CN107726999A - 一种物体表面三维信息重建系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三维扫描技术领域，公开了一种物体表面三维信息重建系统及其工作方法。本发明提供了一种实现动态三维扫描的完整物体表面三维信息重建系统，可在电动转台带动扫描物体旋转的同时，通过高精度的激光扫描仪实现对扫描物体的三维扫描，然后通过点云解算获取扫描物体的高精度三维点云信息，从而可实现对扫描物体的三维表面进行自动建模的目的，使该系统具有扫描精度高、速度快、操作简单和自动化程度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及三维扫描技术领域，具体地，涉及一种物体表面三维信息重建系统及其工作方法。
背景技术
结构光三维扫描技术是一种高速且高精度的三维扫描测量方法，其采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理，即采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，可使得对物体进行照相测量(所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息)成为可能。此外与传统的三维扫描技术不同的是，结构光三维扫描技术能同时测量一个面。
对于现有的基于结构光或激光的三维扫描技术，为了达到高精度，它们都是采用静态扫描技术，即被扫描物体和扫描设备本身都需要在完全静止的情况下工作。虽然这种方式扫描精度高，但是由于不能动态扫描，普遍存在扫描速度慢、操作复杂和不能自动化扫描的问题。
发明内容
针对前述目前静态三维扫描技术所存在的扫描速度慢、操作复杂和不能自动化扫描的问题，本发明提供了一种物体表面三维信息重建系统及其工作方法。
本发明采用的技术方案,一方面提供了一种物体表面三维信息重建系统，包括激光扫描仪、电动转台、第一倾角传感器、第二倾角传感器、倒L型悬挂支架和PC机，其中，所述激光扫描仪集成有激光发射器和相机；所述激光扫描仪通过所述倒L型悬挂支架悬挂于电动转台的斜上方，所述第一倾角传感器安装在所述电动转台的中心，并使所述第一倾角传感器的xy平面与所述电动转台的转台平面共面，所述第二倾角传感器安装在所述相机上，并使所述第二倾角传感器的xy平面与所述相机的xy平面共面；所述PC机分别通信连接所述激光扫描仪、所述电动转台、所述第一倾角传感器和所述第二倾角传感器，所述激光扫描仪还通信连接所述电动转台。
优化的，所述相机的xy平面与所述电动转台的转台平面的安装夹角设为Δ，所述相机与所述电动转台的转轴中心的安装间距设为d，则所述安装夹角Δ和所述安装间距d满足如下关系：
式中，LTL为所述相机的梯形视野的长底边长，LTS为所述相机的梯形视野的短底边长，h为所述相机的安装高度。
优化的，还包括通信连接所述PC机的触摸显示屏。进一步优化的，所述触摸显示屏采用型号为YT-121的12.1寸工业触摸屏。
优化的，所述激光扫描仪采用型号为E1211的激光扫描仪。
优化的，所述电动转台的转台平面直径介于600～1000mm之间。
优化的，所述第一倾角传感器或所述第二倾角传感器采用型号为BWS2000的倾角传感器。
优化的，所述PC机包括型号为AIMB-585的工业PC机母板。
本发明采用的技术方案,另一方面还提供了一种前述的物体表面三维信息重建系统的工作方法，包括如下步骤：
S101.PC机在向电动转台成功传送预置的转台旋转参数后，再次传送转台旋转启动指令；
S102.电动转台在收到所述转台旋转启动指令后，根据所述转台旋转参数执行旋转动作，同时有线启动激光扫描仪中的激光发射器和相机；
S103.PC机获取由相机采集的激光扫描数据和由电动转台反馈的转台转角数据；
S104.PC机根据所述转台转角数据判断是否已经扫描到指定角度，若还未扫描到指定角度，则返回执行步骤S103，否则向电动转台传送转台旋转停止指令，并执行步骤S105；
S105.按照如下方式进行点云解算：首先以电动转台的转台平面中心为原点，换算得到各次扫描所得激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]，然后根据所述转台转角数据获取各次扫描对应的转台转动角度θ，最后按照如下公式：
整合得到扫描物体的三维点云[x,y,z]。
优化的，按照如下公式换算得到激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]：
式中，为由第一倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，为由第二倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，[xt,yt,zt]为激光扫描数据在相机坐标系中的三维坐标，为电动转台的转台平面轴心在相机坐标系中的三维坐标。
