CN108871230B - 一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法，该实验系统包括测距与成像装置、方向调节装置、物体放置处、底部传送装置以及数据处理系统。所述测距与成像装置包括激光发射装置、成像装置；所述方向调节装置包括半环形滑轨、转动滑环、转动驱动、竖向调节杆、底部转动盘；所述物体放置处包括放置盘、小型竖向调节支座；所述底部传送装置包括底部托台、万向滚轮、固定靴；所述数据处理系统包括数据处理软件和AUTOCAD，生成点云数据，进行误差剔除后，构建三角网，多点云进行颜色覆盖，最后输出成果。该扫描装置能够针对绝大多数常规物体等进行精准扫描，能够广泛运用于室内模拟试验中。

Description

一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种三维激光扫描领域的实验系统和方法，具体指一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法。

背景技术

三维扫描技术广泛应用于工程测量，医学领域，建筑、文物保护领域、地质灾害的变形监测等，便携式3D数字扫描器，可架设于复杂的地理环境，对于过大件的物体也可以分批扫描，从而使得三维扫描技术在各大领域处于重要的位置，并已成为三维文字数字信息技术的主流，三维扫描技术在国内的应用也开展了多年，但是作为其中的关键设备，只能购买国外昂贵的三维扫描仪，在一定程度上限制了三维扫描技术在国内无闻领域的推广应用。

在三维激光扫描仪的研究方面，具有代表性的是Eric stark Bohr和David lang等设计的Eora 3D，此装置利用了智能手机的处理能力，将一个碳酸瓶大小的设备与智能手机相连并且采用520纳米波长的绿色激光(非通常激光扫描仪所采用的红色激光)对物体进行环绕扫描，并在智能手机上重建出物体的高精度三维模型。同时用户可以将设备置于一个与蓝牙相连的转盘上，转盘与激光同步旋转，这一方法非常适合扫描小型物体。而对于米量级的物体来说，Eora 3D扫描仪难以实现对于实验物体的全方位扫描，存在扫描死角。该装置并不能够完成物体上部的精确扫描，且使用条件相对较为单一，无法满足多种情况下的扫描，与工程实际中的需要要求精度还有一定的差距。

发明内容

针对上述提到的相关问题，本发明提供了一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法，其目的是提供一种精度较高，能够全方位进行扫描，且实现固液条件下均能进行扫描的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统。

为实现上述目的，本发明涉及的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法，该实验系统包括测距与成像装置、方向调节装置、物体放置处、底部传送装置以及数据处理系统。

所述测距与成像装置包括激光发射装置和成像装置。

所述激光发射装置包括二氧化碳激光发射器、180°竖向刻度盘、360°水平刻度盘和滑动托盘。滑动托盘卡在半环形滑轨的卡槽内，保证二氧化碳激光发射器可以在滑轨上移动并固定。180°竖向刻度盘和360°水平刻度盘的设置可以只管准确的获得二氧化碳激光发射器的相对水平转角与俯仰角，用于扫描过程中对激光的定位。

所述成像装置包括用于形状采集的CCD相机I、用于颜色采集的CCD相机II、热感相机、可以360°旋转的刻度盘置在下方，热感相机放置在两台CCD相机正上方。三台相机的相对位置均是固定已知的。刻度盘位于三台相机的下方并固定，三台相机可以随着刻度盘的转动而整体转动，可以更直观的获得成像装置的转角。刻度盘下方与凹型滑动托盘固连，可以保证成像装置能够在半环形滑轨上滑动与固定。

作为优化，所述用于形状采集的CCD相机I前端安装有环境光滤光片，用于过滤掉除了二氧化碳激光发射器所发射的光波频率，在相机中只呈现线性激光段，提高信噪比；用于颜色采集的CCD相机II在相机前方安装激光滤光片，用于过滤掉二氧化碳激光发射器所发射的光波频率，在相机中只呈现物体本来颜色；热感相机在被扫描物为液体时使用，对液体表面进行热量扫描，通过采集温度差异信息的方式换算为物体表面的三维数据，生成三维云图。

