CN111062992B - 一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法，其中一种双视角线激光扫描三维成像装置，包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。

Description

一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法

技术领域

本发明属于三维激光测量技术领域，涉及一种提高空间纵向分辨率的双视角线激光扫描三维成像装置及方法。

背景技术

线激光扫描三维成像是一种基于光学三角法的非接触式物体表面轮廓成像技术，利用线激光投影到被测物体表面，相机采集受到物体表面高度调制的形变条纹，经过计算得到表面轮廓三维数据。该技术已经在测绘测量、产品的逆向工程、模具设计等多个领域内变得非常常见，并且在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。受相机固有的图像采集时间的限制，单相机的线激光扫描三维成像获得的物体表面图像的分辨率不高。例如：假设有一台帧率f＝30帧的工业相机在线采集运动状态下工件，在理想情况下一秒钟拍摄30幅图像，即相机采集相邻两幅图像的时间间隔是

即相机每间隔时间T拍摄一幅图像，由于工件是连续运动的，所以相机在拍摄完一幅图像到拍摄下一幅图像的时间间隔T内，运动过去的工件的这部分信息未能得到采集，获得的三维图像的分辨率不高。在单相机线激光扫描三维成像的基础上，利用两组线激光扫描三维成像模组实现了三棱锥表面轮廓的双视角提高纵向分辨率的线激光扫描三维成像。实验过程中需要保证两个线激光平面平行且对两激光发射器间的距离有要求，对器件的安装要求较高，限制了该方法的现场灵活应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，为解决单相机线激光扫描三维成像中分辨率不高的问题，本发明提供了一种提高空间纵向分辨率的双视角线激光扫描三维成像装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。

进一步，所述立体靶标是正四棱柱，所述激光发射器、相机以及镜头均设置有两个。

进一步，所述激光发射器平行设置在立体靶标的侧上方，所述激光发射器的激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间平行。

进一步，所述相机设置于相应所述激光发射器的一侧，且镜头对着立体靶标设置。

进一步，所述立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。

一种双视角线激光扫描三维成像方法，其基于上述双视角线激光扫描三维成像装置，具体步骤如下：

步骤1，搭建上述双视角线激光扫描三维成像装置，使用两个单个线激光扫描三维成像组合对向立体靶标的同一个面，且两个激光发射器的间距设置成L；

步骤2，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集正对的同一立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；

步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；

步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离；

步骤5，标定完成后，对待测物体进行双视角线激光扫描三维成像；

步骤6，通过两个相机对立体靶标指定平面进行标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成双视角线激光扫描三维成像。

进一步，步骤1中的两个激光发射器的间距L应当满足：

其中，v为一维移动平台的移动速度，R为轴角编码器的分辨率，r为一维移动平台的运动轴的半径，n可取任意正整数，α为第2个视角周期性图像采集所占l_s的比例，l_s为单个视角获得点云数据的纵向空间分辨率，且l_s＝t_oc·ν；t_oc为轴角编码器触发信号的时间间隔，且

进一步，步骤2中Tsai标定法已知的内部参数有图像主点坐标(u₀,v₀)，像元尺寸d_x,d_y，则相机成像的数学模型为：

其中f是相机内参，R是旋转矩阵，T是平移向量，s是尺度因子输入四个特征点以上的图像坐标和其对应的世界坐标，其中(X_Wi,Y_Wi,Z_Wi)表示第i个特征点的世界坐标，可以求解出相机的内外参数。

进一步，步骤3中激光平面的方程是：

aX_wi+bY_wi+cZ_wi+d＝0

其中(X_Wi,Y_Wi,Z_Wi)表示第i个特征点的世界坐标，取激光平面上不共线的三点(X_W1,Y_W1,Z_W1)，(X_W2,Y_W2,Z_W2),(X_W3,Y_W3,Z_W3)，根据不共线的三点确定一个平面：

整理得

可以解得激光平面方程。

进一步，步骤4中一维移动部件的运动方向和距离的求取过程如下：

相机相邻两次工作间隔时间t，假设相机每隔时间t所取得两幅图片的同一个特征点的世界坐标是(X_W1,Y_W1,Z_W1)，(X_W2,Y_W2,Z_W2)，一维移动部件运动一段距离，其中相机工作了n次，则有n-1个工作间隔，则一维移动部件的标定结果为：

