CN106524943A - 一种双旋转激光的三维重构装置及方法 - Google Patents

一种双旋转激光的三维重构装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双旋转激光的三维重构装置及方法；包括两个齿轮减速装置、用于驱动两个齿轮减速装置转动的两个组步进电机、左右线结构光投射器、摄像机等；左右线结构光投射器分别安装在这两个齿轮减速装置的齿轮上，当步进电机带动齿轮减速装置旋转时，左和/或右线结构光投射器跟随其360°旋转，以对被测物体进行扫描；左右线结构光对目标物体进行扫描以获取目标物体的点云数据，将左右线结构光分别照射于标定板上，获取相机坐标系左右线结构光的光平面方程，通过计算激光旋转角度将扫描目标物体投射在物体上的亮斑转换为三维相机坐标，将左右激光扫描所得的三维相机坐标统一到同一坐标系得到最后的点云数据。

Description

一种双旋转激光的三维重构装置及方法
技术领域
本发明涉及三维重构装置，尤其涉及一种双旋转激光的三维重构装置及方法。
背景技术
线结构光三维视觉传感器具有的一些特点，如测量精度高、非接触、大量程和快速等，使得该技术在工业领域、三维重建和逆向工程等领域已得到广泛的应用。
目前已有的一些线结构光视觉传感器的标定方法，由于立体标定靶的制造精度并不容易保证，这些方法在实际使用中得到的标定结果会很大程度上受到影响。目前应用得较多的基于平面标定靶的线结构光标定方法中，周富强等人提出的线结构光视觉传感器的标定方法就是其中的优秀代表，该方法运用交比不变性求取出线结构光与平面标定板的交点坐标，再利用平面标定板上的角点计算出标定板所定义的坐标系到摄像机坐标系的刚体运动参数，然后把线结构光与标定板的交点坐标转化到摄像机坐标系，如此重复多次而得到若干个光平面上的点在摄像机坐标系下的三维坐标，于是便可以求取出光平面在摄像机坐标系下的空间平面参数。
在通过激光扫描目标物体的过程中，大多数装置是固定住激光，让目标物体匀速朝着某一方向运动以完成整个扫描过程，这样的装置就需要一个运动平台来放置物体，增加了整个视觉系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种构造简单、灵活轻巧、操作简便的双旋转激光的三维重构装置及方法。克服了现有三维重构装置扫描覆盖范围有限的缺点。本装置具有简单直接，实际中易于安装使用，且精度较高，能够满足不同视场的线结构光的标定和获取完整点云数据的需求。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双旋转激光的三维重构装置，包括用于放置被测物体2的基座11、设置在基座11一侧的支撑杆1、两个齿轮减速装置7、用于驱动两个齿轮减速装置7转动的两个组步进电机6、左线结构光投射器4、右线结构光投射器5、摄像机3；
所述支撑杆1轴向套设有两个滑套，分为第一滑块8和第二滑块81；
所述两个齿轮减速装置7分别安装在横杆10的两端，所述横杆10的中部固定在第一滑块8上；所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5分别安装在这两个齿轮减速装置7的齿轮上，当步进电机6带动齿轮减速装置7旋转时，左线结构光投射器4和/或右线结构光投射器5跟随其360°旋转，以对被测物体2进行扫描；
所述摄像机3通过一夹臂9安装在第二滑块81上。
所述第一滑块8和第二滑块81在支撑杆1上的移动位置，可独立调节。
所述齿轮减速装置7包括小齿轮12和与其啮合的大齿轮13；所述小齿轮12安装在步进电机6的转轴上，大齿轮13通过轴承安装在横杆10上；
所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5分别安装在各自的大齿轮13上。
所述小齿轮12与大齿轮13的转动圈数为1:2或者1:3。
所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5的轴线与大齿轮13的轴线垂直。
所述夹臂9为一矩形夹持部，夹持部的一侧或者两侧分别安装有紧固螺栓，当摄像机3置于矩形夹持部内时，通过调节紧固螺栓使摄像机3固定在其内。
