影仪配合摄像机方法等。其中双目视觉因其结构灵
活、安装方便、成本低而被广泛采用。
双目视觉测量要解决的问题是如何通过两维CCD图像恢复出被测量的三维信息, 一般由以下两个互逆的步骤组成:①根据三
维空间信息及两维图像信息标定系统内外部参数;②根据摄像机参数标定结果及获得的两维图像信息,进行三维测量、三维重
建。目前的视觉测量一般是遵循先对摄像系统进行标定, 然后利用标定的参数进行视觉测量与三维重建这一基本思想进行
的。在实际应用中会遇到诸如标定参数变化,照明视场噪声, 被测表面光特性的影响等问题,使其测量精度难以满足工业检
验与测量的要求。
其中线结构激光扫描技术具有非接触式、光条图像易于处理、测速快、成本低、操作方便灵活等特点,在视觉测量、工艺检测
等领域具有广阔的应用前景。该技术中对系统的标定是测量技术实现的关键环节,目前,根据线结构光传感系统的测量模型,
提出了许多标定方法,如三维立体靶标标定法,齿形靶标定法以及拉丝标定法等。这些标定方法都要求靶标具有很高的精度,
成本比较高,而且标定过程繁琐;目前操作简单、低成本的标定方法成为研究热点。摄像机标定与立体匹配是双目立体视觉系
统中最重要也是最困难的问题。随着摄影测量和计算机视觉理论的发展,许多学者对摄像机标定技术进行了深入研究,现已发
展的比较成熟;也有许多学者对立体匹配进行了大量的研究。提出了一种基于双目立体视觉的激光三维测量技术,采用了张正
友平面模板标定法,系统标定不需昂贵的精制标定块;同时,利用标定结果对图像进行校正,并结合线结构激光条纹进行匹配
点搜索,大大降低了双目立体视觉中立体匹配的难度。
(二)国内外研究现状和发展趋势
三维物体的距离感知是计算机视觉的主要研究任务。目前,获取距离信息的方法和技术很多。根据测量原理的不同,三维测量
的方法可以分为光学测量、超声波测量以及电磁测量等。光学测量按照其测量过程所采用的照明方式不同,又可以分为主动测
量和被动测量。主动测量需要专门的光源装置照明目标物体,根据被照物体表面反射特性获取目标的三维信息。具有代表性的
主动测距方法有结构光法、三角测量法等,比如常用的激光扫描式的视觉系统就是基于三角测量原理。被动视觉则不需要附加
光源,利用场景在自然光照下的二维图像来重建物体的三维信息。
激光结构光由于波长单一,抗电磁干扰能力强,检测精度高等优点,广泛应用于物体检测与跟踪。作为主动视觉测量技术,其
工作原理是:将激光发射器产生的激光投射到物体表面,CCD传感器接收与光轴成一定角度的经由物体表面形状形成的反射
光,通过三角测量原理,可以得到物体表面的三维坐标。如德国Scout公司开发的一种多条纹激光传感器,能同时实现焊接高
度的对中跟踪以及姿态控制;加拿大的赛融公司专注于激光视觉系统研发,生产的多功能激光传感器系统,把定位、跟踪、装
备检测以及自适应参数控制集于一体,能够实现高速的物体跟踪,是结构光传感器先进水平的代表。基于结构光双目立体视觉
的路径规划原理是:将激光双目视觉传感器安装在机器人的末端,逐点测量物体中心坐标,建立测量轨迹的数据库作为运动路
径。眼在手上的结构光双目立体视觉测量系统由安装在机器人末端的激光器、两台CCD摄像机构成测量系统。激光器发出的
光束在焊缝中形成条纹。两台摄像机同步采集该条纹,结合摄像机标定参数对激光条纹的特征点进行处理获得三维空间坐标。
张广军、贺俊吉等人提出基于神经网络的结构光立体视觉测量模型,该模型应用神经网络的泛化能力,消除了视觉模型误差、
光学误差因素对测量系统的测量精度影响。王国荣、肖心远等人基于激光结构光视觉系统获取激光图像,在二维的曲线焊缝跟
踪中获得良好效果。徐德等人对基于位置的机器人视觉伺服控制进行了研究,将结构光视觉系统配置在机器人末端执行器上,
构成手眼系统,实现了机器人位置姿态和图像采集的同步,完成测量物体的自动识别和实时跟踪。
20世纪60年代,美国麻省理工学院的Robert把二维图像分析推广到三维景物,标志着立体视觉技术诞生。随后,70年代末美
国麻省理工学院的Marr教授提出来的计算机视觉理论框架则奠定了立体视觉的发展基础。随着双目立体视觉技术的不断发展
和检测精度的不断提高,双目立体视觉被广泛应用。例如在生产中,对工业生产线的结构、照明等因素进行严格的控制,应用
双目立体视觉技术可以进行工业生产和装配线的检测,装配零件的识别与定位、产品外形轮廓
检验、表面缺陷检验等;两个摄像机同步获取某一时刻场景中某一视点的两幅图像,组成图像序列对,应用双目视觉技术恢复
场景的三维信息,并利用场景的三维信息识别特定目标、判断障碍物、道路规划等,实现与周围环境的自主交互。日本东京大
学为机器人加载双目立体视觉系统实现路径规划和障碍物探测。该机器人动态导航系统首先根据摄像机拍摄的图像识别出障碍
物和地面,然后应用双目视觉测量原理把二维平面坐标系转换到世界坐标系,这样就形成了机器人周围环境地图,据此地图进
行实时机器人路径规划和障碍物检测。北京航空航天大学对基于双目视觉方法原理的坐标测量机的测距误差进行了较为系统的
分析,主要对摄像机坐标系与坐标测量机坐标系之间的不正交所引起的测距误差、坐标测量机本身的机构误差引起的测距误差
以及摄像机成像面上像元的量化误差引起的测距误差三种误差因素进行了讨论。中国空气动力研究中心的何海、汤春林等人采
用双目立体视觉系统,通过对风洞试验模型上两个以上的圆或三角锥特征点提取,实现了模型侧滑角的空间非接触实时精确测
量。
(三)应用
双目立体视觉因为有快速,准确,灵活等特点,被广泛的应用于医疗,工业,人工智能等多个领域,尤其当工作的环境恶劣、
条件艰苦(例如:高山地区的电力线监测,建筑施工工地的墙面抹灰,外太空导航等),或者要求长时间、稳定性强的工作
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