CN111076676A - 一种水下三维扫描仪及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下三维扫描仪及控制方法，包括：上位机、密封舱以及安装于密封舱内部的线激光器、照明模块、成像模块、姿态传感器、通信模块；所述线激光器、照明模块、成像模块和姿态传感器均通过通信模块与上位机相连。本发明结构合理、操作简单，能够快速的获得水下目标物三维重构信息。

Description

一种水下三维扫描仪及控制方法

技术领域

本发明实施例涉及一种三维信息扫描装置，尤其涉及水下三维扫描仪及控制方法。

背景技术

随着海洋探测的不断发展，工程上对水下探测提出了更高的需求，水下三维扫描技术获得了较多的关注。通过水下三维扫描技术可以在不捕获的前提下对水下目标物的三维结构进行准确的测量。

线结构光三维扫描技术是利用相机拍摄照射到目标物上的激光线，利用三角测量原理来实现目标物的三维重构。该方法具有快速、高精度、操作简单等优点。其测量精度主要依赖于推扫装置的运动精度、结构光图像解析精度。但是，现有的水下三维扫描装置主要通过对空气中的普通三维扫描装置进行简单密封后适用于水下环境中。并未考虑到水下成像具有对比度低、色彩偏差等问题。因此会使得图像中线结构光不清晰等问题导致现有的水下三维扫描装置无法满足高精度建模的需求。

发明内容

本发明实施例填补了现有技术的空白，提供了一种水下三维扫描仪及控制方法。

为了达到上述目的，本发明实施例是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种水下三维扫描仪，包括：上位机、密封舱以及安装于密封舱内部的线激光器、照明模块、成像模块、姿态传感器、通信模块；所述线激光器、照明模块、成像模块和姿态传感器均通过通信模块与上位机相连。

进一步地，所述成像模块包括光学对焦镜头、分光镜、滤色片、彩色相机、单色相机；所述分光镜安装于光学对焦镜头后方，将光路一分为二；所述滤色片放置于分光镜后方一侧，且透过波段包含线激光器所发出的激光波段；所述单色相机放置于滤色片后，以接收高对比度的结构光图像；所述彩色相机放置于分光镜后方另一侧，以接收目标物彩色图像。

进一步地，所述光学对焦镜头的光学放大倍率大于2倍，用于目标物的光学对焦。

进一步地，所述照明模块包括LED组合阵列，所述LED阵列单元均与聚光罩结合，所述照明模块与通信模块相连接，上位机通过通信模块分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭以及供电电压。

进一步地，所述LED组合阵列固定在拖曳体的下表面。

进一步地，所述通信模块包括网络交换机、网口-串口转换器、发送端光端机；所述发送端光端机通过光电复合缆与船载的上位机进行通信，并将数据转发给网络交换机；所述网络交换机通过网线与彩色相机、单色相机、网口-串口转换器相连，以传输图像信号和控制信号；所述网口-串口转换器与照明模块、线激光器、光学对焦镜头相连，用于传输控制信号。

进一步地，密封舱内部还安装有电源模块，所述电源模块为整个水下三维扫描仪提供工作电压。

进一步地，所述密封舱主要由腔体、安装在腔体下方的下端盖和安装在腔体上方的上端盖组成，通过O形圈实现静密封，下端盖嵌有一块透明耐压玻璃，上端盖安装一个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输。

进一步地，所述姿态传感器的测量频率应大于50Hz。

第二方面，本发明实施例还提供一种水下三维扫描仪的控制方法，包括如下步骤：

(1)使用光电复合缆连接水下三维扫描仪和上位机相连接，并将水下三维扫描仪安装于拖体或者水下运载器上；

(2)水下三维扫描仪接通电源后，上位机通过通信模块控制光学对焦镜头，以获得清晰的目标物图像；

(3)当水下三维扫描仪运动到目标物上方时，上位机通过采集单色相机、彩色相机、姿态传感器的信号，并通过计算获得水下目标物的三维重构信息。

采用上述技术方案，本发明实施例的有益效果是：通过密封舱使得三维扫描技术可以应用于水下环境中，扩展了三维扫描技术的应用范围。使用分光镜使系统可以同时拍摄目标物彩色图像和高对比度的线结构光图像，可以在三维重构的同时保留目标物本身图像细节，并极大的提高三维扫描精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中成像模块结构示意图；

图中，密封舱1、线激光器2、成像模块3、通信模块4、电源模块5、目标物6、照明模块7、姿态传感器8、光学对焦镜头9、分光镜10、滤色片11、单色相机12、彩色相机13。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有的实施方式。相反，它们仅是与如所附中权利要求书中所详述的，本申请的一些方面相一致的装置的例子。本说明书的各个实施例均采用递进的方式描述。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种水下三维扫描仪，包括上位机、密封舱1以及安装于密封舱1内部的线激光器2、照明模块7、成像模块3、姿态传感器8、通信模块4；所述线激光器2用于发出测量所需的线结构光；成像模块3用于采集目标物6彩色图像以及结构光图像；姿态传感器8用于测量当前时刻扫描仪的运动速度和姿态以辅助三维重构计算；通信模块4与线激光器2、照明模块7、成像模块3、姿态传感器8相连接，以和上位机进行传输图像数据、姿态数据和控制信号。

