CN105698700A - 一种桌面式高自由度激光三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面式高自由度激光三维扫描装置。该测量装置包括光学探测模块、定位底座和电子罗盘，其特点是可以通过手持在平面内自由移动和调整扫描角度，实现对被测物体的三维扫描。工作时，光学图像信息、位移信息和角度信息分别由光学探测模块、定位底座和电子罗盘传输到计算机，计算机首先根据光学图像信息计算出光学坐标，然后根据位移信息和角度信息对光学坐标进行重定位，从而得到被测物体的物理坐标。本发明所述的桌面式高自由度激光三维扫描装置结构简单，使用灵活，具有扫描自由度高、扫描速度快和便携的优点，且对被测物体无特殊背景和标志图案的限制，可用于工程样品在线实时三维形貌光学检测。

Description

一种桌面式高自由度激光三维扫描装置

技术领域：

本发明属于光学三维测量技术领域，具体涉及一种桌面式高自由度激光三维扫描装置。

背景技术：

光学三维测量是一种非接触测量方法，同接触式测量相比，其对物体表面无损害，且具有更快的测量速度，因而广泛应用在工业自动检测、产品质量控制、逆向工程、生物医学、虚拟现实、文物修复及人体测量等众多领域中。在光学三维测量技术中，线激光三维扫描技术是基于激光三角原理，具有高精度、高可靠性和结构简单的特点。它将线激光投射在被测物体上，获取含有激光条的光学图像，通过光心提取算法提取被测位置的图像像素坐标，然后根据线激光发射器和相机的空间位置关系将像素坐标其转换为物理坐标。线激光三维测量一次可以获得一条线上的三维信息，通过在被测物体上进行扫描，就可实现物体的三维测量，从而完成三维实体模型的重构。

目前，基于线激光三维扫描技术的三维形貌测量装置多采用机械扫描法，即利用较大的机械结构移动物体或者移动激光光源实现扫描，存在很大局限性。首先，扫描装置的自由度很低，大多只能实现直线或旋转单一自由度的扫描，存在较大的扫描盲区；其次，测量装置的测量速度受机械移动平台的限制，测量多为匀速运动且速度比较慢；第三，由于机械平台体积和重量较大，测量装置不便于携带移动。另外，目前也出现了一些便携式线激光三维扫描装置，虽然改善了以上的局限性，但大多需要特殊的测量背景或在被测物体上粘贴标志图案，限制了其工程应用。因此，为了提高物体三维形貌成像及测量装置的检测效率及精度，提出一种能克服上述缺点的检测装置势在必行。

发明内容：

本发明的目的是为了克服上述现有三维形貌测量装置存在的不足，提供了一种桌面式高自由度激光三维扫描装置。该装置采用光电定位和倾角测量，扫描时通过手持在平面内自由移动和调整测量方向，最高可以达到五个自由度，不仅具有使用灵活、快速和便携的特点，而且对被测物体没有测量背景和标志图案的限制。

为达到上述目的，本发明是通过如下的技术方案实现的：

一种桌面式高自由度激光三维扫描装置，包括光学探测模块、电子罗盘和定位底座；其中，

所述光学探测模块，用于探测被测物体的物理坐标，并将光学图像信息转换为光学坐标信息；

所述电子罗盘，用于测量光学探测模块的倾斜角度和偏转角度，以确定扫描的方向；

所述定位底座，用于测量该扫描装置的位移和方向，实现对扫描装置的实时定位；

工作时，光学图像信息、扫描角度信息和位移信息分别由光学探测模块、电子罗盘和定位底座同步传输到计算机；计算机首先将光学图像信息转换为一系列光学坐标(y_p,z_p)；然后根据电子罗盘的角度信息，对光学坐标信息进行倾斜矫正；最后，通过定位底座的位移信息得到扫描装置的位移(x，y)，并根据位移的变化对矫正后的光学坐标在二维平面重新定位，得到被测物体的最终的物理坐标。