所述方向调节装置包括半环形滑轨、转动滑环、转动驱动、竖向调节杆和底部转动盘。

所述半环形滑轨左右两端卡进转动滑环内，转动滑环又与两端的转动驱动相连，通过计算机可以控制半环形滑轨的转动角度与速度。竖向调节杆上端与转动驱动固连，竖向调节杆下端与底部转动盘固连，用于根据扫描物的大小调节扫描装置的高度，同时保证底部转动盘的旋转可以整体带动上部扫描装置。滑轨的半环形设计能够保证对物体全方位的扫描，可以满足某些不便拆分的固定物的扫描。

作为优化，半环形滑轨上刻有刻度，在成像装置与激光发射装置基于扫描物的大小尺寸在半环形滑轨上调整位置时，可以准确直观的获得成像装置与激光发射装置的相对空间位置，便于输入计算机获得准确的扫描云图。

作为优化，底部转动盘是一种圆环形设计，上刻有刻度，通过计算机可以准确获取上部扫描装置的旋转角度与旋转速度。

所述物体放置处包括放置盘和小型竖向调节支座。

所述放置盘通过与小型竖向调节支座固连，小型竖向调节支座底端穿过底部转动盘与底部托台相连固连，在底部转动盘转动时不影响放置盘上的扫描物。

所述底部传送装置包括底部托台、万向滚轮和固定靴。

所述底部托台通过数个万向滚轮支撑，方便整个扫描装置的移动，此外，在底部托台两侧位置安装有固定靴，在扫描装置固定后，放下固定靴以固定整个扫描装置，防止扫描过程中装置的抖动。

本发明所述的数据成图处理部分，用计算机读取用于形状采集的CCD相机I和用于颜色采集的CCD相机II及热感摄像机内的信息，利用数据处理软件处理所获取的点位信息，用AUTOCAD读入源数据，进行误差剔除后，构建三角网，生成等高线，绘制点云图像，再与颜色信息进行整合，最后输出成果。

本发明所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统及方法所用到的扫描原理为线性三角测距法。首先求得相机坐标系下的光平面方程然后标定相机坐标系与旋转中心坐标之间的关系。其数学模型原理图如图6所示。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

本装置操作方便，控制简单，可以直观的读取和获得多种数据，在实际扫描过程中，保证了高精度的作业条件；

本装置在扫描物体时，可以同时做到形状与颜色同时读取，在扫描的第一时间通过计算机计算，对扫描物进行形状与颜色的三维重构，同时，本装置也可对液体物质进行扫描，通过将热信号转换成点云数据，获得液体的扫描数据；

本装置不仅可以满足扫描尺寸较小的物体，同时可以满足扫描整个空间，进而得到整个空间的三维数据，对室内空间扫描重构。

附图说明

图1为本发明所提供一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验方法流程图；

图2为本发明所提供一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的装置简图；

图3为图1中成像装置正剖面图与成像装置侧剖面图；

图4为图1中激光发射装置侧面图；

图5为图1中半环形滑轨与测距与成像装置的俯视图；

图6为图1中测距与成像装置的扫描原理图；

图7为相机图像矫正的Chessboard图案。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型的三维激光扫描仪进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“纵向”、“环向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

本发明的三维激光扫描装置在针对小型且可移动的物体扫描时，具体操作步骤如下：

步骤一：将被测物体放在放置盘上摆好位置并固定好，调节小型竖向调节支座，调整竖向调节杆，使被扫描物体处在合适的高度；

步骤二：打开用于形状采集的CCD相机I和用于颜色采集的CCD相机II，开启二氧化碳激光发射器，调整成像装置与激光发射装置在半环形滑轨上的相对位置，调整成像装置与激光发射器的转角将激光照射在被扫描物体上，并将上述参数输入计算机中以对扫描装置进行标定；

步骤三：在计算机中打开底部转动盘控制器，输入一定转速，控制底部转动盘转动360°，对整个室内空间进行一次环向的360°扫描；

步骤四：待底部转动盘带动扫描装置扫描一次后，通过计算机打开转动驱动控制器，对半环形滑轨竖向转动15°后，重复步骤三；

步骤五：步骤四扫描结束后，再次对半环形滑轨沿相同方向旋转15°后，重复步骤三，依次操作，直到对被测物完成扫描；

步骤六：在计算机中对扫描物形状点云数据与颜色数据进行点位比照，调整点位和补齐扫描图像中缺失位置，若仍有部分缺失，则重复步骤三，步骤四，步骤五直至被测物体被完全扫描；