综上，采用本发明所提供的物体表面三维信息重建系统及其工作方法，具有如下有益效果：(1)本发明提供了一种实现动态三维扫描的完整物体表面三维信息重建系统，可在电动转台带动扫描物体旋转的同时，通过高精度的激光扫描仪实现对扫描物体的三维扫描，然后通过点云解算获取扫描物体的高精度三维点云信息，从而可实现对扫描物体的三维表面进行自动建模的目的，使该系统具有扫描精度高、速度快、操作简单和自动化程度高的特点；(2)通过对相机的安装角度和安装距离进行具体设计，可以在实现最近化(即最清晰化)扫描的同时，确保位于转台平面上的扫描物体在扫描过程中完全处于所述相机的视野内，实现高清晰扫描；(3)通过配置触摸显示屏，还可以实现人机交互，既可输入人工设置的扫描参数，方便操作，又可以即时进行扫描结果的展示，便于实际推广和使用。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明提供的物体表面三维信息重建系统的结构示意图。
图2是本发明提供的相机坐标系与转台坐标系的关系示意图。
图3是本发明提供的相机坐标系到转台坐标系的坐标转换示意图。
图4是本发明提供的系统安装校验的示意图。
图5是本发明提供的物体表面三维信息重建系统的工作方法流程图。
上述附图中：1、激光扫描仪 101、激光发射器 102、相机 2、电动转台 301、第一倾角传感器 302、第二倾角传感器 4、倒L型悬挂支架。
具体实施方式
以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的物体表面三维信息重建系统及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
图1示出了本发明提供的物体表面三维信息重建系统的结构示意图，图2示出了本发明提供的相机坐标系与转台坐标系的关系示意图，图3示出了本发明提供的相机坐标系到转台坐标系的坐标转换示意图，图4示出了本发明提供的系统安装校验的示意图，图5示出了本发明提供的物体表面三维信息重建系统的工作方法流程图。
本实施例提供的所述物体表面三维信息重建系统，包括激光扫描仪1、电动转台2、第一倾角传感器301、第二倾角传感器302、倒L型悬挂支架4和PC机，其中，所述激光扫描仪1集成有激光发射器101和相机102；
所述激光扫描仪1通过所述倒L型悬挂支架4悬挂于电动转台2的斜上方，所述第一倾角传感器301安装在所述电动转台2的中心，并使所述第一倾角传感器301的xy平面与所述电动转台2的转台平面共面，所述第二倾角传感器302安装在所述相机102上，并使所述第二倾角传感器302的xy平面与所述相机102的xy平面共面；
所述PC机分别通信连接所述激光扫描仪1、所述电动转台2、所述第一倾角传感器301和所述第二倾角传感器302，所述激光扫描仪1还通信连接所述电动转台2。
如图1～4所示，在所述物体表面三维信息重建系统的结构中，所述激光扫描仪1用于采集对扫描物体的激光扫描数据，其中，所述激光发射器101用于发出光栅激光/结构光，使光栅激光/结构光在照射扫描物体后反射回所述相机102；所述相机102用于根据反射回的光栅激光/结构光获取扫描物体的激光扫描数据；所述激光扫描仪1可以但不限于采用SICK公司的Ruler E1211，其相机的梯形视野的高度可达到1000mm，梯形视野的的长底边长LTL可达到1550mm，短底边长LTS可达到500mm，z轴方向分辨率可达到0.4mm，最大扫描速度10000profiles/s。所述电动转台用于带动扫描物体随其转动而转动，其可以但不限于采用由武汉华天定制的且转台平面直径介于600mm～1000mm的电动转台，该电动转台采用网络接口进行转台控制，控制软件基于华天科技提供的软件控制接口进行设计，完成转动角度设定、编码器数据采集、速度控制、运动方式控制等。所述第一倾角传感器301和所述第二倾角传感器302分别用于采各自的x轴倾角测量数据和以便对所述相机102的xy平面与所述电动转台2的转台平面的安装夹角Δ进行实时校验，进而为系统长时间使用之后所发生的形变进行精确修正；所述第一倾角传感器301或所述第二倾角传感器302可以但不限于采用型号为BWS2000的倾角传感器。所述倒L型悬挂支架4用于悬挂所述激光扫描仪。