本发明进一步的改进在于，所述光学探测模块包括线激光发射器、CCD相机和底板；其中，

线激光发射器和CCD相机通过螺栓固定在底板上，底板与定位底座通过阻尼铰链相连；

工作时，线激光发射器将线激光投射在被测物体上，CCD相机获取含有激光条的光学图像，通过光心提取算法提取被测位置的图像像素坐标，然后根据线激光发射器和CCD相机的空间位置关系将像素坐标(u，v)转换为光学坐标(y_p,z_p)。

本发明进一步的改进在于，像素坐标(u，v)与光学坐标(y_p,z_p)的转换关系如式(1)所示：

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{fN}}_x{r}_2+r_8{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{r}_3+r_9{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{t}_x+t_z{u}_0\\ {\mathrm{fN}}_y{r}_5+r_8{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{r}_6+r_9{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{t}_y+t_z{v}_0\\ r_8& r_9& t_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_p\\ z_p\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中，f是相机焦距，N_x、N_y是像素长度，u₀、v₀是图像坐标系原点的像素位置，r₁～r₉是相机坐标系到光学坐标系的旋转矩阵的参数，t_x、t_y和t_z是相机坐标系到光学坐标系的平移矩阵的参数，即：

$R_c^p=\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right],T_c^p=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

本发明进一步的改进在于，所述电子罗盘固定在光学探测模块的底板上，当底板的俯仰角和方向发生变化时，电子罗盘能够检测出底板的俯仰角。

本发明进一步的改进在于，所述定位底座包括发光二极管、图像传感器、数字信号处理器和可手持支架；其中，

工作时，该扫描装置通过可手持支架在平面内自由移动，底部的发光二级管以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面，然后再通过平面的折射透过另外一块透镜反馈到图像传感器上；当扫描装置在桌面上自由移动时，图像传感器获得连续的图案，数字信号处理器对每张图片进行前后对比分析处理，判断出移动的位移(x，y)，从而对光学坐标的进行重定位，实现对被测物体的完整的三维测量。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种桌面式高自由度激光三维扫描装置，基于激光三角法原理，并采用光电定位技术和倾角测量技术，能够实时获取扫描位置和扫描方向，从而可以通过手持完成对物体的非接触三维测量。本发明所述装置和现有装置相比较，具有以下优点：(1)结构简单紧凑，无须机械扫描平台，便于携带；(2)扫描自由度高，可在平面内自由移动和自由调整扫描方向，消除扫描盲区；(3)扫描速度快，对被测物体无特殊背景和标志图案的限制，且成本低廉，可用于工程样品在线实时三维形貌光学检测。

附图说明：

图1为本发明桌面式高自由度激光三维扫描装置的结构示意图。

图中：1-光学探测模块，2-电子罗盘，3-定位底座，4-阻尼铰链，101-线激光发射器，102-CCD相机，103-底板。

图2为本发明定位底座的结构示意图。

图中：301-发光二极管，302-图像传感器，303-数字信号处理器，304-可手持支架，305-透镜，306-无线发射器。

图3为本发明桌面式高自由度激光三维扫描装置的工作过程示意图。

图4为光学测量部分的工作原理图。

图5为倾斜矫正和重定位的工作原理图。

图5说明：M为定位底座中心的初始位置，N为线激光发射器，d＝|MN|,D＝|MO_w|；M′N′为移动后的位置，P为移动后检测到的一个点；重定位即把P点光学坐标(y_p,z_p)转换为物理坐标(x_w,y_w,z_w),也就是实现由光学坐标系O_p-Y_pZ_p到物理坐标系O_p-X_wY_wZ_w的坐标转换。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的桌面式高自由度激光三维扫描装置，包括三个部分：光学探测模块1、电子罗盘2和定位底座3。光学探测模块1基于激光三角原理来实现图像信号到三维信号的转换，包括线激光发射器101、CCD相机102和底板103，线激光发射器101和CCD相机102通过螺栓固定在底板103上，底板103与定位底座3之间通过可调节的阻尼铰链4连接；电子罗盘2用以测量光学探测模块1的俯仰角及转动角度，通过螺栓固定在光学探测模块1的底板103上；定位底座3用以支撑和定位光学探测模块1，由发光二极管301、图像传感器302、数字信号处理器303和可手持支架304组成。

