基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法与流程

本发明涉及精密测量技术和三维重建，具体涉及基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法。

背景技术：

1、随着现代制造业向着高精度、高效率方向快速发展，对工件表面轮廓及几何尺寸的测量精度要求日益提高。激光轮廓仪作为一种非接触式、高精度的测量工具，在汽车制造、航空航天、精密机械、电子元器件等领域得到广泛应用。为了确保测量及重建结果的准确性，定期对激光轮廓仪进行标定是至关重要的环节。传统的标定方法往往复杂耗时，且难以满足多台设备同时或快速标定的需求，尤其是在生产线上集成多台轮廓仪进行大规模检测时，这一问题更为突出。

技术实现思路

1、本发明的技术任务是提供基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，灵活高效，能够适应不同数量的轮廓仪同时进行标定，并不受设备摆放位置影响，倾斜角也可标定出相应的标定参数，降低了人工操作的复杂度；根据标定参数更容易地重建电缆三维数据。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，

4、收集并分析每个轮廓仪的数据，精确定位角点坐标及其边缘的梯度方向，利用这些信息结合倾斜的多边形理论，当未知多边形全部参数时，通过已知的一个角和多边形边长推算出其余角的位置信息；

5、通过智能算法将各个轮廓仪的测量数据与理论模型进行匹配，自动生成相位旋转矩阵，完成精确的标定工作；

6、再根据标定结果对线缆椭圆形体进行扫描，并计算倾角进行空间变换，根据行动距离得到完整点云。

7、该方法通过任意多边形标定即任意标定通用公式，以及特异角度倾斜标定，并完成电缆表面三维重建，映射到真实三维形貌。其一系列自动化流程不仅简化了标定步骤，也确保了即便是倾斜多台轮廓仪也能达到高度一致的还原完整三维点云，满足了现代工业对高效、高精度测量技术的需求。

8、进一步的，该方法的实现包括：

9、步骤一：数据预处理，

10、确定散点数据中轴方向的最大值，以此识别顶点所在的区域索引，并根据索引对原始点云进行分割，分割为两条直线部分；

11、步骤二：直线拟合并计算交点，

12、使用最小二乘法对两部分点云分别拟合直线方程，设为line1：ax+by+c＝0和line2：dx+ey+f＝0，拟合计算直线方程参数，解两个直线方程组求两直线交点坐标o(x0,y0)；

13、步骤三：顶点坐标计算，

14、设相邻顶点坐标为p1(x1,y1)，利用点的方向和边长关系，以及倾角变化，根据给定的公式计算后续顶点坐标；

15、步骤四：当已知第一个顶点和一条边的角度，根据距离和点位变化逐步计算出其他顶点坐标，形成顺时针的顶点序列；

16、步骤五：旋转矩阵构建

17、对于每一对相邻顶点(pi,pi+1)，计算旋转角θ，并使用旋转矩阵公式其中θ为旋转角，得到局部旋转矩阵；

18、考虑到多个相机和多边形的相对位置，需要综合所有相机视角下的信息来综合计算最终的旋转矩阵；

19、步骤6：相机姿态估计

20、结合所有顶点坐标和旋转角度，以及相机的内部参数和外部参数，使用透视n点算法和其他相机标定方法，计算出每个相机的外参矩阵(旋转和平移矩阵)；

21、步骤7：获取初始三维点云并真实相位转换

22、对于每个相机坐标ccam，应用变换矩阵t＝[r|t]t＝[r|t]，其中r是旋转矩阵，t是平移向量，得到相机在世界坐标系中的位置；

23、根据相机扫描地数据再次转角变换，通过行进距离累加，获得世界坐标系下真实点云数据。

24、进一步的，根据不同相机数量和角度，更换指定标定块，通过轮廓仪扫描标定块数据，通过输入数据匹配运算获得相机姿态，得到各个相机的位姿矩阵。

25、进一步的，根据线扫轮廓仪扫描多边形角度的形状特点，每个轮廓都能获得一个角方向朝上边角边几何形状，其每条边都由可密集的散点构成，点密度由相机距离和相机精度决定，则设定这组点坐标为：

26、

27、根据z轴所在方向的最大值，可以确定顶点所在区域索引为tindex＝[zmax-σ,zmax+σ]，通过顶点所在范围将轮廓仪输入的点云按顺序分割为两个部分，这两个部分为几何夹角的两条边，则两条边的坐标可分割为：

28、

29、通过最小二乘法拟合两条直线斜率，计算其方向梯度，根据

30、

31、求出两直线方程：

32、

33、并根据直线方程求出交点坐标(x0,z0)，再通过两直线斜率求出对应边的方向角度(这个角度依据为点顺序方向)。

34、进一步的，所述顶点坐标计算，

35、1)规则多边形点位计算：

36、根据点方向和边长r，求相邻顶点坐标，以顺时针方向坐标顺序为主序，对一个n边形来说顶点坐标依次记为(x0,z0),(x1,z1),…(xn-1,zn-1)，则根据相接两角的边长l0b、l1a：

