CN106500627B - 含有多个不同波长激光器的三维扫描方法及扫描仪 - Google Patents
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Abstract
一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，实现所述三维扫描方法的扫描仪包括位置固定的一个摄像头与至少两个激光投影器，所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知；所述三维扫描方法如下：根据摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面的激光轮廓线的2D图案识别获取高光中心二维线条，再根据三角法原理计算得出空间三维点云数据。以及提供一种实现所述含有多个不同波长激光器的三维扫描方法的扫描仪。本发明具有多个不同波长、适用性良好、增加单台扫描仪的复用性、提高性价比。
Description
技术领域
本发明涉及三维扫描技术，尤其是一种三维扫描方法及扫描仪。
背景技术
近年来出现的手持激光三维扫描仪、激光三维轮廓传感器等三维测量仪器的原理均是采用激光和摄像头的组合根据三角测量法获得物体表面三维数据，这种测量原理的应用越来越广泛，已然成为高精度三维测量领域的主要测量方法之一，被广泛应用在机械、汽车、航空、雕塑、医疗等行业。
这种基于激光和摄像头的三维测量方法中激光波段常见的有405nm的紫色激光、450nm的蓝色激光、532nm的绿色激光、650nm的红色激光等，不同波段的激光对三维扫描效果的影响也并不一样。比如红色激光的散斑现象比较明显从而影响扫描的精度，但红色激光比较稳定且对人眼相对安全；相比之下，蓝色激光的散斑现象并不明显，摄像头识别的精度较高，从而可以获得很好的扫描结果，但蓝色激光对人眼有伤害，需要佩戴护目镜，限制了其三维扫描的应用场合。因此，如何选择合适波段的激光器同时满足不同三维扫描场合的需求是一件很棘手的事情。
发明内容
为了克服已有手持激光三维扫描仪的仅含有单一波长、适用性较差、成本较高的不足，本发明提供了一种具有多个不同波长、适用性良好、增加单台扫描仪的复用性、提高性价比的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法及扫描仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，实现所述三维扫描方法的扫描仪包括位置固定的一个摄像头与至少两个激光投影器，所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知；所述三维扫描方法如下：
根据摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面的激光轮廓线的2D图案识别获取高光中心二维线条，再根据三角法原理计算得出空间三维点云数据。
进一步，利用一个额外的位置关系已知的摄像头与原先的摄像头组成双目立体相机来捕捉视野中的特征点来获得相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
或者是：利用带位置信号的流水线或直线滑台、带角度信号的旋转平台上放置被扫描物体而直接得到扫描仪与被扫描物体相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
再进一步，所述三维扫描方法包括以下步骤：
1)事先标定摄像头分别在不同波长的相机内参和畸变系数；
2)事先分别标定至少两个激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置；
3)扫描前，根据现场的精度和扫描面幅的需求选择对应波段激光投影器进行扫描，根据设定选择对应波长下的摄像头标定内参及畸变系数并输出给2D图像激光轮廓线提取器和3D构造器；根据设定选择对应波长的激光器与摄像头的位置参数并输出给3D构造器；
4)扫描时，摄像头将捕捉的物体表面激光轮廓图像输入到2D图像激光轮廓线提取器中，2D图像激光轮廓线提取器根据所选择的当前波段的摄像头内参和畸变系数对所述二维图像进行畸变矫正，并根据像素灰度差异提取矫正图像中线条轮廓的连通区域，再根据所述连通区域内的灰度重心计算获得亚像素级的高光中心二维线条集合；得到的二维线条集合被输出到3D构造器中，根据所选择的当前波段的摄像头内参、畸变系数和选择的当前工作激光与摄像头的位置标定参数，通过三角法原理得到三维轮廓点云数据并输出。