本发明在光学探测模块1上增加了定位底座3和电子罗盘2，用来代替笨重的机械扫描平台，从而使三维扫描装置能够在一个平面上自由移动和自由调整扫描方向。因此，这种桌面式高自由度激光三维扫描装置可以通过手持移动，实现在水平方向上360对自由移动测量，在竖直方向上上下90移自由旋转测量。

图3为本发明的工作流程图，本发明的具体工作过程如下：对被测物进行三维扫描时，光学图像信息、扫描角度信息和位移信息分别由CCD相机102、电子罗盘2和定位底座3同步传输到计算机；计算机首先根据激光三角原理处理光学图像信息，得到一系列光学坐标(y_p,z_p)；然后根据电子罗盘2的角度信息，对光学坐标信息进行倾斜矫正；最后，对定位图像信息在数字信号处理器303中前后对比分析，得到扫描装置移动的位移(x，y)，并根据位移的变化对矫正后的光学坐标在二维平面重新定位，从而得到最终的物理坐标。图3中，本发明采用了并行工作方式，能够将各部分采集到的数据同步传输的计算机，从而保证了三维测量的实时性和准确性。

其中，光学图像信息的处理，主要包括光条中心的提取和光学坐标的计算。光条中心即光学图像上激光线中心的像素坐标(u，v)，由于光条在灰度图像上呈高斯分布，因此可以通过灰度阈值法或曲线拟合法得到光条中心。光学坐标的计算如图4所示，设P点为被测物体的上的一个点，按图4建立起图像坐标系、相机坐标系和光学坐标系，像素坐标(u，v)与光学坐标(y_p,z_p)的转换关系如式(1)所示。

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{fN}}_x{r}_2+r_8{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{r}_3+r_9{u}_0& {\mathrm{fN}}_x{t}_x+t_z{u}_0\\ {\mathrm{fN}}_y{r}_5+r_8{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{r}_6+r_9{v}_0& {\mathrm{fN}}_y{t}_y+t_z{v}_0\\ r_8& r_9& t_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{y}_p\\ z_p\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中，f是相机焦距，N_x、N_y是像素长度，u₀、v₀是图像坐标系原点的像素位置，r₁～r₉是相机坐标系到光学坐标系的旋转矩阵的参数，t_x、t_y和t_z是相机坐标系到光学坐标系的平移矩阵的参数，即：

$R_c^p=\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right],T_c^p=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$

在图4中，本发明从激光三角法的数学原理出发，将光学坐标的计算简化为一系列坐标转换，从而建立了清晰的数学模型。

得到光学坐标后，还要根据扫描角度信息和位移信息对光学坐标倾斜矫正和重定位。

扫描角度信息包括光学探测模块1的俯仰角度α和偏转角度θ，由电子罗盘通过RS232接口传输到计算机。电子罗盘能够测量平面内两个相互垂直的轴线与重力方向的夹角以及罗盘与地球磁场的夹角，即光学探测模块1的俯仰角度α和偏转角度θ。位移信息由定位底座通过USB无线发射器传输到计算机。定位底座对定位图像信息的处理与光电鼠标原理类似，底部的发光二级管以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面，然后再通过平面的折射透过另外一块透镜反馈到图像传感器上。当扫描装置在桌面上自由移动时，图像传感器获得连续的图案，数字信号处理器303对每张图片进行前后对比分析处理，判断出移动的位移(x，y)，从而实现对扫描装置的定位。

对光学坐标进行重定位的原理如图5所示，设P点为被测物体的上的一个点,以扫描装置在初始位置的光学坐标系原点为原点o_w，建立世界物理坐标系x_wy_wz_w，假设扫描过程中，某一时刻的倾角为α，偏转角度为θ，扫描装置的位移是(x，y)，那么对光学坐标(y_p,z_p)的重定位算法如式(2)所示。