所述PC机用于实现对所述电动转台2和所述激光扫描仪的控制，获取并处理采集数据，得到扫描物体的高精度三维点云信息；所述PC机的主板可以但不限于选用研华的工业母板AIMB-585，其可以支持2路千兆网络接口，支持10个COM口(Cluster CommunicationPort，串行通讯端口)，并提供多个USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)等外部接口，同时还支持i7/i5/i3等CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，可选择i56500CPU，4核心，主频可达到3.2GHz；此外还支持PCIe(Peripheral ComponentInterconnect Express，外部设备互连总线扩展)独立显卡和支持DVI(Digital VisualInterface，数字视频接口)、VGA(Video Graphics Array，一种视频传输标准)等显示接口。所述电动转台2和所述PC机通过网络进行数据通信和控制，所述激光扫描仪1采用RJ45网络接口与PC机进行通信，所述电动转台2的编码器输出信号输入到所述激光扫描仪1的Coder信号端(即代码信息输入端)，通过配置所述激光扫描仪1的数据格式，可以将编码器数据附加到所述激光扫描仪1的测量数据中。此外，所述PC机提供2个UART接口(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)分别与所述第一倾角传感器301和所述第二倾角传感器302连接，用于在采集倾角传感器数据后，将该数据通过网络传输到所述PC机。
优化的，所述相机102的xy平面与所述电动转台2的转台平面的安装夹角设为Δ，所述相机102与所述电动转台2的转轴中心的安装间距设为d，则所述安装夹角Δ和所述安装间距d满足如下关系：
式中，LTL为所述相机102的梯形视野的长底边长，LTS为所述相机102的梯形视野的短底边长，h为所述相机102的安装高度。通过对相机的安装角度和安装距离进行具体设计，可以在实现最近化(即最清晰化)扫描的同时，确保位于转台平面上的扫描物体在扫描过程中完全处于所述相机的视野内，实现高清晰扫描。
前述物体表面三维信息重建系统的工作方法，可以但不限于包括如下步骤。
S101.PC机在向电动转台成功传送预置的转台旋转参数后，再次传送转台旋转启动指令。在所述布置S101中，所述转台旋转参数由测量员根据实际测量情况在PC机上输入设定。
S102.电动转台在收到所述转台旋转启动指令后，根据所述转台旋转参数执行旋转动作，同时有线启动激光扫描仪中的激光发射器和相机。
S103.PC机获取由相机采集的激光扫描数据和由电动转台反馈的转台转角数据。
S104.PC机根据所述转台转角数据判断是否已经扫描到指定角度，若还未扫描到指定角度，则返回执行步骤S103，否则向电动转台传送转台旋转停止指令，并执行步骤S105。在所述布置S104中，所述指定角度也由测量员根据实际测量情况在PC机上输入设定。
S105.按照如下方式进行点云解算：首先以电动转台的转台平面中心为原点，换算得到各次扫描所得激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]，然后根据所述转台转角数据获取各次扫描对应的转台转动角度θ，最后按照如下公式：
整合得到扫描物体的三维点云[x,y,z]。
在所述步骤S105中，按照如下公式换算得到激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]：
式中，为由第一倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，为由第二倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，[xt,yt,zt]为激光扫描数据在相机坐标系中的三维坐标，为电动转台的转台平面轴心在相机坐标系中的三维坐标。
优化的，还包括通信连接所述PC机的触摸显示屏。如图1所示，通过配置触摸显示屏，还可以实现人机交互，既可输入人工设置的扫描参数，方便操作，又可以即时进行扫描结果的展示。所述触摸显示屏可以但不限于选择北京宇田信达的12.1寸工业触摸屏YT-121，其可支持1024×768的分辨率，对比度800:1，输入信号VGA，触摸输出USB口。
本实施例提供的所述物体表面三维信息重建系统及其工作方法，具有如下有益效果：(1)本发明提供了一种实现动态三维扫描的完整物体表面三维信息重建系统，可在电动转台带动扫描物体旋转的同时，通过高精度的激光扫描仪实现对扫描物体的三维扫描，然后通过点云解算获取扫描物体的高精度三维点云信息，从而可实现对扫描物体的三维表面进行自动建模的目的，使该系统具有扫描精度高、速度快、操作简单和自动化程度高的特点；(2)通过对相机的安装角度和安装距离进行具体设计，可以在实现最近化(即最清晰化)扫描的同时，确保位于转台平面上的扫描物体在扫描过程中完全处于所述相机的视野内，实现高清晰扫描；(3)通过配置触摸显示屏，还可以实现人机交互，既可输入人工设置的扫描参数，方便操作，又可以即时进行扫描结果的展示，便于实际推广和使用。