其中(Δx,Δy,Δz)是相机相邻两次工作的待测物体的移动距离。

本发明的有益效果：通过精确设置两激光发射器的空间位置，使两个相机获得的待测物体的三维数据相间分布，同时使用高精度立体靶标同时对两个相机进行标定，根据坐标转换，将各相机统一到同一个世界坐标系中，然后同步触发装置控制相机分别采集待扫描物体同一面的三维信息，然后得到物体表面的完整信息，从而提高图像纵向分辨率，解决单个线激光扫描装置得到的待测物体三维图像分辨率不高的缺点。

附图说明

图1是本发明的正四棱柱立体标靶的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的激光发射器的位置设置图。

图4是本发明的扫描结果图一。

图5是本发明的扫描结果图二。

其中，1、相机，2、激光发射器，3、一维移动部件，4、立体靶标，5、轴角编码器，6、镜头。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例一

如图1、2所示，本实施例提供了一种双视角线激光扫描三维成像装置，包括一维移动部件3、轴角编码器5、立体靶标4、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件3由轴角编码器5带动移动；所述立体靶标4是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标4的数个面沿周向相围，所述立体靶标4放置于一维移动部件3上方且立体靶标4的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器2和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机1，所述激光发射器2侧向对准立体靶标4的棱处设置，所述相机1上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头6。

本实施例所述立体靶标4是正四棱柱，轴角编码器5设置一个，激光发射器2、相机1以及镜头6均设置两个，即设置有两组单一线激光扫描三维成像组合件。其中相机优选工业相机。

本实施例两个激光发射器2布置于待扫描物体的同一侧上方，两个激光发射器2平行设置，且根据计算结果精确设置两激光发射器2间的距离，一维移动部件3能带动待扫描物体垂直于激光发射器2器所组成的平面运动。所述激光发射器2的激光平面侧对向立体靶标4棱处以形成非共线直线，各激光平面空间平行错开。所述相机1设置于相应所述激光发射器2的一侧，且镜头对着立体靶标4设置。各自带有镜头6的两个相机1对准待扫描物体，每一激光发射器2向待扫描物体投射激光后，通过其中的一个相机1及镜头6采集所成的像。

为实现双视角线激光扫描三维成像，标定为关键步骤。立体靶标对后期坐标转化起到重要作用。本实施例的立体靶标4各面刻有规则分布的十字靶标，具体设置如下：

1)立体靶标4每一面由规则分布的十字靶标作为标定特征点，规定世界坐标系的原点位于左下角第一个十字靶标处，Z轴垂直于靶标平面。

2)立体靶标4各面的十字靶标分布相同。

本发明通过立体靶标4对相机进行标定时，参见图2，立体靶标安装于图2中待扫描物体的位置。当标定完成后，将立体靶标4移除，并在同一位置上安装待扫描物体。一维移动部件3带动待扫描物体垂直于两个激光发射器2所围成的平面运动，利用相机1及镜头6对其进行成像。

本实施例以两个的组合为例进行说明，例如，三个、四个或者更多个的组合也落入本发明的保护范围之内，其中，类似于制作立体靶标的正四棱柱也可以采用已知的几何尺寸的其它正棱柱体。

实施例二

本实施例提供了一种双视角线激光扫描三维成像方法，其基于实施例一所述的双视角线激光扫描三维成像装置，具体步骤如下：

步骤1，搭建双视角线激光扫描三维成像装置，使用两个单个线激光扫描三维成像组合同时对向立体靶标4的一个面；

具体的，采用实施例一的结构设计，即一个激光发射器2、一个相机1及一个镜头6构成一个单一线激光扫描三维成像组合件，将两个单一线激光扫描三维成像组合件布设于待扫描物体同一侧，每个单一线激光扫描三维成像组合件稍侧向对准立体靶标4棱处，以便采集到激光平面在两面棱处产生的非共线光线，激光发射器2设置见图3。一维移动平台以速度v，带动待测物体相对线激光与相机运动，分辨率为R(单位为ppr脉冲数每圈)的轴角编码器与半径为r一维运动平台的运动轴相连，轴角编码器输出信号与两个工业相机的外触发接口相连，触发信号作用下，工业相机的图像采集时间(包括触发响应，图像传输和图像保存的时间)为t_c，则单个视角获得点云数据的纵向空间分辨率为l_s＝t_oc·ν。受相机固有的图像采集时间的限制，轴角编码器触发信号的时间间隔为

