CN106197307A - 一种结构光三维扫描测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光三维扫描测量装置与方法，其中，该装置包括光学投射器，光学投射器设置于下述投射框架上，光学投射器可输出投射光，光学投射器的出光方向正对下述反射镜的反射面，光学投射器的出光方向固定；反射镜，反射镜设置于下述投射框架上，反射镜包括一反射面，光学投射器的投射光斜交于反射镜的反射面，反射镜的反射面将光学投射器的投射光反射到测量目标的表面；投射框架，投射框架设置于测量目标远处，投射框架上固定连接光学投射器与反射镜，投射框架到测量目标的距离已知；测量目标，测量目标接收反射镜反射的投射光并进行漫反射。

Description

一种结构光三维扫描测量装置与方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术，特别地，涉及一种结构光三维扫描测量装置与方法。

背景技术

现有技术中的结构光三维视觉测量技术，是指在双目立体视觉测量中，以光学投射器取代其中一个相机，而光学投射器产生一定的光模式，如光平面、十字光平面、网格状光束等，对场景对象的空间位置进行约束，这样得到场景对象上选定点位的三维坐标。

常规的结构光，例如网格点阵、光栅、投影线等，由于投射能量无法根据成像距离及范围大小的变化，进行有效调节，导致结构光难以有效应用于长距离室内或室外环境中。一般的投影线长度，主要是通过机械性的更换不同瞳距玻璃滤片来实现调节。这样一方面更换滤光片的操作麻烦，不能实现根据场景需要的连续调节；另一方面，虽然这样也能做到调节投影线长度的效果，但在投影线缩短的时候，很多投射能量就以遮挡方式而被无效损耗了，不能起到增强成像能力的效果。

针对现有技术中投影线长度不能连续调节与投射能量无效损耗的问题，目前尚未有有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术中投影线长度不能连续调节与投射能量无效损耗的问题，本发明的目的在于提出一种结构光三维扫描测量装置与方法，能够根据场景需要对投影线长度进行连续调节，无需多次更换滤光片；同时不再使投射能量在调节投影线长度时产生损耗，增强了成像能力。

基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种结构光三维扫描测量装置，包括：

光学投射器，光学投射器设置于下述投射框架上，光学投射器可输出投射光，光学投射器的出光方向正对下述反射镜的反射面，光学投射器的出光方向固定；

反射镜，反射镜设置于下述投射框架上，反射镜包括一反射面，光学投射器的投射光斜交于反射镜的反射面，反射镜的反射面将光学投射器的投射光反射到测量目标的表面；

投射框架，投射框架设置于测量目标远处，投射框架上固定连接光学投射器与反射镜，投射框架到测量目标的距离已知；

测量目标，测量目标接收反射镜反射的投射光并进行漫反射；

光接收器，光接收器设置于测量目标远处，光接收器与投射框架之间具有一定距离，光接收器采集测量目标上的投射光，并将投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置；

三维点云提取装置，三维点云提取装置从光接收器采集的投射光的形态信号，三维点云提取装置从投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出测量目标的三维形貌。

其中，反射镜固定于投射框架上，反射镜的反射面可进行小范围转动，反射镜的反射面可通过小范围转动使光学投射器的投射光在投射框架表面形成投影线。

并且，反射镜还包括一振动器；反射镜的反射面可相对于投射框架进行小范围转动，为反射镜的振动器可控制反射镜的反射面以反射面垂直于光学投射器出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，小范围简谐振动的幅度与频率都可以被反射镜的振动器调节，反射镜的振动器可通过调节小范围简谐振动的幅度与频率来调节投射框架表面的投影线长度。

其中，设置投射框架与光接收器到测量目标的距离应小于等于100米。

其中，光学投射器输出的投射光为点光源。

上述光接收器采集测量目标上的投射光，并将投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置、与三维点云提取装置从投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出测量目标的三维形貌包括：

标定光接收器，并构建光接收器采集过程中稳定不变的局部三维坐标系；

光接收器对测量目标的投影线进行连续同步成像，并获取序列立体图像；

从序列立体图像中提取目标表面的投影线三维点云；

在连续同步成像完成之后，将序列立体图像获得的投影线三维点云进行拼接，并构建目标的三维形貌。

根据本发明的另一个方面，提供了一种结构光三维扫描测量方法，包括：

分析测量目标，架设投射框架与光接收器，并在投射框架上安装光学投射器与反射镜；

对光接收器进行调焦标定，并确定测量坐标系；

调节光学投射器的发射角与反射镜的振动器的工作参数；

在光学投射器发出的投射光扫描待测目标时，同步触发光接收器连续采集立体图像；

从立体图像的投影线中提取三维点云；

使用立体图像的投影线将三维点云拼接拟合为目标三维形貌。

其中，反射镜固定于投射框架上，反射镜的反射面可进行小范围转动，反射镜的反射面可通过小范围转动使光学投射器的投射光在投射框架表面形成投影线。

其中，反射镜还包括一振动器；反射镜的反射面可相对于投射框架进行小范围转动，为反射镜的振动器可控制反射镜的反射面以反射面垂直于光学投射器出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，小范围简谐振动的幅度与频率都可以被反射镜的振动器调节，反射镜的振动器可通过调节小范围简谐振动的幅度与频率来调节投射框架表面的投影线长度。