所述第一滑块8和第二滑块81上设有调节螺钉，通过调节螺钉可调节第一滑块8和第二滑块81在支撑杆1上的相对位置。
一种双旋转激光的三维重构方法，其包括如下步骤：
步骤(1)：对摄像机进行标定；
步骤(2)：将棋盘格标定板放置于摄像机视野内的合适位置，并且使左线结构光投射器的结构光投射于棋盘格上，摄像机采集图像，对采集到的图像进行畸变矫正，并在所获取的图像中提取结构光亮斑的中心；
步骤(3)：获取左线结构光光平面上一些不共线的直线段的长度，以及其端点在图像坐标系下的亚像素坐标，使用空间直线段成像几何关系求取出这些直线段各个端点在摄像机坐标系下的三维坐标；
步骤(4)：根据所获取的光平面上的一些不共线的三维坐标数据，通过最小二乘法求取出光平面在摄像机坐标系下的空间平面方程参数；
步骤(5)：重复步骤2至步骤4以获取右线结构光的空间平面方程参数；
步骤(6)：通过步进电机脉冲数及步进电机与左线结构光投射器之间的减速装置的减速比，计算出结构光旋转角度，进而求得空间中两个平面的夹角，再根据所得的空间平面方程，可得旋转后的空间平面方程，即当前的空间平面方程；
步骤(7)：获取左线结构光在物体上投射的亮斑的图像坐标，再根据当前的线结构光平面方程可计算出亮斑的三维相机坐标；
步骤(8)：重复步骤6、步骤7以获取右线结构光投射的亮斑的三维相机坐标；
步骤(9)：将左右线结构光所获得的三维坐标统一到同一坐标系得到最后的点云数据，完成三维重建。
上述步骤(3)的具体方法如下：
a.由于棋盘格的所有边是由相互垂直的两组平行线构成的，这两组平行线中的任一组均平分线结构光与标定板的交线为若干等份；通过图像处理分析获取若干段等长的直线段的长度及其各端点在图像上的亚像素坐标，这些直线段都共线且位于光平面上，标定板换一个放置位置，即可得到另一组等长且位于光平面上的直线段及其端点的像在图像上的亚像素坐标；
b.根据空间直线段的投影关系，即共线三点透视关系，首先计算出这些直线段各端点与摄像机光线的距离，然后即可得到这些端点在相机坐标系下的三维坐标。如下式所示，记B、C和D点在相机坐标系下的三维坐标为(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)和(xD，yD，zD)，可得如下关系式：
上述步骤(6)的具体方法如下：
a.根据旋转激光的旋转范围，分别得到线结构光的两个边界空间平面方程，由这两个平面方程可得旋转激光旋转轴的平面束方程，即两个边界平面方程分别为A1x+B1y+C1z+D1＝0和A2x+B2y+C2z+D2＝0，则过这两个平面交线(即旋转轴所在直线)的所有平面方程，即平面束方程为：
A1x+B1y+C1z+D1+λ(A2x+B2y+C2z+D2)＝0
即(A1+λA2)x+(B1+λB2)y+(C1+λC2)z+(D1+λD2)＝0
b.根据当前平面，即参数为A3＝A1+λA2，B3＝B1+λB2，C3＝C1+λC2，D3＝D1+λD2与边界平面，即参数为A1、B1、C1、D1的夹角Θ，由
可求得λ，进而可求得当前平面方程参数A3、B3、C3、D3。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明具有两个齿轮减速装置、用于驱动两个齿轮减速装置转动的两个组步进电机、左线结构光投射器、右线结构光投射器、摄像机；支撑杆轴向套设有两个滑套，分为第一滑块和第二滑块；两个齿轮减速装置分别安装在横杆的两端，所述横杆的中部固定在第一滑块上；摄像机通过一夹臂安装在第二滑块上。左线结构光投射器和右线结构光投射器分别安装在这两个齿轮减速装置的齿轮上，当步进电机带动齿轮减速装置旋转时，左线结构光投射器和/或右线结构光投射器跟随其360°旋转，以对被测物体进行扫描，使扫描的覆盖范围更为全面，提高了点云的完整性。
本发明所述装置通过将两个线结构光投射器分别安装在齿轮减速装置上，由步进电机驱动其旋转，并结合计算机视觉领域常见的棋盘格标定板，获取光平面上的直线段的长度及其端点的像在图片中的亚像素坐标，更加精确地完成线结构光平面的标定工作，以及双旋转激光的扫描方法使得本视觉系统安装更加轻便灵活，得到的物体点云数据轮廓更加完整。
