CN103335630B - 低成本三维激光扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明低成本三维激光扫描仪利用激光结合CMOS相机扫描实际场景并进行图像处理从而解算出三维坐标信息。如图1，MSP430单片机作为控制机构，由转台上的一字线激光器向待探测场景或物体投射一字线激光，用带有滤光片的CMOS摄像机拍摄场景，PC端获取拍摄图片后进行图像处理，数据解算，得到三维点云，实现对三维空间的扫描重构，并达到计算机认知的目的。

Description

低成本三维激光扫描仪

（一）技术领域

本发明为一种低成本三维激光扫描仪。该装置利用激光结合CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺)摄相机扫描实际场景并通过图像处理解算出三维坐标信息。其中涉及硬件驱动与控制技术、图像处理技术、数据解算算法等，且装置造价低廉，控制技术相对简单，适用于空间扫描重构，并达到计算机认知的目的。

（二）背景技术

目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，在测距领域，光电技术突出体现在激光的应用中。激光由于发散角小，方向性好，使测量精度大幅度提高，测距速度飞速提高。在这样的背景下，利用三维激光扫描仪绘制点云的方法变得精确而且可行。

三维激光扫描在多领域有着重要作用：建筑模型的构建，文物发掘的测绘，地质地貌的重构，机器人视觉，城市规划等。而我国机器人学国家重点实验室开放课题“废墟搜救机器人三维废墟环境自主建模与重构研究”课题也直接体现了三维扫描技术的价值。

目前成品化的三维激光扫描仪，其应用对象多为建筑模型构建等大型项目，所以扫描仪结构复杂，价格较高，例如拓普康公司的GLS-1500，售价为1000000元；Optech公司的ILRIS-3D价格为2000000元；德国Z+F公司的IMAGER5010价格为2300000元。在这种情况下，许多需要应用三维激光扫描的课题都选用一维或二维扫描仪自己搭建平台来实现三维效果，但精度、速度都难以得到保证，这直接体现了低成本三维激光扫描仪的实用前景与研究意义。

由于激光的传播速度极快，扫描速率要求高，测距精度保证难，软件重构复杂等多方面的较高挑战，项目有着硬件软件多方面难点，使得许多基于激光测距而成的项目构成了较大的门槛。

针对上述背景，提出一种低成本三维激光扫描仪的设计。该装置利用激光结合CMOS摄相机进行扫描，通过图像处理来解算三维坐标信息，实现厘米数量级精度的测量。

（三）发明内容

1、目的

本发明的目的是提供一种低成本的三维激光扫描装置。该装置能够对空间场景进行扫描，同时在计算机PC端开发与之相应的三维重构软件，通过图像识别解码计算获得空间三维数据，实现高性价比的目标。

2、技术方案

本发明——一种低成本三维激光扫描仪，由硬件和软件两大部分构成；硬件部分包括：CMOS摄像机，808纳米（nm）一字线激光器，MSP430（美国德州仪器公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器）单片机，步进电机，电机驱动器以及机壳；软件部分包括：转台控制软件，图像识别软件与点云绘制软件。技术方案如下：

（1）总体设计：

本系统的基本结构如图1所示。整个转台与激光发生器的控制都由MSP430单片机直接控制，而对图像的解算，以及三维坐标的获取都利用PC端软件实现。每一次拍摄图片，都可以扫描实际空间中的一竖列点，而利用控制转台旋转，则可以利用这条激光线的扫描从而使扫描仪的扫描范围扩增到整个空间。

（2）扫描原理：

本扫描仪扫描原理如图2所示。cameracenter为摄像机中心，lasercenter为激光发射器中心，rotationcenter为整个转台的旋转中心。图2中P1，P2连线即为激光线投射在实际物体的光线。则从摄像机内观察，这个景物则投射在成像平面上，形成与P1与P2对应的P1’与P2’，之后可以在水平面上建立如图3的坐标系。

图3中u为成像平面上该直线的横向坐标值，原点为成像平面中心点，而单位为像素。设rotationcenter到lasercenter距离为D，lasercenter到cameracenter距离为L。则由相似三角形可以推出：

$\left\{\begin{array}{c}y=D\tan \mathrm{\θ}\\ \frac{y}{f}=\frac{L-D+x}{u}\end{array}\right.$

由上式，可以解得： $\left\{\begin{array}{c}x=D-\frac{L}{1+(u/f)\tan \mathrm{\θ}}\\ y=(D-x)\tan \mathrm{\θ}\end{array}\right.$ 则可以根据所拍照片中的激光线位置来解算出水平面内的x,y坐标。

垂直方向，如图4中成像平面内三角形与实际三角形相似，则z/v=y/f，即z=vy/f至此三维激光扫描的二维原理已经推导出结果。

在实际系统运行时，考虑到安装时激光中心与摄像头中心所在基线与旋转中心不完全重合，故存在偏移量，设为c。

在转台旋转过程中，之前推导所得坐标系也在旋转。故与世界坐标系可建立如下关系：

Y=(y+c)cosα-xsinα

X=(y+c)sinα+xcosα

Z=z

因此，该方法可以通过测量激光线在摄像头所拍图像中的位置来解算出该线上空间中点的三维坐标，以此来实现三维重构。该系统中，所要预先求的物理量有：焦距f，激光中心与摄像机中心间距L，激光中心与旋转中心间距D，旋转中心偏差d，激光出射角θ。需要每次测量测试的数据：转台旋转角α，成像中激光点位置u、v。