需大于t_c，即单视角的空间间隔l_s>t_c·ν。两个线激光平行放置，间距为L，当满足：

其中α为第2个视角周期性图像采集所占l_s的比例。当α＝1/2时，纵向空间分辨率相比单视角提高了1倍。两个激光发射器位置平行设置，间距为L，

本装置用到的一维移动部件的运动轴半径r＝30mm，轴角编码器分辨率R＝134ppr，n取50，取α＝1/2，即第2个视角周期性图像采集所占ls的比例为1/2，得到的L≈71mm。一维移动部件上安装立体靶标，其能带动立体靶标运动，其运动方向平行于立体靶标标定平面。结果见表1：

表1：两激光发射器间距的设置

步骤2，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集正对的立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；Tsai标定法已知的内部参数有图像主点坐标(u₀,v₀)，像元尺寸d_x,d_y，则相机成像的数学模型为：

其中f是相机内参，R是旋转矩阵，T是平移向量，s是尺度因子输入四个特征点以上的图像坐标和其对应的世界坐标的可以求解出相机的内外参数。

具体的，固定立体靶标其中一个面为世界坐标系(X_w,Y_w,Z_w)，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集一张对应的同一标定面的图像，计算相机坐标和姿态数据，标定面所对应的坐标系作为对应相机的世界坐标系。采集时，必须保证保持立体靶标位置不变。结果如表2-表3：

表2：第一个相机标定结果

表3：第二个相机标定结果

步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；激光平面的方程是：

aX_wi+bY_wi+cZ_wi+d＝0

其中(X_Wi,Y_Wi,Z_Wi)表示第i个特征点的世界坐标，取激光平面上不共线的三点(X_W1,Y_W1,Z_W1)，(X_W2,Y_W2,Z_W2),(X_W3,Y_W3,Z_W3)，根据不共线的三点确定一个平面：

整理得

可以解得激光平面方程。

具体的，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面内几条不重合的直线所成的像，通过交比不变性求得激光线上若干点的在唯一世界坐标系下的世界坐标，即可拟合线激光平面方程，确定线激光平面相对于唯一世界坐标系的位置关系，结果如表4-表5所示：

表4：第一个激光平面标定结果

表5：第二个激光平面标定结果

a	b	c	d
				35.1874	-1932	-19.7438	-7.7893e+04

步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离；相机相邻两次工作间隔时间t，假设相机每隔时间t所取得两幅图片的同一个特征点的世界坐标是(X_W1,Y_W1,Z_W1)，(X_W2,Y_W2,Z_W2)，一维移动部件运动一段距离，其中相机工作了n次，则有n-1个工作间隔，则一维移动部件的标定结果为：

其中(Δx,Δy,Δz)是相机相邻两次工作，待测物体的移动距离。

具体的，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，分别识别两幅图像中同一位置，求得一维移动部件的运动方向和距离，一维移动部件带动立体靶标移动时，每运动一定脉冲时，相机对应采集一个标定面的图像，对标定面进行识别分析，可以得出待扫描物体每次移动的距离，将多组激光线的图像相同的移动距离即可得出待扫描物体表面的三维数据。平移运动台的标定结果如表6：

表6：平移运动台标定结果

步骤5，标定完成后，对待测物体进行双视角线激光扫描三维成像；

具体的，移走立体靶标，在一维移动部件上安装待测物体，调整待扫描物体位置，使激光线投射在待扫描物体上，使用一维移动部件带动待扫描物体沿标定的方向做一维运动，使用相机同时对待扫描物体采集图像，将采集的图像传输回计算机，对图像进行处理，得到两个相机扫描物体的坐标数据。

