CN105865350A - 3d物体点云成像方法 - Google Patents

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何元烈
陈佳腾
张伟
曾碧
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/03—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring coordinates of points

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Abstract

本发明提出了3D物体点云成像方法，包括以下步骤：步骤1、从摄像头画面中捕获激光光点，并计算出激光光点的坐标信息；步骤2、计算激光光点到激光器的距离；步骤3、将激光光点到激光器的距离转化为坐标点；步骤4、将物体旋转，返回步骤2，直至将物体旋转到360度为止，以获取物体的全局点云信息。本发明采用线性激光器，利用三角测距并转化光点坐标，具有距离、角度分辨率高，目标识别能力突出，速度快等优点。

Description

3D物体点云成像方法
技术领域
本发明涉及3D激光成像技术，具体涉及3D物体点云成像方法。
背景技术
在现有3D激光成像技术中，有人提出采用窄视场激光测距机配以灵活的光束指向控制器，一次可测量目标上一个点的距离，通过扫描装置使扫描范围覆盖目标的所有待测部位，就可得到目标上各点的距离，将这些距离数据以适当的顺序进行采集、存储和显示，就可得到目标的距离图像。
上述这种成像方法获取一幅图像需要通过二维扫描完成。其成像帧频较低、视场角很小。而扫描装置的应用不仅增大了系统的体积，还降低了系统的可靠性和工作的稳定性。此外，这种成像方法仅仅可以用来成像，不能得到具体的数据，难以将其拓展到其他应用，实用性较差。
发明内容
为了解决现有成像技术所存在的问题，本发明提出3D物体点云成像方法，采用线性激光器，利用三角测距并转化光点坐标，具有距离、角度分辨率高，目标识别能力突出，速度快等优点。
本发明采用如下技术方案来实现：3D物体点云成像方法，包括以下步骤：
步骤1、从摄像头画面中捕获激光光点，并计算出激光光点的坐标信息；
步骤2、计算激光光点到激光器的距离；
步骤3、将激光光点到激光器的距离转化为坐标点；
步骤4、将物体旋转，返回步骤2，直至将物体旋转到360度为止，以获取物体的全局点云信息。
优选地，所述步骤1通过线性插值或求质心的手段，估计出激光光点的中心，得到激光光点的坐标信息。
优选地，所述步骤2通过激光光点、摄像头与激光器本身构成的三角形来计算。
所述激光光点到激光器距离由如下公式求得：
q＝fs/x
M＝q/sin(β)
其中β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距，M是激光光点到激光器的距离,x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离。
所述距离x通过在摄像头画面中查找并计算激光光点中心位置的像素坐标来求得：
x＝PixelSize*px+offset
其中PixelSize是摄像头感光元件上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离的偏差量。
由以上技术方案可知，本发明成像原理主要是：将物体360度旋转，利用激光测距计算物体表面每部分到激光的距离，从而得到物体全局点云。与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
1、采用线性激光器，利用三角测距并转化光点坐标，具有距离、角度分辨率高，目标识别能力突出，速度快等突出优点。
2、使用本发明对物体3D建模后，可以从中提取特征点，进而提取特征线，并由此进行物体识别。
3、本发明仅采用线性激光器和普通的USB摄像头，成本低，可靠性高。在舵机转速为30o/s时，仅需12s就可以得到物体的全局点云，得到完整的物体3D模型；后期结合离群点检测、曲面重建等方式可以得到较为精确的3D模型。而舵机的转速是可以通过串口调节，因此本发明成像仪成像帧频高、实时性好。
4、本发明可以在扫描物体时，实时得到物体的点云信息，可以被其他应用所采用，具有良好的实用性及拓展性。
附图说明
图1是本发明的成像流程框图；
图2示意了三角测距原理；
图3示意了采用三角测距法的三维激光点坐标。
具体实施方式
为了更加清楚地描述本发明，以下结合具体的实施例和附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