（3）系统搭建：

以成型塑料外壳作为整个测量系统的载体，将所述激光器与所述CMOS摄像机搭载于其上作为机体。

将机体搭建在一个转台上，其间采用螺钉连接与增设防滑垫片。此转台主要由所述步进电机及减速器构成，通过所述电机驱动器的1/2细分，实际达到最小分度为0.01°。

转台的转动控制通过所述MSP430单片机来完成，而由于该转动必须完全由PC端控制，故单片机与PC串口通信，实现转台转动与PC端软件控制的联接。

（4）图像处理：

结合以上的扫描原理与系统结构，采用如下步骤以得到三维点云数据：

1.获取摄像头原始画面

2.通过摄像头校正参数，消除画面扭曲

3.转化为灰度图

4.高斯滤波

5.提取和识别激光光斑的位置

6.代入距离求解公式，算出对应点真实距离

其中，对精度影响最大第五步采用如图5的算法流程。首先在上述第4步得到的图像中逐行寻找最亮光点，然后查找出每个最亮光点附近点的亮度，最后将这些点的亮度进行加权平均后得到第5步的激光光斑位置。

（5）软件重构：

在得到三维点云数据后，通过所述点云绘制软件实现对点云数据的显示。其中，所述点云绘制软件运用C（一种计算机编程语言）、C++（一种计算机编程语言）为编程语言，在VS2008（VisualStudio2008,美国微软公司的开发工具包系列产品）的开发环境下编写。主要采用了OpenGL（OpenGraphicsLibrary，是个专业的图形程序接口，是一个功能强大、调用方便的底层图形库）作为图形的API(ApplicationProgrammingInterface,应用程序编程接口)，实现点云的绘制，并可对整体三维点云进行移动、旋转、缩放。同时还采用了鬼火引擎（Irrlicht，一个跨平台的3D游戏引擎），实现在点云观察窗口照相机的任意移动，使操作者以第一人称的视角从任意方向观察点云，增强人机交互性和点云重构后的展示性。

3、优点及功效：

本发明低成本三维激光扫描仪采用激光器投射一字线激光，CMOS摄像机拍摄图像，搭载于转台上，通过图像识别解码计算以获得空间三维数据。可实现2%级精度，室内测距范围40cm至5m。该系统造价低廉，成本可控制在2000元以内，控制技术较为简单，适用于室内空间扫描重构，并达到计算机认知的目的。较传统的摄像机双目视觉，本方法精度高且对空间细节的保留度还原度高。

此外，本系统同时开发了配套的三维重构软件，可将获得的数据与结果向操作者三维显示，能以低价格实现三维重构的整个流程。

（四）附图说明

图1：系统示意图

图2：工作原理图

图3：测距水平面示意图

图4：测距铅垂面示意图

图5：算法流程图

（五）具体实施方式

如图1所示，所述808nm一字线激光发生器与所述CMOS摄像机固定于转台上，工作时，由所述MSP430单片机控制所述步进电机驱动转台转动，此时线激光投射到物体上同时摄像机拍下图像，随着转台转动，三维场景得以扫描。由于所述CMOS摄像机上带有808nm滤光片，PC端获取的图像中能够很好地识别线激光在场景图片中的投射位置。所得图像通过所述图像识别软件，得到三维点云坐标。三维点云通过所述点云绘制软件，在PC端绘制出可视化的三维场景。

Claims (1)

1.一种三维激光扫描仪，其特征在于，包括：CMOS摄像机，808nm一字线激光器，MSP430单片机，步进电机，电机驱动器以及机壳；

所述CMOS摄像机，感光元件为CMOS，动态分辨率默认为640×480，静态分辨率为1200×1600，帧率30帧，传输接口为USB2.0，其中需要移除所述CMOS摄像机的摄像头镜片中的红外截止滤光片，同时在摄像头外部加装808nm高通滤光片；

所述808nm一字线激光器，激光波长808nm，功率500mW；

所述MSP430单片机，为一种16位超低功耗、具有精简指令集和混合信号的处理器；

所述步进电机，步进角为1.8度，分辨率无细分时为0.02度、20细分时为3.6秒，带一传动比为90:1的减速器组成转台；

所述电机驱动器，为M542型驱动器，主要驱动42、57型两相混合式步进电机，其微步细分数有15种，最大步数为25600脉冲每转，其工作峰值电流范围为1.5A～4.5A，输出电流共有8档，电流的分辨率约为0.45A；

其中，所述三维激光扫描仪中的所述MSP430单片机通过串口与上位机通信，所述MSP430单片机输出信号给所述转台，根据输出信号的频率控制转台的转速；

其中，所述808nm一字线激光器的激光发射中心与所述CMOS摄像机中心分别位于所述转台的旋转中心两侧；

其中，所述三维激光扫描仪获取所述CMOS摄像机所得原始图像，通过摄像头校正参数消除画面扭曲、转化为灰度图以及高斯滤波这几步处理后，在得到的图像中逐行寻找最亮光点，查找出每个最亮光点附近点的亮度，将这些点的亮度进行加权平均后得到激光光斑的位置，然后依照函数关系解出距离信息，从而得到三维点云数据，其中在解出所述距离信息时考虑所述808nm一字线激光器的激光中心与所述CMOS摄像机的摄像头中心所在基线与所述转台的旋转中心不完全重合而导致的偏移量；

其中，所述三维激光扫描仪采用OpenGL图像库，将所述三维点云数据绘制在模拟的三维环境中，并采用鬼火引擎进行更优化的显示与处理。