所述步骤1)中，摄像头的标定方法采用张正友标定法获得摄像头的焦距、中心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。
所述步骤2)中，激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置的具体标定方法利用表面具有已知特征的平板作为标定板，摄像头拍摄投射到标定板上的线状激光获得一幅二维的激光线图像，再利用仿射变换原理将二维图像中的标定板“拉伸”为三维坐标中真实的尺寸，同时得到摄像头坐标系下的三维激光轮廓线；将扫描仪相对于标定板变换多个距离便得到多条摄像头坐标系下三维激光轮廓线，将这些三维轮廓线的点云拟合出的摄像头坐标系下的平面方程即为该激光器所投射的光面与摄像头之间的空间位置标定参数。
一种含有多个不同波长激光器的三维扫描仪，所述扫描仪包括至少两个激光投影器、至少一个用于拍摄投射到被检测物体表面激光图案的摄像头和一个连接摄像头进行图像识别及三维重建的计算处理单元；所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知，所述摄像头的输出端与所述计算处理单元连接，所述的计算处理单元包括2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器、用于选择标定摄像头在选定波长的内参和畸变系数的第一波段切换判断器和用于选择其中一个激光投影器所投影的光面与摄像头之间的空间位置的第二波段切换判断器、所述摄像头的输出端与所述2D图像激光轮廓线提取器连接，所述2D图像激光轮廓线提取器与所述3D构造器，所述第一波段切换判断器分别与所述2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器连接，所述第二波段切换判断器分别与所述3D构造器连接。
进一步，所述激光投影器和摄像头的触发端均与用于选择性触发所述相同波长的一只或者多只激光投影器与摄像头同步工作的同步触发单元连接。
再进一步，所述摄像头上安装多带通滤光片，所述的滤光片的带通波段与所述的至少两个激光投影器的至少两种波长对应。
更进一步，至少两个不同波长的激光投影器包括蓝色波段的激光投影器和红色波段的激光投影器。
本发明的技术构思为：将波段较短的激光和波段较长的激光同时安装在一台扫描仪中，由于不同波段的光线通过两种介质的折射率存在差异，固定焦距和光圈的摄像头对不同波段光线的焦点不同，拍摄反射较短波段光线的被摄物体的焦点比反射波长较长光线的被摄物体的焦点更靠近摄像头。以红色和蓝色两种波段为例，为得到正确的对焦，蓝色物体要比红色物体更靠近摄像头，而在摄像头分辨率不变的情况下，拍摄更近的物体意味着将更小的局部投影在相同面积的感光元器件上，即拍摄的蓝色物体的幅面较小，但分辨率较高，而拍摄的红色物体的幅面较大，但分辨率较低。另外，由于激光是单色光，其照到物体表面反射时会出现干涉出现象，摄像头捕捉到的被摄物体表面的激光轮廓线上便会出现不均匀分布的颗粒状光点，即为激光散斑。波段较短的激光的散斑现象要比波段较长的激光弱，摄像头捕捉到的被摄物体表面的激光轮廓线也就更为锐利，更有利于获得表面的细节。
本发明的有益效果主要表现在：与传统只含有的单一波长激光的三维扫描仪相比，既能应用在高精度测量场合，又可以在普通的三维扫描场合高效安全的使用，可以大大增加单台扫描仪的复用性，提高其性价比。
附图说明
图1是含有多个不同波长激光器的三维扫描仪的原理图。
图2是同步触发单元的内部工作原理示意图。
图3是计算处理单元的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图1～图3，一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，实现所述三维扫描方法的扫描仪包括位置固定的一个摄像头与至少两个激光投影器，所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知；所述三维扫描方法如下：
根据摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面的激光轮廓线的2D图案识别获取高光中心二维线条，再根据三角法原理计算得出空间三维点云数据。