从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案通过使用将光学投射器与反射镜固定在投射框架上、并且反射镜的反射面可受控转动的技术手段，以控制反射镜代替传统的滤光片，达到了连续调节的效果，且无需在调节过程中反复人工更换，提高了工作效率；同时，受控转动将有限的投射光能集中到了可见的投影线上，不会因为遮挡效果而产生能量损失，提高了投影线的强度，降低了对光接收器的器件灵敏度要求，降低了软硬成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种结构光三维扫描测量装置的结构图；

图2为根据本发明实施例的一种结构光三维扫描测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步进行清楚、完整、详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种结构光三维扫描测量装置。

如图1所示，根据本发明实施例提供的结构光三维扫描测量装置包括：

光学投射器1，光学投射器1设置于下述投射框架3上，光学投射器1可输出投射光，光学投射器1的出光方向正对下述反射镜2的反射面，光学投射器1的出光方向固定；

反射镜2，反射镜2设置于下述投射框架3上，反射镜2包括一反射面，光学投射器1的投射光斜交于反射镜2的反射面，反射镜2的反射面将光学投射器1的投射光反射到测量目标4的表面；

投射框架3，投射框架3设置于测量目标4远处，投射框架3上固定连接光学投射器1与反射镜2，投射框架3到测量目标4的距离已知；

测量目标4，测量目标4接收反射镜2反射的投射光并进行漫反射；

光接收器(未示出)，光接收器(未示出)设置于测量目标4远处，光接收器(未示出)与投射框架3之间具有一定距离，光接收器(未示出)采集测量目标4上的投射光，并将投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置(未示出)；

三维点云提取装置(未示出)，三维点云提取装置(未示出)从光接收器(未示出)采集的投射光的形态信号，三维点云提取装置(未示出)从投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出测量目标4的三维形貌。

其中，反射镜2固定于投射框架3上，反射镜2的反射面可进行小范围转动，反射镜2的反射面可通过小范围转动使光学投射器1的投射光在投射框架3表面形成投影线。

并且，反射镜2还包括一振动器；反射镜2的反射面可相对于投射框架3进行小范围转动，为反射镜2的振动器可控制反射镜2的反射面以反射面垂直于光学投射器1出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，小范围简谐振动的幅度与频率都可以被反射镜2的振动器调节，反射镜2的振动器可通过调节小范围简谐振动的幅度与频率来调节投射框架3表面的投影线长度。

在光学投射器1的投射光复摆动基础上，投射在测量目标4表面光点高速移动，由于视觉暂留的效果可形成投影线，投影线即图1中测量目标4表面所示的正弦曲线；只要摆动速度足够快，在有限的光接收器(未示出)的光收集时间内也完全可以形成投影线。而且，反射镜2的振动器可以通过对摆动角度幅度的调整，有效控制在测量目标4表面的投影线长度。

在投射框架3到测量目标4的距离不变的情况下，可获得不同长度的投影线；同时，在反射镜2的反射面的摆动速度不变和较小往复角度情况下，单位长度上激光投射能量也可以成比例增加。

其中，设置投射框架3与光接收器(未示出)到测量目标4的距离应小于等于100米。可变投射角与光接收器(未示出)相配合的系统装置，可显著增强结构光在较远距离及室外环境下的有效工作能力，摆脱了一般仅室内可用及最多不超过3米距离的结构光条件限制，室内外条件下均可稳定投影成像，有效距离可达80米甚至更远。在过远的情况下，如超出100米时，受反射镜2的振动器的精密度限制，其投影线会发生扭曲，产生测量误差。

其中，光学投射器1输出的投射光为点光源。

上述光接收器(未示出)采集测量目标4上的投射光，并将投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置(未示出)、与三维点云提取装置(未示出)从投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出测量目标4的三维形貌包括：