步骤七：利用数据处理软件处理步骤五中所获取的点位信息，用AUTOCAD读入源数据，进行误差剔除后，构建三角网，生成等高线，匹配物体颜色，最后输出成果。

记录好所有数据，此时即为完成单次试验。

下一次实验时将重复上述操作，直至完成所有步骤。

实施例二：

本发明的三维激光扫描装置在针对室内整个空间扫描时，具体操作步骤如下：

步骤一：收起物体放置处，调整竖向调节杆，使扫描装置针对整个室内空间处于合适位置；

步骤二：打开用于形状采集的CCD相机I和用于颜色采集的CCD相机II，开启二氧化碳激光发射器，调整成像装置与激光发射装置在半环形滑轨上的相对位置，调整成像装置与激光发射器的转角将激光准确清晰的照射到室内空间中，并将上述参数输入计算机中以对扫描装置进行标定；

步骤三：在计算机中打开底部转动盘控制器，输入一定转速，控制底部转动盘转动360°，对整个室内空间进行一次环向的360°扫描；

步骤四：待底部转动盘带动扫描装置扫描一次后，通过计算机打开转动驱动控制器，对半环形滑轨竖向转动15°后，重复步骤三；

步骤五：步骤四扫描结束后，再次对半环形滑轨沿相同方向旋转15°后，重复步骤三，依次操作，直到对被测物完成扫描；

步骤六：在计算机中对扫描物形状点云数据与颜色数据进行点位比照，调整点位和补齐扫描图像中缺失位置，若仍有部分缺失，则重复步骤三，步骤四，步骤五直至被测物体被完全扫描；

步骤七：利用数据处理软件处理步骤五中所获取的点位信息，用AUTOCAD读入源数据，进行误差剔除后，构建三角网，生成等高线，匹配室内环境颜色，最后输出成果。

记录好所有数据，此时即为完成单次试验。

下一次实验时将重复上述操作，直至完成所有步骤。

需要说明的是，上述实施例一与实施例二中对扫描仪的扫描角度的输入均可以根据具体扫描情况进行调整，并不做特殊规定，不能理解为对本发明专利扫描范围的限制。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统，该实验系统包括测距与成像装置、方向调节装置、物体放置处、底部传送装置以及数据处理系统；

所述测距与成像装置包括成像装置(1)和激光发射装置(2)；

所述成像装置(1)中包括用于形状采集的CCD相机I(14)、用于颜色采集的CCD相机II(15)和热感相机(13)，热感相机(13)在被扫描物为液体时使用，用于形状采集的CCD相机I(14)和用于颜色采集的CCD相机II(15)平行放置在下方并固定，热感相机(13)放置在两台CCD相机正上方并固定；

所述方向调节装置包括半环形滑轨(3)、转动滑环(4)、转动驱动(5)、竖向调节杆(6)和底部转动盘(7)；

所述竖向调节杆(6)一端与转动驱动固连，另一端与底部转动盘(7)固连，通过控制器可以精准控制其伸缩大小；

所述底部转动盘(7)是一个圆环体，并带有转动刻度，底部转动盘(7)与底部托台(10)转动连接，通过计算机控制器可以精准控制底部转动盘(7)的转动角度与速度；

所述测距与成像装置安装在半环形滑轨(3)上，半环形滑轨两侧安装进转动滑环(4)中以保证半环形滑轨(3)可以上下旋转360°，转动滑环(4)通过与计算机连接的转动驱动(5)精准的控制半环形滑轨(3)的转动角度与速度；