进一步，利用一个额外的位置关系已知的摄像头与原先的摄像头组成双目立体相机来捕捉视野中的特征点来获得相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
或者是：利用带位置信号的流水线或直线滑台、带角度信号的旋转平台上放置被扫描物体而直接得到扫描仪与被扫描物体相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
再进一步，所述三维扫描方法包括以下步骤：
1)事先标定摄像头分别在不同波长的相机内参和畸变系数；
2)事先分别标定至少两个激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置；
3)扫描前，根据现场的精度和扫描面幅的需求选择对应波段激光投影器进行扫描，根据设定选择对应波长下的摄像头标定内参及畸变系数并输出给2D图像激光轮廓线提取器和3D构造器；根据设定选择对应波长的激光器与摄像头的位置参数并输出给3D构造器；
4)扫描时，摄像头将捕捉的物体表面激光轮廓图像输入到2D图像激光轮廓线提取器中，2D图像激光轮廓线提取器根据所选择的当前波段的摄像头内参和畸变系数对所述二维图像进行畸变矫正，并根据像素灰度差异提取矫正图像中线条轮廓的连通区域，再根据所述连通区域内的灰度重心计算获得亚像素级的高光中心二维线条集合；得到的二维线条集合被输出到3D构造器中，根据所选择的当前波段的摄像头内参、畸变系数和选择的当前工作激光与摄像头的位置标定参数，通过三角法原理得到三维轮廓点云数据并输出。
所述步骤1)中，摄像头的标定方法采用张正友标定法获得摄像头的焦距、中心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。
所述步骤2)中，激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置的具体标定方法利用表面具有已知特征的平板作为标定板，摄像头拍摄投射到标定板上的线状激光获得一幅二维的激光线图像，再利用仿射变换原理将二维图像中的标定板“拉伸”为三维坐标中真实的尺寸，同时得到摄像头坐标系下的三维激光轮廓线；将扫描仪相对于标定板变换多个距离便得到多条摄像头坐标系下三维激光轮廓线，将这些三维轮廓线的点云拟合出的摄像头坐标系下的平面方程即为该激光器所投射的光面与摄像头之间的空间位置标定参数。
以一个摄像头与红色波段和蓝色波段两个的线状激光投影器为例来具体阐述本方案获得物体表面三维轮廓数据的实现原理。如图1所示，波段1激光投影器为红色线状激光器，波段2激光投影器为蓝色线状激光器；同步触发单元同时连接一个摄像头的外触发接口以及两个激光投影器的驱动控制接口并对摄像头和当前工作波段的激光投影器进行同步触发；摄像头实时捕捉的图像发送给计算处理单元进行立体视觉三维重建计算并输出最终的三维点云。具体实现方式如图3所示，步骤如下：
步骤1.事先标定摄像头分别在波长1和波长2(波长1和波长2分别为1号激光器和2号激光器的波长)的相机内参和畸变系数，并保存在系统的计算处理单元中。摄像头的标定方法可以采用目前广泛采用的张正友标定法获得摄像头的焦距、中心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。
步骤2.事先分别标定1号激光器和2号激光器所投射的光面与摄像头之间的空间位置，并将标定好的1号及2号激光标定参数保存在系统的计算处理单元中。激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置的具体标定方法可以优选利用表面具有已知特征的平板作为标定板，摄像头拍摄投射到标定板上的线状激光获得一幅二维的激光线图像，再利用仿射变换原理将二维图像中的标定板“拉伸”为三维坐标中真实的尺寸，同时得到摄像头坐标系下的三维激光轮廓线。将扫描仪相对于标定板变换多个距离便可得到多条摄像头坐标系下三维激光轮廓线，将这些三维轮廓线的点云拟合出的摄像头坐标系下的平面方程即为该激光器所投射的光面与摄像头之间的空间位置标定参数。
步骤3.扫描前，根据现场的精度和扫描面幅的需求选择红色波段或者蓝光波段进行扫描，并记录在波段切换判断器中。第一波段切换判断器根据设定选择对应波长下的摄像头标定内参及畸变系数并输出给2D图像激光轮廓线提取器和3D构造器；第二波段切换判断器根据设定选择对应波长的激光器与摄像头的位置参数并输出给3D构造器。