步骤6，通过两个相机对立体靶标同一标定面进行标定，统一到世界坐标系中，即标定各面所成的像拼接在一起，完成双视角线激光扫描三维成像；

具体的，线激光扫描三维成像所得的像的坐标数据，由于两个相机统一到一个世界坐标系中，即利用两个相机与立体靶标的同一标定面的空间关系建立了联系，通过转换使得各面的数据建立在同一平面确定的世界坐标系下，即两个相机三维成像得到的坐标数据将会自动建立在统一世界坐标系下，实现自动融合。

立体靶标是由高精度定制特殊物体，由于其空间形状的特殊性，很容易实现单一视角标定、双视角全局标定、激光平面标定、平移台标定，即利用单一物件实现了所有的标定过程。

激光平面标定时，将各激光在空间上错开，利用光平面在立体靶标棱处形成的两条非共线直线完成单一光平面的标定，同样利用各相机与立体靶标上标定面的空间关系，将各光平面方程转换建立在确定的唯一世界坐标系下。

步骤7，将两个相机所成的不同面的像拼接在一起；

具体的，线激光扫描三维成像所得的像的坐标是在世界坐标系下，标定面的位置已知，即通过两个相机坐标系与同一世界坐标系之间的相互转化使两个相机所成的待扫描物体的相同面的像重合；两个坐标在同一世界坐标系中显示，则待扫描物体两个不同的面便能拼接在一起全局效果图见图4，局部效果图见图5。

Claims (8)

1.一种双视角线激光扫描三维成像方法，其基于双视角线激光扫描三维成像装置，所述双视角线激光扫描三维成像装置包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头；其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤1，搭建所述的双视角线激光扫描三维成像装置，使用两个单个线激光扫描三维成像组合对向立体靶标的同一个面，且两个激光发射器的间距设置成L；

步骤2，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集正对的同一立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；

步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折角线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；

步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离；

步骤5，标定完成后，对待测物体进行双视角线激光扫描三维成像；

步骤6，通过两个相机对立体靶标指定平面进行标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成双视角线激光扫描三维成像；

步骤1中的两个激光发射器的间距L应当满足：

其中，v为一维移动平台的移动速度，R为轴角编码器的分辨率，r为一维移动平台的运动轴的半径，n能取任意正整数，α为第2个视角周期性图像采集所占l_s的比例，l_s为单个视角获得点云数据的纵向空间分辨率，且l_s＝t_oc·ν；t_oc为轴角编码器触发信号的时间间隔，且

2.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：所述立体靶标是正四棱柱，所述激光发射器、相机以及镜头均设置有两个。

3.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：所述激光发射器平行设置在立体靶标的侧上方，所述激光发射器的激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间平行。

4.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：所述相机设置于相应所述激光发射器的一侧，且镜头对着立体靶标设置。

5.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：所述立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。

6.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：步骤2中Tsai标定法已知的内部参数有图像主点坐标(u₀,v₀)，像元尺寸d_x,d_y，则相机成像的数学模型为：

其中，f是相机内参，R是旋转矩阵，T是平移向量，s是尺度因子，输入四个特征点以上的图像坐标和其对应的世界坐标求解出相机内外参数，其中(X_Wi,Y_Wi,Z_Wi)表示第i个特征点的世界坐标。

7.如权利要求6所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：步骤3中激光平面的方程是：

aX_wi+bY_wi+cZ_wi+d＝0

其中，(X_Wi,Y_Wi,Z_Wi)表示第i个特征点的世界坐标，取激光平面上不共线的三点(X_W1,Y_W1,Z_W1)，(X_W2,Y_W2,Z_W2),(X_W3,Y_W3,Z_W3)，根据不共线的三点确定一个平面：

整理得

解得激光平面方程。

8.如权利要求7所述的一种双视角线激光扫描三维成像方法，其特征在于：步骤4中一维移动部件的运动方向和距离的求取过程如下：

相机相邻两次工作间隔时间t，假设相机每隔时间t所取得两幅图片的同一个特征点的世界坐标是一维移动部件运动一段距离，其中相机工作了n次，则有n-1个工作间隔，则一维移动部件的标定结果为：

其中(Δx,Δy,Δz)是相机相邻两次工作的待测物体的移动距离。

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