本发明摄像机及线结构光投射器，通过第一滑块和第二滑块可随意调节上下距离。本发明两个线结构光投射器可分别独立旋转运动。通过步进电机脉冲数及步进电机与左线结构光投射器之间的减速装置的减速比，为技术人员精确计算出结构光旋转角度提供了客观基础。
本发明结构简单、轻巧安装灵活，具有简单直接，实际中易于安装使用，且精度较高等优点，满足了不同视场的线结构光的标定和获取完整点云数据的需求。
附图说明
图1为本发明空间直线段的成像关系示意图；图中A为CDD像平面。
图2为本发明双旋转激光的三维重构装置结构示意图。
图3为本发明双旋转激光的三维重构装置局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至3所示。本发明公开了一种双旋转激光的三维重构装置，包括用于放置被测物体2的基座11、设置在基座11一侧的支撑杆1、两个齿轮减速装置7、用于驱动两个齿轮减速装置7转动的两个组步进电机6、左线结构光投射器4、右线结构光投射器5、摄像机3；
所述支撑杆1轴向套设有两个滑套，分为第一滑块8和第二滑块81；
所述两个齿轮减速装置7分别安装在横杆10的两端，所述横杆10的中部固定在第一滑块8上；所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5分别安装在这两个齿轮减速装置7的齿轮上，当步进电机6带动齿轮减速装置7旋转时，左线结构光投射器4和/或右线结构光投射器5跟随其360°旋转，以对被测物体2进行扫描；
所述摄像机3通过一夹臂9安装在第二滑块81上。
所述第一滑块8和第二滑块81在支撑杆1上的移动位置，可独立调节。
所述齿轮减速装置7包括小齿轮12和与其啮合的大齿轮13；所述小齿轮12安装在步进电机6的转轴上，大齿轮13通过轴承安装在横杆10上；
所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5分别安装在各自的大齿轮13上。
所述小齿轮12与大齿轮13的转动圈数为1:2或者1:3。
所述左线结构光投射器4和右线结构光投射器5的轴线与大齿轮13的轴线垂直。
所述夹臂9为一矩形夹持部，夹持部的一侧或者两侧分别安装有紧固螺栓，当摄像机3置于矩形夹持部内时，通过调节紧固螺栓使摄像机3固定在其内。
所述第一滑块8和第二滑块81上设有调节螺钉，通过调节螺钉可调节第一滑块8和第二滑块81在支撑杆1上的相对位置。
本发明双旋转激光的三维重构方法，可通过如下步骤实现：
步骤(1)：对摄像机进行标定，将棋盘格标定板放置于摄像机视野内的合适位置，并且使左线结构光投射器的结构光投射于棋盘格上，摄像机采集图像，对采集到的图像进行畸变矫正，并在所获取的图像中提取结构光亮斑的中心。即求解摄像机(相机)的内参数和畸变参数，具体求解方法使用张正友标定法；将棋盘格平面标定靶在线结构光前摆放两次或者两次以上，使得线结构光光平面与棋盘格标定板平面所形成的的交线位于摄像机视野范围内，并分别采集图像，进行畸变矫正，然后提取亮斑图像的中心亚像素坐标。此时的亮斑在图像坐标系上可以认为是一条直线，可以求取出此直线的参数。
将棋盘格标定板在图像上的各边求取出来，因为这些边实际上是两组相互垂直的等间距平行线，经过摄像机成像后通常不再平行但任然是直线，取其中任一组平行线的像，计算其与线结构光亮条纹的像的交点在图像坐标系下的亚像素坐标。
根据局部仿射变换由棋盘格标定板与标定板的物理坐标求取出线结构光亮条纹被棋盘格一组等距平行边所等分成的直线段的长度。
根据空间直线段成像关系，由已知直线段的长度和其端点在图像坐标系上的亚像素坐标求取出空间直线段各端点在摄像机坐标系下的三维坐标，将得到的三维坐标通过最小二乘法求取出线结构光平面在相机坐标系下的三维坐标。
步骤(2)：获取左线结构光光平面上一些不共线的直线段的长度，以及其端点在图像坐标系下的亚像素坐标，使用空间直线段成像几何关系求取出这些直线段各个端点在摄像机坐标系下的三维坐标；
步骤(3)：根据所获取的光平面上的一些不共线的三维坐标数据，通过最小二乘法求取出光平面在摄像机坐标系下的空间平面方程参数；
步骤(4)：重复步骤2至步骤4以获取右线结构光的空间平面方程参数；