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}d*\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}\\ -d*\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}D\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}+x\\ D(1-\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α})+y\\ D\sin \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式(2)，d是定位底座中心点到线激光光平面的距离；D是当倾角α＝0时，定位底座中心点到光学坐标平面y_p＝0的距离；x_w、y_w和z_w就是最终得到的被测物体的三维物理坐标。图5结合扫描装置的位移信息和角度信息，将扫描装置的移动转化为了光学坐标系的移动，从而区别于光学坐标系不变的传统机械扫描装置，形成了光学坐标的重定位技术，并提出了平面内自由移动扫描的新方法。

本发明的关键点和保护点如下：

1、通过扫描角度矫正和二维光电定位来代替机械扫描平台，以实现三维扫描装置在平面内的自由移动扫描，是本发明技术方案的关键点。

2、本发明的保护点：

1)基于平面内自由扫描的三维扫描方法；

2)扫描角度矫正与光电定位相结合的重定位技术；

3)高自由度的桌面式激光三维扫描装置。

Claims (5)

1.一种桌面式高自由度激光三维扫描装置，其特征在于，包括光学探测模块(1)、电子罗盘(2)和定位底座(3)；其中，

所述光学探测模块(1)，用于探测被测物体的物理坐标，并将光学图像信息转换为光学坐标信息；

所述电子罗盘(2)，用于测量光学探测模块(1)的倾斜角度和偏转角度，以确定扫描的方向；

所述定位底座(3)，用于测量该扫描装置的位移和方向，实现对扫描装置的实时定位；

工作时，光学图像信息、扫描角度信息和位移信息分别由光学探测模块(1)、电子罗盘(2)和定位底座(3)同步传输到计算机；计算机首先将光学图像信息转换为一系列光学坐标(y_p,z_p)；然后根据电子罗盘(2)的角度信息，对光学坐标信息进行倾斜矫正；最后，通过定位底座(3)的位移信息得到扫描装置的位移(x，y)，并根据位移的变化对矫正后的光学坐标在二维平面重新定位，得到被测物体的最终的物理坐标。

2.根据权利要求1所述的桌面式高自由度激光三维扫描装置，其特征在于，所述光学探测模块(1)包括线激光发射器(101)、CCD相机(102)和底板(103)；其中，

线激光发射器(101)和CCD相机(102)通过螺栓固定在底板(103)上，底板(103)与定位底座(3)通过阻尼铰链(4)相连；

工作时，线激光发射器(101)将线激光投射在被测物体上，CCD相机(102)获取含有激光条的光学图像，通过光心提取算法提取被测位置的图像像素坐标，然后根据线激光发射器(101)和CCD相机(102)的空间位置关系将像素坐标(u，v)转换为光学坐标(y_p,z_p)。

3.根据权利要求2所述的桌面式高自由度激光三维扫描装置，其特征在于，像素坐标(u，v)与光学坐标(y_p,z_p)的转换关系如式(1)所示：

式(1)中，f是相机焦距，N_x、N_y是像素长度，u₀、v₀是图像坐标系原点的像素位置，r₁～r₉是相机坐标系到光学坐标系的旋转矩阵的参数，t_x、t_y和t_z是相机坐标系到光学坐标系的平移矩阵的参数，即：

。

4.根据权利要求2所述的桌面式高自由度激光三维扫描装置，其特征在于，所述电子罗盘(3)固定在光学探测模块(1)的底板(103)上，当底板(103)的俯仰角和方向发生变化时，电子罗盘(3)能够检测出底板(103)的俯仰角。

5.根据权利要求1所述的桌面式高自由度激光三维扫描装置，其特征在于，所述定位底座包括发光二极管(301)、图像传感器(302)、数字信号处理器(303)和可手持支架(304)；其中，

工作时，该扫描装置通过可手持支架(304)在平面内自由移动，底部的发光二级管(301)以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面，然后再通过平面的折射透过另外一块透镜(305)反馈到图像传感器(302)上；当扫描装置在桌面上自由移动时，图像传感器(302)获得连续的图案，数字信号处理器(303)对每张图片进行前后对比分析处理，判断出移动的位移(x，y)，从而对光学坐标的进行重定位，实现对被测物体的完整的三维测量。