CN103376068B - 激光三维形貌测试装置及其物面三维信息的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三维形貌测试装置及其物面三维信息的获取方法。该装置包括激光测距传感器、二维扫描振镜和分析处理计算机，由激光光源、测距控制电路和传输电路组成激光测距传感器，结合由反射镜片、驱动电路、伺服电机组成的二维扫描振镜，在计算机的控制下实现自动高速获取物面形貌信息的功能。激光测距传感器和二维扫描振镜都连接至计算机，激光测距传感器在计算机指令的作用下发射激光，通过收发时差计算出距离值并传输给计算机；二维扫描振镜在偏转指令的作用下改变两路输出电压的大小驱动伺服电机偏转，两路伺服电机分别带动其轴端激光反射镜偏转，从而改变激光的收发光路，实现物面扫描。本发明方案具有非接触、数据采样率高、高分辨率、高精度等特点，系统的更新和升级非常方便。

Description

激光三维形貌测试装置及其物面三维信息的获取方法

技术领域

本发明属于物体表面形貌的测试领域，特别是一种精度高、自动化程度好、应用广泛的激光三维形貌测试装置及其物面三维信息的获取方法。

背景技术

激光三维扫描技术是一项集光机电和计算机技术于一体的高新技术。其主要原理是通过激光测距系统（包括脉冲激光和相位激光）作扫描运动而瞬时测得被测物的空间三维坐标值。然后利用计算机处理获取的空间点云数据,通过使用图形软件，快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。

三维激光扫描技术与其他技术相比有着突出的优点。传统的三维模型重建大多是基于二维数据信息来进行的，其中应用比较广泛的是DC（DigitalCamera），DV（DigitalVisual），激光扫描仪以及采集卡等。这种基于二维信息的三维重建技术屏蔽了三维场景的空间几何复杂性，但在几何准确度和三维信息的完整性上存在局限性。而且相对于基于图片的三维模型重建方法，基于激光扫描数据的重建三维技术能够恢复出几何信息准确性更高，真实感更强的三维模型。同时，由于采用激光作为测量介质，利用独特优异的性能进行测量，具有非接触、数据采样率高、主动发射扫描光源、高分辨率、高精度、数字化采集、兼容性好等特点。

由于激光三维扫描技术具有重要的理论意义和实际价值，近年来国内外许多专家组织对其进行了大量的研究。HDS2500、ILRIS-3D、LMS-Z210和MENSIGS200这类基于TOF测距技术的三维激光扫描仪的出现，实质上是早期的三维激光扫描技术的革新和发展。这些仪器最突出的特点是在具有很高效率的三维数据获取基础之上，将扫描的距离突破到百米甚至达到一千米以上。这使得三维激光扫描技术在土木工程、城市规划、虚拟现实等领域的应用具有了广阔的前景。然而，在国外，三维激光扫描技术在这些领域中的研究也是处于初步发展阶段。例如，在仪器的精度研究方面尚缺乏较为系统的研究与评价方法；在数据处理方面也缺乏较为成熟的理论与算法，甚至有些数据处理方面的理论与方法尚未展开研究。

常用的中长扫描距离的三维激光扫描仪的主要生产厂商有瑞士的LEICA公司、加拿大的OPTECH公司、奥地利的RIEGL公司和法国的MENSI公司。这些公司研制的测量系统的扫描距离为2.5~1500m(与目标反射率有关)，100m内最高精度可达3mm，扫描速度为1000~12000点/秒。

目前国内很多科研院校正在加快三维激光扫描技术的基础理论和技术应用方面的研究。浙江大学、天津大学等一些科研院校已经对三角法三维激光扫描技术进行了较为全面的研究。由于基于TOF测距技术的三维激光扫描技术是目前最先进的高新集成技术之一，国内对这方面的硬件研究甚少。在数据处理方面，国内只有极少数研究学者对三维激光扫描数据的处理方面作了理论与方法研究，其研究内容的层次还达不到实用阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光测距方式来获取目标表面形貌信息的装置，从而实现物体形貌的非接触式远距离测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三维形貌测试装置，包括激光测距传感器、二维扫描振镜、反射镜、控制处理计算机、直流稳压电源、D/A数据采集卡、工控机箱；激光测距传感器位于二维扫描振镜上方，其出射光束通过反射镜反射后进入二维扫描振镜内部；二维扫描振镜位于工控机箱底座之上，将由激光测距传感器射入的光线进行X轴和Y轴偏转后出射到扫描物面上；直流稳压电源分别与激光测距传感器、二维扫描振镜及D/A数据采集卡相连为其提供工作电压；D/A数据采集卡的信号输入端与控制处理计算机串口相连，D/A数据采集卡的信号输出端与激光测距传感器和二维扫描振镜相连；D/A数据采集卡接收来自控制处理计算机的控制信号，并将转换后的信号分别传输至激光测距传感器和二维扫描振镜；激光测距传感器将测得的距离数据通过D/A数据采集卡回传给控制处理计算机。