步骤4.扫描时，摄像头将捕捉的物体表面激光轮廓图像输入到计算处理单元的2D图像激光轮廓线提取器中，2D图像激光轮廓线提取器根据第一波段切换判断器所选择的当前波段的摄像头内参和畸变系数对所述二维图像进行畸变矫正，并根据像素灰度差异提取矫正图像中线条轮廓的连通区域，再根据所述连通区域内的灰度重心计算获得亚像素级的高光中心二维线条集合。得到的二维线条集合被输出到3D构造器中，根据第一波段切换判断器所选择的当前波段的摄像头内参、畸变系数和第二波段切换判断器选择的当前工作激光与摄像头的位置标定参数，通过三角法原理得到三维轮廓点云数据并输出。
实施例2
参照图1～图3，一种含有多个不同波长激光器的三维扫描仪，所述扫描仪包括至少两个激光投影器、至少一个用于拍摄投射到被检测物体表面激光图案的摄像头和一个连接摄像头进行图像识别及三维重建的计算处理单元；所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知，所述摄像头的输出端与所述计算处理单元连接，所述的计算处理单元包括2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器、用于选择标定摄像头在选定波长的内参和畸变系数的第一波段切换判断器和用于选择其中一个激光投影器所投影的光面与摄像头之间的空间位置的第二波段切换判断器、所述摄像头的输出端与所述2D图像激光轮廓线提取器连接，所述2D图像激光轮廓线提取器与所述3D构造器，所述第一波段切换判断器分别与所述2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器连接，所述第二波段切换判断器分别与所述3D构造器连接。
进一步，所述激光投影器和摄像头的触发端均与用于选择性触发所述相同波长的一只或者多只激光投影器与摄像头同步工作的同步触发单元连接。
再进一步，所述摄像头上安装多带通滤光片，所述的滤光片的带通波段与所述的至少两个激光投影器的至少两种波长对应。
更进一步，至少两个不同波长的激光投影器包括蓝色波段的激光投影器和红色波段的激光投影器。
以配备红蓝两种波段线状激光投影器的三维扫描仪为例来对本发明的系统及原理进行阐述。本发明的工作原理如图1所示，波段1激光投影器为红色线状激光器，波段2激光投影器为蓝色线状激光器；同步触发单元同时连接一个或两个摄像头的外触发接口以及两个激光投影器的驱动接口并对摄像头及一个当前工作波段的激光投影器进行同步触发；摄像头实时捕捉的图像发送给计算处理单元进行立体视觉三维重建计算并输出最终的三维点云。
所述的同步触发单元内部可以由微控制单元MCU控制工作节拍，并将同步控制信号通过隔离器件OC输出到功率器件MOS来最终控制激光投影器LASER1/LASER2和摄像头CAMERA的同步工作。MCU的固件根据用户的选择来确定在某一时刻是同步触发波段1红光的LASER1和CAMERA1(及CAMERA2)同步工作还是波段2蓝光的LASER2和CAMERA1(及CAMERA2)同步工作。
当然，如果进行连续扫描，则MCU根据设定的帧率来循环同步触发激光和摄像头，摄像头连续将捕捉的图片输入计算处理单元进行三维立体视觉三维重建计算，最后持续输出三维点云数据。
Claims (9)
1.一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，其特征在于：实现所述三维扫描方法的扫描仪包括位置固定的一个摄像头与至少两个激光投影器，所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知；所述三维扫描方法如下：
根据摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面的激光轮廓线的2D图案识别获取高光中心二维线条，再根据三角法原理计算得出空间三维点云数据；
所述三维扫描方法包括以下步骤：
1)事先标定摄像头分别在不同波长的相机内参和畸变系数；
2)事先分别标定至少两个激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置；
3)扫描前，根据现场的精度和扫描面幅的需求选择对应波段激光投影器进行扫描，根据设定选择对应波长下的摄像头标定内参及畸变系数并输出给2D图像激光轮廓线提取器和3D构造器；根据设定选择对应波长的激光器与摄像头的位置参数并输出给3D构造器；