所述半环形滑轨左右两端卡进转动滑环内，转动滑环又与两端的转动驱动相连，竖向调节杆上端与转动驱动固连，竖向调节杆下端与底部转动盘固连；

所述物体放置处包括放置盘(8)和小型竖向调节支座(9)，放置盘(8)下方与小型竖向调节支座(9)上方固连，小型竖向调节支座(9)下方与底部托台(10)固连；

所述底部传送装置包括底部托台(10)、万向滚轮(11)和固定靴(12)；

所述底部托台(10)及其上部装置通过万向滚轮(11)支撑，在底部托台(10)两侧各设置两个固定靴(12)，保证扫描过程中整个装置的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统，其特征在于：所述激光发射装置(2)包括二氧化碳激光发射器；

所述用于形状采集的CCD相机I(14)在相机前方安装环境光滤光片(17)，用于过滤掉除了二氧化碳激光发射器所发射的光波频率，在相机中只呈现线性激光段，提高信噪比；用于颜色采集的CCD相机II(15)在相机前方安装激光滤光片(16)，用于过滤掉二氧化碳激光发射器所发射的光波频率，在相机中只呈现物体本来颜色。

3.根据权利要求2所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统，其特征在于：所述成像装置(1)下方与一个可以360°旋转的刻度盘(18)固连，刻度盘(18)下方与凹型滑动托盘(19)固连。

4.根据权利要求1所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统，其特征在于：所述激光发射装置(2)包括二氧化碳激光发射器、180°竖向刻度盘(22)、360°水平刻度盘(23)和滑动托盘(24)。

5.如权利要求1所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统的实验方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种用于室内模拟试验的三维激光扫描仪的实验系统，具体步骤如下：

S1：移动扫描装置并调整竖向调节杆(6)，将扫描装置摆放在室内合适位置；

S2：调整成像装置(1)与激光发射装置(2)在半环形滑轨(3)上的相对位置，得到二氧化碳激光发射器中心到用于形状采集的CCD相机I(14)成像中心的距离d₁，二氧化碳激光发射器中心到用于颜色采集的CCD相机II(15)成像中心的距离d₂；

S3；调整二氧化碳激光发射器和成像装置(1)的角度，保证激光能够准确清晰的照射到室内空间中，通过刻度盘可以直观的推算出激光射线与用于形状采集的CCD相机I(14)成像中心的夹角α₁，激光射线与用于颜色采集的CCD相机II(15)成像中心的夹角α₂；

S4：调整成像装置(1)焦距可以清晰捕捉线性激光，记录用于形状采集的CCD相机I(14)焦距f₁，用于颜色采集的CCD相机II(15)焦距f₂；

S5：使用打印的Chessboard图案，分别在不同距离和位置下拍摄了不同画面，通过Matlab的Camera Calibration Toolbox，对CCD相机I(14)与CCD相机II(15)拍摄画面进行矫正，消除画面扭曲；

S6：通过三角测距原理，CCD相机I(14)与CCD相机II(15)的匹配对应关系为：

其中：x₁为待测物体上激光光点在用于形状采集的CCD相机I(14)感光元件上的成像到一侧边缘的距离，x₂为待测物体上激光光点在用于颜色采集的CCD相机II(15)感光元件上的成像到一侧边缘的距离；

通过S6 确定的匹配对应关系，将S2，S3，S4所得参数d₁，d₂，α₁，α₂，f₁，f₂代入到事先由Matlab编码的公式中，对两个相机的像素点位匹配进行矫正；

S7：打开成像装置(1)和激光发射装置(2)，先将二氧化碳激光发射器所发出的线性激光的线性方向呈竖直状态，启动底部转动盘(7)，通过计算机将底部转动盘(7)的转速设置成0.5r/min，并旋转一周，在Matlab中形成点云数据，此为完成一次环向扫描；

S8：通过控制转动驱动(5)，将半环形滑轨(3)竖向转动15°，重复S7操作；

S9：在步骤S8的基础上，重复操作S8，直到半环形滑轨(3)旋转180°，即完成对室内空间的完整扫描；

S10：利用数据处理软件处理S9中所获取的点位信息，用AUTOCAD读入点源数据，进行误差剔除后，构建三角网，生成等高线，匹配颜色采集数据，最后输出成果；

以上步骤为进行室内环境三维扫描的步骤，在针对小型物体时，需在上述步骤S1前加入步骤S0：将小型物体放置在放置盘(8)上，调整小型竖向调节支座(9)使物体处于合适位置。

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