一种三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，包括以下步骤：

步骤1：进行测量准备工作，选择被测量物面，调整三维形貌测试装置的位置，确定好起始采样点位置，对装置进行初始化；

步骤2：判断是否扫描新的物面还是观察已经获得的结果，如果是扫描新的物面则执行步骤3，如果是观察已经获得的结果则跳到步5；

步骤3：设定计算机端口参数，设置二维扫描的角度范围和采样点数；

步骤4：利用激光测距传感器和D/A数据采集卡进行扫描过程的测距和数据采集，并将采集到得原始数据传输至计算机；

步骤5：对已采集到的结果进行分析处理，获得被测物面的信息；

步骤6：处理完毕，显示和保存扫描结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明三维形貌测试装置采用伺服电机带动反射镜片的方法实现扫描，不同于一般的步进电机带动测距机体进行旋转扫描，因而具有高速轻便的特点；所获得的数据可以由不同的软件平台进行处理，可以很方便的获得不同的三维信息，具有较大的灵活性；由于采用了采用激光作为测量介质，具有非接触、数据采样率高、高分辨率、高精度等特点；此外，由于采用了模块化设计，系统的更新和升级都非常方便。

附图说明

图1为三维形貌测试装置结构关系图。

图2为三维形貌测试装置软件界面示意图。

图3为三维形貌测试装置模块结构示意图。1-激光测距传感器；2-二维扫描振镜；3-反射镜；4-X轴偏转振镜；5-Y轴偏转振镜；6-激光光束；7-扫描物面；8-激光出射口；9-激光接收口；10-直流稳压电源；11-D/A数据采集卡；12-控制处理计算机；13-工控机箱。

图4为三维形貌测试装置程序流程图。

图5为点云处理成像图。

具体实施方式

本发明一种三维形貌测试装置，包括激光测距传感器1、二维扫描振镜2、反射镜3、控制处理计算机12、直流稳压电源10、D/A数据采集卡11、工控机箱13；激光测距传感器1位于二维扫描振镜2上方，其出射光束通过反射镜3反射后进入二维扫描振镜2内部；二维扫描振镜2位于工控机箱13底座之上，将由激光测距传感器1射入的光线进行X轴和Y轴偏转后出射到扫描物面上；直流稳压电源10分别与激光测距传感器1、二维扫描振镜2及D/A数据采集卡11相连为其提供工作电压；D/A数据采集卡11的信号输入端与控制处理计算机12串口相连，D/A数据采集卡11的信号输出端与激光测距传感器1和二维扫描振镜2相连；D/A数据采集卡11接收来自控制处理计算机12的控制信号，并将转换后的信号分别传输至激光测距传感器1和二维扫描振镜2；激光测距传感器1将测得的距离数据通过D/A数据采集卡11回传给控制处理计算机12；D/A数据采集卡11在各部分间起信号转换的桥梁作用，其输入端信号来自控制处理计算机12串口，输出端信号分别送往激光测距传感器1和二维扫描振镜2的信号输入端口；工控机箱13将装置的各组成部分按确定好的相对位置固定，并采取散热等防护措施，封装成便携式整机。

激光测距传感器1由激光光源、测距控制电路和传输电路连接组成；二维扫描振镜2由光学反射镜、驱动电路和伺服电机组成；直流稳压电源10是由三路24V双极性直流电压源构成。

本发明一种三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，包括以下步骤：

步骤1：进行测量准备工作，选择被测量物面，调整三维形貌测试装置的位置，确定好起始采样点位置，对装置进行初始化；

步骤2：判断是否扫描新的物面还是观察已经获得的结果，如果是扫描新的物面则执行步骤3，如果是观察已经获得的结果则跳到步5；

步骤3：设定计算机端口参数，设置二维扫描的角度范围和采样点数；

步骤4：利用激光测距传感器和D/A数据采集卡进行扫描过程的测距和数据采集，并将采集到得原始数据传输至计算机；

步骤5：对已采集到的结果进行分析处理，获得被测物面的信息；

步骤6：处理完毕，显示和保存扫描结果。

步骤4采用时差法TOF激光测距与扫描振镜偏转相结合的方法，并利用伺服电机带动光学反射镜的偏转改变光路，从而实现对测量物面的扫描。

步骤4采用逐行扫描；根据待扫描物面的大小和位置，设定扫描角度和采样点数；根据以上参数确定两路扫描的步长值ΔX和ΔY，X、Y是二维扫描振镜2中光学反射镜的偏转角；每次激光测距完毕后，X开始一个步长ΔX的偏转，至X达最大偏转角后，Y开始一个ΔY的偏转，如此反复，直至遍历整个扫描物面。