标定光接收器(未示出)，并构建光接收器(未示出)采集过程中稳定不变的局部三维坐标系；

光接收器(未示出)对测量目标4的投影线进行连续同步成像，并获取序列立体图像；

从序列立体图像中提取目标表面的投影线三维点云；

在连续同步成像完成之后，将序列立体图像获得的投影线三维点云进行拼接，并构建目标的三维形貌。

根据本发明的实施例，又提供了一种结构光三维扫描测量方法。

如图2所示，根据本发明的实施例提供的一种结构光三维扫描测量方法，包括：

步骤S201，分析测量目标，架设投射框架与光接收器，并在投射框架上安装光学投射器与反射镜；

步骤S203，对光接收器进行调焦标定，并确定测量坐标系；

步骤S205，调节光学投射器的发射角与反射镜的振动器的工作参数；

步骤S207，在光学投射器发出的投射光扫描待测目标时，同步触发光接收器连续采集立体图像；

步骤S209，从立体图像的投影线中提取三维点云；

步骤S211，使用立体图像的投影线将三维点云拼接拟合为目标三维形貌。

其中，反射镜固定于投射框架上，反射镜的反射面可进行小范围转动，反射镜的反射面可通过小范围转动使光学投射器的投射光在投射框架表面形成投影线。

其中，反射镜还包括一振动器；反射镜的反射面可相对于投射框架进行小范围转动，为反射镜的振动器可控制反射镜的反射面以反射面垂直于光学投射器出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，小范围简谐振动的幅度与频率都可以被反射镜的振动器调节，反射镜的振动器可通过调节小范围简谐振动的幅度与频率来调节投射框架表面的投影线长度。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过使用将光学投射器与反射镜固定在投射框架上、并且反射镜的反射面可受控转动的技术手段，以控制反射镜代替传统的滤光片，达到了连续调节的效果，且无需在调节过程中反复人工更换，提高了工作效率；同时，受控转动将有限的投射光能集中到了可见的投影线上，不会因为遮挡效果而产生能量损失，提高了投影线的强度，降低了对光接收器的器件灵敏度要求，降低了软硬成本。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，包括：

光学投射器，所述光学投射器设置于下述投射框架上，所述光学投射器可输出投射光，所述光学投射器的出光方向正对下述反射镜的反射面，所述光学投射器的出光方向固定；

反射镜，所述反射镜设置于下述投射框架上，所述反射镜包括一反射面，所述光学投射器的投射光斜交于所述反射镜的反射面，所述反射镜的反射面将所述光学投射器的投射光反射到所述测量目标的表面；

投射框架，所述投射框架设置于测量目标远处，所述投射框架上固定连接所述光学投射器与反射镜，所述投射框架到所述测量目标的距离已知；

测量目标，所述测量目标接收所述反射镜反射的投射光并进行漫反射；

光接收器，所述光接收器设置于测量目标远处，所述光接收器与所述投射框架之间具有一定距离，所述光接收器采集所述测量目标上的投射光，并将所述投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置；

三维点云提取装置，所述三维点云提取装置从所述光接收器采集的投射光的形态信号，所述三维点云提取装置从所述投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出所述测量目标的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，所述反射镜固定于所述投射框架上，所述反射镜的反射面可进行小范围转动，所述反射镜的反射面可通过所述小范围转动使所述光学投射器的投射光在所述投射框架表面形成投影线。

3.根据权利要求2所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，所述反射镜还包括一振动器；所述反射镜的反射面可相对于所述投射框架进行小范围转动，为所述反射镜的振动器可控制所述反射镜的反射面以反射面垂直于所述光学投射器出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，所述小范围简谐振动的幅度与频率都可以被所述反射镜的振动器调节，所述反射镜的振动器可通过调节所述小范围简谐振动的幅度与频率来调节所述投射框架表面的投影线长度。

4.根据权利要求1中所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，设置所述投射框架与所述光接收器到测量目标的距离应小于等于100米。

5.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，所述光学投射器输出的投射光为点光源。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，所述光接收器采集所述测量目标上的投射光，并将所述投射光的形态信号传送给下述三维点云提取装置、与所述三维点云提取装置从所述投射光的形态信号中提取三维点云，并拼接拟合出所述测量目标的三维形貌包括：

标定所述光接收器，并构建所述光接收器采集过程中稳定不变的局部三维坐标系；

所述光接收器对所述测量目标的投影线进行连续同步成像，并获取序列立体图像；

从所述序列立体图像中提取目标表面的投影线三维点云；

在所述连续同步成像完成之后，将序列立体图像获得的投影线三维点云进行拼接，并构建目标的三维形貌。

7.一种结构光三维扫描测量方法，其特征在于，包括：

分析测量目标，架设投射框架与光接收器，并在所述投射框架上安装光学投射器与反射镜；

对所述光接收器进行调焦标定，并确定测量坐标系；

调节所述光学投射器的发射角与所述反射镜的振动器的工作参数；

在所述光学投射器发出的投射光扫描待测目标时，同步触发所述光接收器连续采集立体图像；

从所述立体图像的投影线中提取三维点云；

使用所述立体图像的投影线将所述三维点云拼接拟合为目标三维形貌。

8.根据权利要求7所述的一种结构光三维扫描测量方法，其特征在于，所述反射镜固定于所述投射框架上，所述反射镜的反射面可进行小范围转动，所述反射镜的反射面可通过所述小范围转动使所述光学投射器的投射光在所述投射框架表面形成投影线。

9.根据权利要求8所述的一种结构光三维扫描测量装置，其特征在于，所述反射镜还包括一振动器；所述反射镜的反射面可相对于所述投射框架进行小范围转动，为所述反射镜的振动器可控制所述反射镜的反射面以反射面垂直于所述光学投射器出光方向的中线为轴进行小范围简谐振动，所述小范围简谐振动的幅度与频率都可以被所述反射镜的振动器调节，所述反射镜的振动器可通过调节所述小范围简谐振动的幅度与频率来调节所述投射框架表面的投影线长度。