如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的物体表面三维信息重建系统及其工作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，包括激光扫描仪(1)、电动转台(2)、第一倾角传感器(301)、第二倾角传感器(302)、倒L型悬挂支架(4)和PC机，其中，所述激光扫描仪(1)集成有激光发射器(101)和相机(102)；
所述激光扫描仪(1)通过所述倒L型悬挂支架(4)悬挂于所述电动转台(2)的斜上方，所述第一倾角传感器(301)安装在所述电动转台(2)的中心，并使所述第一倾角传感器(301)的xy平面与所述电动转台(2)的转台平面共面，所述第二倾角传感器(302)安装在所述相机(102)上，并使所述第二倾角传感器(302)的xy平面与所述相机(102)的xy平面共面；
所述PC机分别通信连接所述激光扫描仪(1)、所述电动转台(2)、所述第一倾角传感器(301)和所述第二倾角传感器(302)，所述激光扫描仪(1)还通信连接所述电动转台(2)。
2.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，所述相机(102)的xy平面与所述电动转台(2)的转台平面的安装夹角设为Δ，所述相机(102)与所述电动转台(2)的转轴中心的安装间距设为d，则所述安装夹角Δ和所述安装间距d满足如下关系：
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式中，LTL为所述相机(102)的梯形视野的长底边长，LTS为所述相机(102)的梯形视野的短底边长，h为所述相机(102)的安装高度。
3.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，其特征在于，还包括通信连接所述PC机的触摸显示屏。
4.如权利要求3所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，其特征在于，所述触摸显示屏采用型号为YT-121的12.1寸工业触摸屏。
5.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，所述激光扫描仪(1)采用型号为E1211的激光扫描仪。
6.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，所述电动转台(2)的转台平面直径介于600～1000mm之间。
7.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，所述第一倾角传感器(301)或所述第二倾角传感器(302)采用型号为BWS2000的倾角传感器。
8.如权利要求1所述的一种物体表面三维信息重建系统，其特征在于，所述PC机包括型号为AIMB-585的工业PC机母板。
9.一种权利要求1～8任意一项所述的物体表面三维信息重建系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101.PC机在向电动转台成功传送预置的转台旋转参数后，再次传送转台旋转启动指令；
S102.电动转台在收到所述转台旋转启动指令后，根据所述转台旋转参数执行旋转动作，同时有线启动激光扫描仪中的激光发射器和相机；
S103.PC机获取由相机采集的激光扫描数据和由电动转台反馈的转台转角数据；
S104.PC机根据所述转台转角数据判断是否已经扫描到指定角度，若还未扫描到指定角度，则返回执行步骤S103，否则向电动转台传送转台旋转停止指令，并执行步骤S105；
S105.按照如下方式进行点云解算：首先以电动转台的转台平面中心为原点，换算得到各次扫描所得激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]，然后根据所述转台转角数据获取各次扫描对应的转台转动角度θ，最后按照如下公式：
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整合得到扫描物体的三维点云[x,y,z]。
10.如权利要求9所述的一种物体表面三维信息重建系统的工作方法，其特征在于，按照如下公式换算得到激光扫描数据的三维坐标[x′,y′,z′]：
式中，为由第一倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，为由第二倾角传感器采集的x轴倾角测量数据，[xt,yt,zt]为激光扫描数据在相机坐标系中的三维坐标，为电动转台的转台平面轴心在相机坐标系中的三维坐标。
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