步骤5中对已采集到的结果进行的分析处理为首先对位图像素进行中值滤波，然后对位图像素进行横纵向插值和灰度插值，同时进行了灰度拉伸，最后以位图形式显示和保存，位图的灰度值反映了物面表面的起伏状况，或结合OpenGL平台生成空间立体图直观反映物面情况。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明三维形貌测试装置可分为三个组成部分。其结构关系如附图1所示。

一是激光测距传感器。由激光光源、控制处理电路以及接口电路组成。接口电路负责与控制处理计算机12间进行通信，在控制处理计算机12的控制下进行测距并传输回距离数据。

二是二维扫描振镜。由接口电路、驱动电路、伺服电机、机械传动装置和反射镜片组成。其中扫描偏转模块结构如附图所示。控制处理计算机12通过D/A数据采集卡11，将数字信号转换为驱动电路所需的模拟信号，驱动电路在控制信号的作用下，驱动两路伺服电机作相应偏转，通过传动装置，带动其末端反射镜偏转，实现出射光束的反射偏转。

三是分析处理计算机。主要由计算机和相应的测试软件组成。该模块负责对测距过程进行控制，并将采集到的距离数据进行分析判断，发出控制信号驱动伺服电机偏转，实现扫描面的遍历。同时该模块还要对采集到的数据进行处理，生成用户可识别的图像信息。用户可最多设定0°~40°的扫描范围，可以设定0*0~1000*1000的采样点数。

测量之前，要首先调整测试仪的位置，使初始扫描点位于扫描面的左上角。测量时，先设定相应的端口和波特率等参数，然后选择横向和纵向扫描角范围及采样点数。点击设定键，设定成功后即可点击开始键，进行扫描采集过程。扫描过程中可以在界面观察到相应的数值信息。扫描完毕后，显示出扫描点处理后生成的形貌信息图片，如图5所示。

由激光光源、测距控制电路和传输电路组成激光测距模块，结合由反射镜片、驱动电路、伺服电机组成的扫描偏转模块，在计算机软件的控制下实现自动高速获取物面形貌信息的功能。激光测距传感器和二维扫描振镜都通过接口电路连接至计算机接口，激光测距传感器在计算机指令的作用下发射激光，通过收发时差计算出距离值并传输给计算机。二维扫描振镜在偏转指令的作用下改变两路输出电压的大小驱动伺服电机偏转，两路伺服电机分别带动其轴端激光反射镜偏转，从而改变激光的收发光路，实现物面扫描。对于每一扫描点，都可获得该点与测距机的距离和此时XY轴扫描偏转角，因此空间坐标可唯一确定。扫描后获得的坐标点阵通过计算机进行点云去噪，插值处理和灰度拉伸，并结合OPENGL等库文件实现表面重建，即可获得物体表面形貌信息。

测距过程：计算机打开端口，开始与测试设备进行通信。计算机向设备发送‘A’或‘a’获取设备地址‘80H’。获得地址之后，设定设备地址、偏移量等初始参数。向设备发送‘80H’，读取当前被测点的距离值。

扫描偏转过程：将X轴和Y轴扫描角分别设定为m和n，确定扫描步长，执行扫描流程。先移到起始点，X轴偏角θ=0，Y轴偏角α=0。X轴进给，θ++，开始测距，并保存距离数据和此时角度值。重复以上进给过程，直至θ>m，则Y轴进给，α++，开始测距，并保存距离数据和角度值。判断α<n是否成立，若满足，则X轴进给，重复以上过程，直至α>n，扫描结束，保存测量数据。

其中关键之处在于扫描与测距的同步问题。只有该点测距完成，才允许光束偏转到下一个测量点，否则会造成距离与对应角度不匹配。由于伺服电机的响应时间远小于激光测距传感器的响应时间，因此可以通过相互等待的方式来完成同步工作。当测距机成功传回测量数据时，程序通过检验标志位，通知扫描模块偏转，并触发下一次测距。

数据处理过程：利用以上扫描过程获得的角度和距离数据，经过坐标变换，点阵去噪，插值处理和灰度拉伸等得到空间点阵数据。将处理后获得的点阵生成位图，并显示和保存。同时还可以在AutoCAD或OpenGL等平台上开发三维激光扫描数据处理软件，并根据用户的不同需求，开发特定功能的处理软件。

