CN105049664A - 一种手持激光三维扫描仪的补光控制方法 - Google Patents

Abstract

一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，包括以下步骤：1)设定一个摄像头采样周期内补光光源的曝光时间Tc作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；2)在摄像头采集的图像中提取符合标记点特征的连通区域，并获得区域内的像素值；3)统计每个标记点图像内的像素点的灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间，否则，调节Tc。本发明扫描效果良好、扫描精度较高。

Description

一种手持激光三维扫描仪的补光控制方法

技术领域

本发明涉及手持激光三维扫描仪，尤其是一种手持激光三维扫描方法。

背景技术

手持激光三维扫描技术以其抗干扰能力强、检测精度高、使用简便等优点逐步被用在各种工业、考古、医疗、教学等领域。相比白光投影原理的三维扫描仪，激光三维扫描仪可以从每一组同步帧图像中提取物体表面特征计算得到被扫描物体的一部分表面点云，以及由于激光投影的光强更大因而允许捕捉其图像的摄像头可以以不产生运动模糊的快门时间进行曝光，因此更能适合用手持的方式在不断连续移动的状态下进行扫描。另外，由于激光的波段的单一性，通过在摄像头前加装带通滤光镜可以很大程度上去除环境光线对其扫描过程的影响，使其适用于室外自然光环境下的物体表面轮廓的三维扫描。

目前的手持激光三维扫描仪内部由两个及以上的摄像头和一个及以上的激光器组成，其相互之间的所有位置关系均已经在扫描前标定已知；两个及以上的摄像头前分别放置环形的补光光源，用于照亮贴在物体表面的反光标记点。扫描时两个及以上的摄像头同步采集目标物体表面的标记点用于定位仪器自身的空间三维坐标位置，采集被投影到目标物体表面的激光投影图案用于获得目标物体的表面点云数据。不同材质的标记点的反光效率不同，如果每次都用固定亮度的补光光源去照射被贴着不同反光特性标记点的不同被扫描物体，可能会得到过亮或者过暗的标记点图像，导致标记点的识别和提取的精度降低，从而影响扫描的精度和效果。

在摄像头的曝光时间内选用补光光源的不同开启时间直接影响摄像头获取的目标物体表面标记点的灰度，如图1所示，补光光源的开启时间为0.6ms时摄像头获得的图像中的标记点亮度如左边图像所示，补光光源的开启时间为1.2ms时摄像头获得的图像中的标记点亮度如右边图像所示。标记点的曝光正常与否直接影响到标记点的图像识别，从而影响其中心的位置计算，进一步影响到扫描的整体精度。图像中的标记点亮度过低将会导致其与背景的对比度过小而影响图像中标记点的轮廓提取从而降低精度；图像中的标记点亮度过高则会导致其过曝光而影响边缘的亚像素计算也会影响精度。

发明内容

为了克服已有手持激光三维扫描仪采用固定亮度的补光光源进行扫描时存在的标记点识别精度较差导致仪器的定位精度不足，从而影响扫描效果和扫描精度，本发明提供一种扫描效果良好、扫描精度较高的手持激光三维扫描仪的补光控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，所述补光控制方法包括以下步骤：

1)设定摄像头采样周期内补光光源的曝光时间Tc作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；

2)在摄像头采集的图像中提取符合标记点特征的连通区域，并获得区域内的像素值；

3)统计每个标记点图像内的像素点的灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间，否则，调节Tc。

进一步，所述步骤3)中，所述合理曝光灰度区间包括下限经验阈值和上限经验阈值。

再进一步，所述下限经验阈值和上限经验阈值的数值相等。这是一个特例，合理曝光灰度区间作为一个最优值；通常来说下限经验阈值和上限经验阈值是不相等的。

更进一步，所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga，下限经验阈值为G2，上限经验阈值为G1，如果Ga位于[G2，G1]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果Ga大于G1则调小Tc，返回步骤1)；如果Ga小于G2，则调大Tc，返回步骤1)。

或者是：所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga与背景像素平均灰度Gg的反差(Ga-Gg)，下限经验阈值为G4，上限经验阈值为G3，如果(Ga-Gg)位于[G4，G3]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果(Ga-Gg)大于G3则调小Tc，返回步骤1)；如果(Ga-Gg)小于G4，则调大Tc，返回步骤1)。

再或者是：所述步骤3)包括如下过程：

3.1)根据标记点合理曝光灰度下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域内所有像素Pj的灰度Gj低于Gth1的像素点的个数Q1、高于Gth2的像素点的个数Q2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数Q3：