步骤(5)：通过步进电机脉冲数及步进电机与左线结构光投射器之间的减速装置的减速比，计算出结构光旋转角度，进而求得空间中两个平面的夹角，再根据所得的空间平面方程，可得旋转后的空间平面方程，即当前的空间平面方程；
步骤(6)：获取左线结构光在物体上投射的亮斑的图像坐标，再根据当前的线结构光平面方程可计算出亮斑的三维相机坐标；
步骤(7)：重复步骤5、步骤6以获取右线结构光投射的亮斑的三维相机坐标；
步骤(8)：将左右线结构光所获得的三维坐标统一到同一坐标系得到最后的点云数据，完成三维重建。
上述步骤(2)的具体方法如下：
a.由于棋盘格的所有边是由相互垂直的两组平行线构成的，这两组平行线中的任一组均平分线结构光与标定板的交线为若干等份；通过图像处理分析获取若干段等长的直线段的长度及其各端点在图像上的亚像素坐标，这些直线段都共线且位于光平面上，标定板换一个放置位置，即可得到另一组等长且位于光平面上的直线段及其端点的像在图像上的亚像素坐标；
b.根据空间直线段的投影关系，即共线三点透视关系，首先计算出这些直线段各端点与摄像机光线的距离，然后即可得到这些端点在相机坐标系下的三维坐标。如下式所示，记B、C和D点在相机坐标系下的三维坐标为(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)和(xD，yD，zD)，可得如下关系式：
上述步骤(5)的具体方法如下：
a.根据旋转激光的旋转范围，分别得到线结构光的两个边界空间平面方程，由这两个平面方程可得旋转激光旋转轴的平面束方程，即两个边界平面方程分别为A1x+B1y+C1z+D1＝0和A2x+B2y+C2z+D2＝0，则过这两个平面交线(即旋转轴所在直线)的所有平面方程，即平面束方程为：
A1x+B1y+C1z+D1+λ(A2x+B2y+C2z+D2)＝0
即(A1+λA2)x+(B1+λB2)y+(C1+λC2)z+(D1+λD2)＝0
b.根据当前平面，即参数为A3＝A1+λA2，B3＝B1+λB2，C3＝C1+λC2，D3＝D1+λD2与边界平面，即参数为A1、B1、C1、D1的夹角Θ，由
可求得λ，进而可求得当前平面方程参数A3、B3、C3、D3。
如上所述，便可较好地实现本发明。
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 (10)

1.一种双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，包括用于放置被测物体(2)的基座(11)、设置在基座(11)一侧的支撑杆(1)、两个齿轮减速装置(7)、用于驱动两个齿轮减速装置(7)转动的两个组步进电机(6)、左线结构光投射器(4)、右线结构光投射器(5)、摄像机(3)；
所述支撑杆(1)轴向套设有两个滑套，分为第一滑块(8)和第二滑块(81)；
所述两个齿轮减速装置(7)分别安装在横杆(10)的两端，所述横杆(10)的中部固定在第一滑块(8)上；所述左线结构光投射器(4)和右线结构光投射器(5)分别安装在这两个齿轮减速装置(7)的齿轮上，当步进电机(6)带动齿轮减速装置(7)旋转时，左线结构光投射器(4)和/或右线结构光投射器(5)跟随其360°旋转，以对被测物体(2)进行扫描；
所述摄像机(3)通过一夹臂(9)安装在第二滑块(81)上。
2.根据权利要求1所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述第一滑块(8)和第二滑块(81)在支撑杆(1)上的移动位置，可独立调节。
3.根据权利要求1或2所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述齿轮减速装置(7)包括小齿轮(12)和与其啮合的大齿轮(13)；所述小齿轮(12)安装在步进电机(6)的转轴上，大齿轮(13)通过轴承安装在横杆(10)上；
所述左线结构光投射器(4)和右线结构光投射器(5)分别安装在各自的大齿轮(13)上。
4.根据权利要求3所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述小齿轮(12)与大齿轮(13)的转动圈数为1:2或者1:3。