参见图1，本发明3D物体点云成像方法，把待测物放到舵机上，通过串口向舵机发送命令，来控制舵机的转动方向和速度；成像过程主要包括捕获光点、计算光点到激光器的距离、转换为坐标点、旋转物体四个主要步骤。
步骤1、捕获光点：激光照射到物体表面后会产生反射现象，本发明需要从摄像头画面中捕获光点并计算出光点的坐标信息。
对于捕获光点，首先要识别并确定激光光点，排除干扰。在理想的情况下，可以通过求出画面中最亮点的方式获取光点。在出现日光灯的干扰下，需要额外判断临近像素的色彩，红色激光点的外围均为红色。为了排除干扰，本发明加装了滤光片，调整摄像头曝光时间和增加激光功率。
捕获光点后，本发明通过简单的线性插值/求质心的手段，估计出光点的中心，得到光点的坐标信息。
步骤2、激光测距：确定完光点的坐标后，需要计算光点到激光器的距离。随着待测物到激光器距离的不同，激光光点在摄像头画面中的位置亦有所不同。激光光点、摄像头与激光器本身构成一个三角形，如图2所示。在这个三角形中，激光光点与摄像头的距离，以及激光器在三角形中的角度，是已知的条件。通过摄像头画面中激光光点的位置，我们可以决定出摄像头位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形，并可计算出待测物到激光器的距离。
三角测距的原理如图2所示，β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距。在这些参数已知后，激光光点到激光器距离可由如下公式求得：
q＝fs/x (1)
d＝q/sin(β) (2)
其中x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件(如CMOS)上的成像到一侧边缘的距离。该距离可以通过在摄像头画面中查找并计算激光光点中心位置的像素坐标来求得，如公式(3)所示：
x＝PixelSize*px+offset (3)
其中PixelSize是摄像头感光元件上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离的偏差量。
步骤3、将光点距离转化为坐标点：计算出光点到激光器的距离后，需要转化为坐标点，才能将其绘制出来，其原理如图3所示。其中M是激光光点到激光器的距离，λ是激光器横向扫描角度，θ是激光器纵向扫描角度。则光点的坐标P(XM,YM,ZM)可以通过如下公式求得：
XM＝Mcosθcosλ (4)
YM＝Mcosθsinλ (5)
ZM＝Msinθ (6)
步骤4、物体的旋转：为了获取物体的全局点云信息，需要将物体旋转，返回步骤2计算光点到激光器的距离，直至将物体旋转到360度为止。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.3D物体点云成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、从摄像头画面中捕获激光光点，并计算出激光光点的坐标信息；
步骤2、计算激光光点到激光器的距离；
步骤3、将激光光点到激光器的距离转化为坐标点；
步骤4、将物体旋转，返回步骤2，直至将物体旋转到360度为止，以获取物体的全局点云信息。
2.根据权利要求1所述的3D物体点云成像方法，其特征在于，所述步骤1通过线性插值或求质心的手段，估计出激光光点的中心，得到激光光点的坐标信息。
3.根据权利要求1所述的3D物体点云成像方法，其特征在于，所述步骤2通过激光光点、摄像头与激光器本身构成的三角形来计算。
4.根据权利要求3所述的3D物体点云成像方法，其特征在于，所述激光光点到激光器距离由如下公式求得：
q＝fs/x
d＝q/sin(β)
其中β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距；x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离。
5.根据权利要求4所述的3D物体点云成像方法，其特征在于，所述距离x通过在摄像头画面中查找并计算激光光点中心位置的像素坐标来求得：
x＝PixelSize*px+offset
其中PixelSize是摄像头感光元件上单个像素感光单元的尺寸，offset是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离的偏差量。
6.根据权利要求1所述的3D物体点云成像方法，其特征在于，所述步骤3转换为坐标点采用如下公式：
XM＝Mcosθcosλ
YM＝Mcosθsinλ
ZM＝Msinθ
其中是M激光光点到激光器的距离，λ是激光器横向扫描角度，θ是激光器纵向扫描角度。
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