4)扫描时，摄像头将捕捉的物体表面激光轮廓图像输入到2D图像激光轮廓线提取器中，2D图像激光轮廓线提取器根据所选择的当前波段的摄像头内参和畸变系数对所述二维图像进行畸变矫正，并根据像素灰度差异提取矫正图像中线条轮廓的连通区域，再根据所述连通区域内的灰度重心计算获得亚像素级的高光中心二维线条集合；得到的二维线条集合被输出到3D构造器中，根据所选择的当前波段的摄像头内参、畸变系数和选择的当前工作激光与摄像头的位置标定参数，通过三角法原理得到三维轮廓点云数据并输出。
2.如权利要求1所述的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，其特征在于：利用一个额外的位置关系已知的摄像头与原先的摄像头组成双目立体相机来捕捉视野中的特征点来获得相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
3.如权利要求1所述的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，其特征在于：利用带位置信号的流水线或直线滑台、带角度信号的旋转平台上放置被扫描物体而直接得到扫描仪与被扫描物体相对位置的变化信息，再利用摄像头捕捉前后帧时的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点云数据拼接在一个坐标系下，获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据，实现连续扫描。
4.如权利要求1所述的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，其特征在于：所述步骤1)中，摄像头的标定方法采用张正友标定法获得摄像头的焦距、中心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。
5.如权利要求1所述的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法，其特征在于：所述步骤2)中，激光投影器所投射的光面与摄像头之间的空间位置的具体标定方法利用表面具有已知特征的平板作为标定板，摄像头拍摄投射到标定板上的线状激光获得一幅二维的激光线图像，再利用仿射变换原理将二维图像中的标定板“拉伸”为三维坐标中真实的尺寸，同时得到摄像头坐标系下的三维激光轮廓线；将扫描仪相对于标定板变换多个距离便得到多条摄像头坐标系下三维激光轮廓线，将这些三维轮廓线的点云拟合出的摄像头坐标系下的平面方程即为该激光器所投射的光面与摄像头之间的空间位置标定参数。
6.一种实现如权利要求1所述的含有多个不同波长激光器的三维扫描方法的扫描仪，其特征在于：所述扫描仪包括至少两个激光投影器、至少一个用于拍摄投射到被检测物体表面激光图案的摄像头和一个连接摄像头进行图像识别及三维重建的计算处理单元；所述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波长，激光投影器所投射的光幕的空间位置与摄像头的位置关系均标定已知，所述摄像头的输出端与所述计算处理单元连接，所述的计算处理单元包括2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器、用于选择标定摄像头在选定波长的内参和畸变系数的第一波段切换判断器和用于选择其中一个激光投影器所投影的光面与摄像头之间的空间位置的第二波段切换判断器、所述摄像头的输出端与所述2D图像激光轮廓线提取器连接，所述2D图像激光轮廓线提取器与所述3D构造器，所述第一波段切换判断器分别与所述2D图像激光轮廓线提取器、3D构造器连接，所述第二波段切换判断器分别与所述3D构造器连接。
7.如权利要求6所述的扫描仪，其特征在于：所述激光投影器和摄像头的触发端均与用于选择性触发相同波长的一只或者多只激光投影器与摄像头同步工作的同步触发单元连接。
8.如权利要求6或7所述的扫描仪，其特征在于：所述摄像头上安装多带通滤光片，所述的滤光片的带通波段与所述的至少两个激光投影器的至少两种波长对应。
9.如权利要求6或7所述的扫描仪，其特征在于：至少两个不同波长的激光投影器包括蓝色波段的激光投影器和红色波段的激光投影器。
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