5.根据权利要求3所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述左线结构光投射器(4)和右线结构光投射器(5)的轴线与大齿轮(13)的轴线垂直。
6.根据权利要求3所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述夹臂(9)为一矩形夹持部，夹持部的一侧或者两侧分别安装有紧固螺栓，当摄像机(3)置于矩形夹持部内时，通过调节紧固螺栓使摄像机(3)固定在其内。
7.根据权利要求3所述双旋转激光的三维重构装置，其特征在于，所述第一滑块(8)和第二滑块(81)上设有调节螺钉，通过调节螺钉可调节第一滑块(8)和第二滑块(81)在支撑杆(1)上的相对位置。
8.一种双旋转激光的三维重构方法，其特征在于采用权利要求1至7中任一项所述双旋转激光的三维重构装置实现，其包括如下步骤：
步骤(1)：对摄像机进行标定；
步骤(2)：将棋盘格标定板放置于摄像机视野内的合适位置，并且使左线结构光投射器的结构光投射于棋盘格上，摄像机采集图像，对采集到的图像进行畸变矫正，并在所获取的图像中提取结构光亮斑的中心；
步骤(3)：获取左线结构光光平面上(一些)不共线的直线段的长度，以及其端点在图像坐标系下的亚像素坐标，使用空间直线段成像几何关系求取出(这些)直线段各个端点在摄像机坐标系下的三维坐标；
步骤(4)：根据所获取的光平面上的(一些)不共线的三维坐标数据，通过最小二乘法求取出光平面在摄像机坐标系下的空间平面方程参数；
步骤(5)：重复步骤(2)至步骤(4)以获取右线结构光的空间平面方程参数；
步骤(6)：通过步进电机脉冲数及步进电机与左线结构光投射器之间的减速装置的减速比，计算出结构光旋转角度，进而求得空间中两个平面的夹角，再根据所得的空间平面方程，可得旋转后的空间平面方程，即当前的空间平面方程；
步骤(7)：获取左线结构光在物体上投射的亮斑的图像坐标，再根据当前的线结构光平面方程可计算出亮斑的三维相机坐标；
步骤(8)：重复步骤(6)、步骤(7)以获取右线结构光投射的亮斑的三维相机坐标；
步骤(9)：将左右线结构光所获得的三维坐标统一到同一坐标系得到最后的点云数据，完成三维重建。
9.根据权利要求8所述双旋转激光的三维重构方法，其特征在于：步骤(3)的具体方法如下：
a.由于棋盘格的所有边是由相互垂直的两组平行线构成的，这两组平行线中的任一组均平分线结构光与标定板的交线为若干等份；通过图像处理分析获取若干段等长的直线段的长度及其各端点在图像上的亚像素坐标，这些直线段都共线且位于光平面上，标定板换一个放置位置，即可得到另一组等长且位于光平面上的直线段及其端点的像在图像上的亚像素坐标；
b.根据空间直线段的投影关系，即共线三点透视关系，首先计算出这些直线段各端点与摄像机光线的距离，然后即可得到这些端点在相机坐标系下的三维坐标。如下式所示，记B、C和D点在相机坐标系下的三维坐标为(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)和(xD，yD，zD)，可得如下关系式：
10.根据权利要求8所述双旋转激光的三维重构方法，其特征在于：步骤(6)的具体方法如下：
a.根据旋转激光的旋转范围，分别得到线结构光的两个边界空间平面方程，由这两个平面方程可得旋转激光旋转轴的平面束方程，即两个边界平面方程分别为A1x+B1y+C1z+D1＝0和A2x+B2y+C2z+D2＝0，则过这两个平面交线(即旋转轴所在直线)的所有平面方程，即平面束方程为：
A1x+B1y+C1z+D1+λ(A2x+B2y+C2z+D2)＝0
即(A1+λA2)x+(B1+λB2)y+(C1+λC2)z+(D1+λD2)＝0
b.根据当前平面，即参数为A3＝A1+λA2，B3＝B1+λB2，C3＝C1+λC2，D3＝D1+λD2与边界平面，即参数为A1、B1、C1、D1的夹角Θ，由
可求得λ，进而可求得当前平面方程参数A3、B3、C3、D3。
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