$Q1=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gj<Gth1\&rsqb;;Q2=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gj>Gth2\&rsqb;;Q3=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gth1\&le;Gj\&le;Gth2\&rsqb;$

3.2)最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占的比例是否大于经验阀值：如果是则完成补光光源曝光时间的设定；

3.3)如果则根据Q1和Q2的值的大小来反馈控制补光光源的曝光时间Tc是增大还是减小：如果Q1>Q2，则调大Tc，反之则调小Tc；返回步骤1)。

所述步骤2)中，所述连通区域为椭圆连通区域。

再进一步，所述的补光光源的闪烁频率与所述的两个及以上的摄像头的曝光频率同步，即补光光源在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内补光光源处于关闭状态。

再进一步，所述摄像头的同步曝光时间的长度取大于等于所述的补光光源的开启时间。

本发明的技术构思为：由于手持激光三维扫描仪的扫描精度直接取决于补光光源照射到被扫描物体表面标记点的成像质量，而标记点的成像质量很大程度取决于其在摄像头内部的感光元件上的亮度是否合适。对于反光性能好的标记点可以降低补光光源的亮度以便摄像头上获得曝光正常的标记点成像；对于反光性能差的标记点则可以增加补光光源的亮度以获得正常曝光。

本发明所述的手持激光三维扫描仪通过对补光光源开启时间的调节，在一个摄像头的曝光周期内可获得曝光合适的标记点图案，从而保证手持激光三维扫描仪的扫描精度。相比固定亮度的补光光源的三维扫描仪，本发明所述的手持激光扫描扫描仪可以显著提高扫描仪对不同类型特别是不同反光特性标记点的适应性，从而提高扫描精度。另外，由于补光光源常常使用高能发光元器件，比如高亮LED等，将补光光源的开启时间从整个扫描过程调整为摄像头的快门开启周期内可以显著降低系统的功耗，同时也防止补光亮度过亮而对人眼睛造成伤害。

本发明的有益效果主要表现在：1、扫描效果良好、扫描精度较高；2、降低功耗，安全性较高。

附图说明

图1是摄像头获取的目标物体表面标记点的灰度图，其中，(a)是补光光源的开启时间为0.6ms时，摄像头获得的图像中的标记点亮度；(b)是补光光源的开启时间为1.2ms时，摄像头获得的图像中的标记点亮度。

图2是利用高亮LED作为补光光源的双摄影头手持激光三维扫描仪的控制原理图。

图3是利用高亮LED作为补光光源的双摄影头手持激光三维扫描仪的控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，所述补光控制方法包括以下步骤：

1)设定一个摄像头采样周期内补光光源的曝光时间Tc作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；

2)在摄像头采集的图像中提取符合标记点特征的连通区域，并获得区域内的像素值；

3)统计每个标记点图像内的像素点的灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间，否则，调节Tc。

进一步，所述步骤3)中，所述合理曝光灰度区间包括下限经验阈值和上限经验阈值。

再进一步，所述下限经验阈值和上限经验阈值的数值相等。这是一个特例，合理曝光灰度区间作为一个最优值；通常来说下限经验阈值和上限经验阈值是不相等的。

更进一步，所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga，下限经验阈值为G2，上限经验阈值为G1，如果Ga位于[G2，G1]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果Ga大于G1则调小Tc，返回步骤1)；如果Ga小于G2，则调大Tc，返回步骤1)。

或者是：所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga与背景像素平均灰度Gg的反差(Ga-Gg)，下限经验阈值为G4，上限经验阈值为G3，如果(Ga-Gg)位于[G4，G3]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果(Ga-Gg)大于G3则调小Tc，返回步骤1)；如果(Ga-Gg)小于G4，则调大Tc，返回步骤1)。

再或者是：所述步骤3)包括如下过程：

3.1)根据标记点合理曝光灰度下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域内所有像素Pj的灰度Gj低于Gth1的像素点的个数Q1、高于Gth2的像素点的个数Q2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数Q3：

$Q1=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gj<Gth1\&rsqb;;Q2=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gj>Gth2\&rsqb;;Q3=\underset{j}{\&Sigma;}Pj\&lsqb;Gth1\&le;Gj\&le;Gth2\&rsqb;$

3.2)最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占的比例是否大于经验阀值：如果是则完成补光光源曝光时间的设定；