37、

38、得到相邻点坐标公式：

39、

40、根据多变形内角角度为通过点位旋转获得下一个顶点坐标(x2,z2)，即流程为(x0,z0)绕(x1,z1)旋转δθ；

41、2)不规则多边形点位计算：

42、根据实际第一个角边长l0a、l0b，第二角边长l1a、l1b：

43、

44、得到相邻点坐标公式：

45、

46、根据畸变多变形匹配角的初始角度对应边的角度为θ01、θ02，第二个角对应边角度为θ11、θ12，则δθ＝θ02-180-θ11。

47、进一步的，根据点位进行匹配：

48、通过旋转角度，得到旋转公式为:

49、

50、依次类推得到其他点：

51、(x3,z3),(x4,z4),…,(xn-1,zn-1)，

52、同时获得方向边的角度：

53、θ0,θ1＝θ0+δθ,θ2＝θ1+δθ,…,θn-1＝θn-2+δθ。

54、进一步的，标定参数求解：

55、根据计算每个相机输入的顶点和顺时方向边的角度(x′0,z′0),(x′1,z′1),…,(x′n-1,z′n-1)和θ′0,θ′1,…,θ′n-1，原顶点和角度是默认不动，即(x0,y0)＝(x′0,y′0)，θ0＝θ′0，根据旋转角度和位移变量计算旋转矩阵参数r和t，其中

56、

57、获得多边形变换矩阵对于待变换相机坐标

58、

59、进一步的，进行线缆点云重建：

60、通过标定参数，扫描线缆获得单帧线缆点云，其形状为空间椭圆，根据空间椭圆方程：

61、

62、拟合点云，获取长短轴参数a、b；

63、则倾斜角度

64、旋转中心为center＝(h,0,k)，旋转矩阵为：

65、

66、其中(x,y,z)为移动点距离，则实际点变换为：

67、从而获取单帧三维点云；

68、根据每帧运动距离δs，则点云为

69、本发明还要求保护基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建装置，包括：至少一个存储器和至少一个处理器；

70、所述至少一个存储器，用于存储机器可读程序；

71、所述至少一个处理器，用于调用所述机器可读程序，实现上述的方法。

72、本发明还要求保护计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行上述的方法。

73、本发明的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

74、传统的手动标定方法不仅耗时费力，还容易引入人为误差。而本方法装置通过自动化流程，仅需简单操作即可快速完成多台激光轮廓仪的标定及重建工作，大幅度缩短了检测周期，显著提升工作效率。

75、通过高精度匹配算法计算出的相位旋转矩阵，使得不同轮廓仪间的测量结果高度一致，解决了传统标定方法中难以避免的系统性偏差问题，增强标定及三维点云数据的准确性与一致性。

76、由于该方法操作简便，无需专业人员进行复杂的标定操作，减少了对高技能劳动力的依赖，同时也降低了员工的培训成本。即便是非专业人士，也能轻松掌握操作流程，进一步促进了技术的普及和应用。

77、无论是针对少量还是大量激光轮廓仪的标定需求，该装置都能灵活应对，适应不同规模和复杂度的生产环境或测量任务进行三维重建。

技术特征：

1.基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，该方法的实现包括：

3.根据权利要求2所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，根据不同相机数量和角度，更换指定标定块，通过轮廓仪扫描标定块数据，通过输入数据匹配运算获得相机姿态，得到各个相机的位姿矩阵。

4.根据权利要求2或3所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，根据线扫轮廓仪扫描多边形角度的形状特点，每个轮廓都能获得一个角方向朝上边角边几何形状，其每条边都由可密集的散点构成，点密度由相机距离和相机精度决定，则设定这组点坐标为：

5.根据权利要求4所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，所述顶点坐标计算，

6.根据权利要求5所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，根据点位进行匹配：

7.根据权利要求6所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，标定参数求解：

8.根据权利要求7所述的基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，其特征在于，进行线缆点云重建：

9.基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建装置，其特征在于，包括：至少一个存储器和至少一个处理器；

10.计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1至8任一所述的方法。

技术总结
本发明公开了基于非固定向线激光轮廓仪标定对电缆的三维重建方法，属于精密测量技术和三维重建技术领域，收集并分析每个轮廓仪的数据，精确定位角点坐标及其边缘的梯度方向，利用这些信息结合倾斜的多边形理论，当未知多边形全部参数时，通过已知的一个角和多边形边长推算出其余角的位置信息；通过智能算法将各个轮廓仪的测量数据与理论模型进行匹配，自动生成相位旋转矩阵，完成精确的标定工作；再根据标定结果对线缆椭圆形体进行扫描，并计算倾角进行空间变换，根据行动距离得到完整点云。本发明能够适应不同数量的轮廓仪同时进行标定，并不受设备摆放位置影响，倾斜角也可标定出相应的标定参数，降低了人工操作的复杂度。

技术研发人员：汪泽百,郭智勇,朱宪,李超,孙桂刚
受保护的技术使用者：浪潮软件集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23