其主要涉及以下处理过程：

点阵去噪滤波

对于由扫描系统本身引起的误差，可以通过调整扫描参数或利用一些平滑或滤波的方法过滤掉。对于由被测对象表面因素产生的误差，可以用调整扫描仪和扫描物之间的距离和同时增加扫描物面反射率的方法。常用的滤波方法有标准高斯（Gaussian）、中值滤波（Median）、自适应滤波法以及N点平均滤波（Averaging）等方法。在达到满意效果后，利用公共点进行点云拼接。在数据处理前进行采样，使采样后点云是均匀分布的。保存采样后所得数据；

点阵插值处理

由于是对表面进行采样，当采样率较低时，获得的图像不够理想，需要进行插值处理，使图像细腻平滑。其基本思路是采用对相邻接点进行平均的算法，以获得中间点的值。需要对横向和纵向都进行插值，以获得满意效果。

灰度拉伸

利用获得的数据生成位图。但由于涉及到远距离测距，使得图像的对比度较差，要对其进行灰度拉伸。可采用所得距离最大值减去最小值，获得相对变化量，再将该变化量分成一定的灰度等级，来得到所需的结果。

位图的绘制

将处理后的数据生成256色位图，其灰度表示其表面相对高度值。也可以生成用颜色表示其高度的伪彩色图。还可以结合OpenGL显示出其立体形貌信息。

Claims (8)

1.一种三维形貌测试装置，其特征在于：包括激光测距传感器[1]、二维扫描振镜[2]、反射镜[3]、控制处理计算机[12]、直流稳压电源[10]、D/A数据采集卡[11]、工控机箱[13]；激光测距传感器[1]位于二维扫描振镜[2]上方，其出射光束通过反射镜[3]反射后进入二维扫描振镜[2]内部；二维扫描振镜[2]位于工控机箱[13]底座之上，将由激光测距传感器[1]射入的光线进行X轴和Y轴偏转后出射到扫描物面上；直流稳压电源[10]分别与激光测距传感器[1]、二维扫描振镜[2]及D/A数据采集卡[11]相连为其提供工作电压；D/A数据采集卡[11]的信号输入端与控制处理计算机[12]串口相连，D/A数据采集卡[11]的信号输出端与激光测距传感器[1]和二维扫描振镜[2]相连；D/A数据采集卡[11]接收来自控制处理计算机[12]的控制信号，并将转换后的信号分别传输至激光测距传感器[1]和二维扫描振镜[2]；激光测距传感器[1]将测得的距离数据通过D/A数据采集卡[11]回传给控制处理计算机[12]。

2.根据权利要求1所述的三维形貌测试装置，其特征在于：激光测距传感器[1]由激光光源、测距控制电路和传输电路连接组成。

3.根据权利要求1所述的三维形貌测试装置，其特征在于：二维扫描振镜[2]由光学反射镜、驱动电路和伺服电机组成。

4.根据权利要求1所述的三维形貌测试装置，其特征在于：直流稳压电源[10]由三路24V双极性直流电压源构成。

5.一种三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：进行测量准备工作，选择被测量物面，调整三维形貌测试装置的位置，确定好起始采样点位置，对装置进行初始化；

步骤2：判断是否扫描新的物面还是观察已经获得的结果，如果是扫描新的物面则执行步骤3，如果是观察已经获得的结果则跳到步5；

步骤3：设定计算机端口参数，设置二维扫描的角度范围和采样点数；

步骤4：利用激光测距传感器和D/A数据采集卡进行扫描过程的测距和数据采集，并将采集到的原始数据传输至计算机；

步骤5：对已采集到的结果进行分析处理，获得被测物面的信息；

步骤6：处理完毕，显示和保存扫描结果。

6.根据权利要求5所述的三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，其特征在：步骤4采用时差法激光测距与扫描振镜偏转相结合的方法，并利用伺服电机带动光学反射镜的偏转改变光路，从而实现对测量物面的扫描。

7.根据权利要求5所述的三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，其特征在：步骤4采用逐行扫描；根据待扫描物面的大小和位置，设定扫描角度和采样点数；根据以上参数确定两路扫描的步长值ΔX和ΔY，X、Y是二维扫描振镜[2]中光学反射镜的偏转角；每次激光测距完毕后，X开始一个步长ΔX的偏转，至X达最大偏转角后，Y开始一个ΔY的偏转，如此反复，直至遍历整个扫描物面。

8.根据权利要求5所述的三维形貌测试装置的物面三维信息的获取方法，其特征在于：步骤5中对已采集到的结果进行的分析处理为首先对位图像素进行中值滤波，然后对位图像素进行横纵向插值，同时进行了灰度拉伸，最后以位图形式显示和保存，位图的灰度值反映了物面表面的起伏状况，或结合OpenGL平台生成空间立体图直观反映物面情况。