3.3)如果则根据Q1和Q2的值的大小来反馈控制补光光源的曝光时间Tc是增大还是减小：如果Q1>Q2，则调大Tc，反之则调小Tc；返回步骤1)。

所述步骤2)中，所述连通区域为椭圆连通区域。

所述的补光光源的闪烁频率与所述的两个及以上的摄像头的曝光频率同步，即补光光源在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内补光光源处于关闭状态。

所述摄像头的同步曝光时间的长度取大于等于所述的补光光源的开启时间。

本实施例的三维激光扫描仪还包括与摄像头配对的用于照亮目标物体表面特征点的补光光源。

本实施例中，以两个摄像头及三个激光投影器组成的手持激光三维扫描仪为例，由于补光光源与摄像头一一对应，因此补光光源也为两个，如图2所示。逻辑主控芯片MCU通过信号隔离电路同时与两路摄像头的曝光触发接口连接，控制两路摄像头进行同步曝光；通过两个LED恒流驱动电路与高亮LED补光光源连接，控制其按设定的频率和开启时间进行闪烁；通过三个MOS管分别控制三个激光投影器以设定的频率和开启时间进行激光图案投影。

以两个摄像头及三个激光投影器组成的手持激光三维扫描仪为例，如图3所示，Ta1～Ta3为两个摄像头同步触发连续的三个快门曝光周期的曝光时间，每个周期的曝光时间相等，即Ta1＝Ta2＝Ta3；Tb1～Tb3分别为1#、2#和3#激光投影器的开启的时间，其触发周期是摄像头曝光触发周期的3倍；Tc1～Tc3为补光光源连续的三个触发开启的时间，其触发周期等同于摄像头曝光触发周期。由于激光投影器和补光光源均需要在摄像头快门开启之后触发开启而在摄像头快门关闭之前停止才有意义，否则将不会对摄像头所采集的图像任何产生影响，因此Ta≥Tb且Ta≥Tc。摄像头在激光投影器和补光光源均停止触发后继续开启快门曝光并不会改变摄像头采集的目标物体表面的激光投影图案和标记点的成像，而且还会增加环境光对图像的干扰，因此摄像头曝光时间可设置为激光投影器和补光光源启动时间中的较长者，即Ta＝max(Tb,Tc)。

Claims (9)

1.一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述补光控制方法包括以下步骤：

1)设定摄像头采样周期内补光光源的曝光时间Tc作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；

2)在摄像头采集的图像中提取符合标记点特征的连通区域，并获得区域内的像素值；

3)统计每个标记点图像内的像素点的灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间，否则，调节Tc。

2.如权利要求1所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述合理曝光灰度区间包括下限经验阈值和上限经验阈值。

3.如权利要求2所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述下限经验阈值和上限经验阈值的数值相等。

4.如权利要求2所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga，下限经验阈值为G2，上限经验阈值为G1，如果Ga位于[G2，G1]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果Ga大于G1则调小Tc，返回步骤1)；如果Ga小于G2，则调大Tc，返回步骤1)。

5.如权利要求2所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述步骤3)中，统计图像中标记点的区域内像素的灰度平均值Ga与背景像素平均灰度Gg的反差(Ga-Gg)，下限经验阈值为G4，上限经验阈值为G3，如果(Ga-Gg)位于[G4，G3]，将Tc作为该种标记点的补光光源曝光时间；如果(Ga-Gg)大于G3则调小Tc，返回步骤1)；如果(Ga-Gg)小于G4，则调大Tc，返回步骤1)。

6.如权利要求1所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述步骤3)包括如下过程：

3.1)根据标记点合理曝光灰度下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域内所有像素Pj的灰度Gj低于Gth1的像素点的个数Q1、高于Gth2的像素点的个数Q2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数Q3：

占的比例是否大于经验阀值：如果是则完成补光光源曝光时间的设定；

3.3)如果则根据Q1和Q2的值的大小来反馈控制补光光源的曝光时间Tc是增大还是减小：如果Q1>Q2，则调大Tc，反之则调小Tc；返回步骤1)。

7.如权利要求1～6之一所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述连通区域为椭圆连通区域。

8.如权利要求1～6之一所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述的手持激光三维扫描仪包含至少两个摄像头和对应的两个补光光源；利用所述的补光光源的闪烁点亮时间来控制扫描仪对贴在物体表面用于定位的标记点的补光；所述的补光光源的闪烁频率与所述的摄像头的曝光频率同步，即补光光源在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内补光光源处于关闭状态。

9.如权利要求1～6之一所述的一种手持激光三维扫描仪补光控制的方法，其特征在于：所述摄像头的同步曝光时间的长度取大于等于所述的补光光源的开启时间。