在本实施例中，所述照明模块7包括LED组合阵列，所述LED阵列单元均与聚光罩结合，使得光束收缩，出射能量聚集在成像区域内；所述照明模块7与通信模块4相连接，控制单元分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭以及供电电压，以控制照明模块7出射光线的照明强弱。

在本实施例中，如图2所示，所述成像模块3包括光学对焦镜头9、分光镜10、滤色片11、彩色相机13、单色相机12所组成；所述光学对焦镜头9的光学放大倍率大于2倍，用于目标物6的光学对焦；所述分光镜10安装于光学对焦镜头9后方，将光路一分为二；所述滤色片11放置于分光镜10后方一侧，且透过波段包含线激光器2所发出的激光波段；所述单色相机12放置于滤色片11后，以接收高对比度的结构光图像；所述彩色相机13放置于分光镜10后方另一侧，以接收目标物6的彩色图像。

在本实施例中，所述姿态传感器8其固定于密封舱1内，用于测量水下三维扫描仪运动方向和速度，其测量频率应大于50Hz。

在本实施例中，所述通信模块4包括网络交换机、网口-串口转换器、发送端光端机；所述发送端光端机通过光电复合缆与上位机进行通信，并将数据转发给网络交换机；所述网络交换机通过网线与彩色相机13、单色相机12、网口-串口转换器相连以传输图像信号和控制信号；所述网口-串口转换器与照明模块7、线激光器2、光学对焦镜头9相连，用于传输控制信号；上位机通过发送控制指令以完成对三维扫描仪的所有控制。

在本实施例中，还可以配设电源模块5，所述电源模块5与线激光器2、照明模块7、成像模块3、姿态传感器8、通信模块4相连，为整个水下三维扫描仪提供工作电压。该电源模块5可以搭载在密封舱内，这样更方便一些，当然也可以是通过线缆直接给水下三维扫描仪供电。

在本实施例中，所述密封舱1主要由腔体、安装在腔体下方的下端盖和安装在腔体上方的上端盖组成，通过O形圈实现静密封，下端盖安装有一块透明耐压玻璃，上端盖安装一个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱1内部与外部实现信号传输或电力传输。

本实施例中单色相机可以采用大恒图像公司MER-1220-9GM型号的产品，但不限于从；彩色相机可以采用大恒图像公司MER-2000-5GC型号的产品，但不限于从；光学变焦镜头可以采用Thorlabs公司的MVL6X12Z型号的产品，但不限于从；分光镜可以采用Thorlabs公司的EBP1型号产品，但不限于从；线激光器2可以采用富喆激光科技公司FU515AL10-HGD1465型号的产品，但不限于此；电源模块5可以采用明纬电子科技公司S-350型号的产品，但不限于此。

实施例2：

本实施例提供一种水下三维扫描仪的控制方法，该方法基于实施例1提供的一种水下三维扫描仪，包括如下步骤：

(1)使用光电复合缆连接水下三维扫描仪和上位机相连接，并将水下三维扫描仪安装于拖体或者水下运载器上；

(2)利用上位机进行姿态传感器8校准、成像模块3校准，校准成功后将水下运载器运送到目标区域；

(3)上位机通过通信模块4控制光学对焦镜头9，以获得清晰的目标物6图像；

(4)当水下三维扫描仪运动到目标物6上方时，上位机通过采集单色相机12、彩色相机13、姿态传感器8的信号，并通过计算获得水下目标物6的三维重构信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本技术领域的技术人员认为，随着技术的发展，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本构想，因此，本发明及其实施例不限于上文所述的实例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下三维扫描仪，其特征在于，包括：上位机、密封舱以及安装于密封舱内部的线激光器、照明模块、成像模块、姿态传感器、通信模块；所述线激光器、照明模块、成像模块和姿态传感器均通过通信模块与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述成像模块包括光学对焦镜头、分光镜、滤色片、彩色相机、单色相机；所述分光镜安装于光学对焦镜头后方，将光路一分为二；所述滤色片放置于分光镜后方一侧，且透过波段包含线激光器所发出的激光波段；所述单色相机放置于滤色片后，以接收高对比度的结构光图像；所述彩色相机放置于分光镜后方另一侧，以接收目标物彩色图像。

3.根据权利要求2所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述光学对焦镜头的光学放大倍率大于2倍，用于目标物的光学对焦。

4.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述照明模块包括LED组合阵列，所述LED阵列单元均与聚光罩结合，所述照明模块与通信模块相连接，上位机通过通信模块分别控制任何一个LED阵列单元的开启或关闭以及供电电压。

5.根据权利要求4所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述LED组合阵列固定在拖曳体的下表面。

6.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述通信模块包括网络交换机、网口-串口转换器、发送端光端机；所述发送端光端机通过光电复合缆与船载的上位机进行通信，并将数据转发给网络交换机；所述网络交换机通过网线与彩色相机、单色相机、网口-串口转换器相连，以传输图像信号和控制信号；所述网口-串口转换器与照明模块、线激光器、光学对焦镜头相连，用于传输控制信号。

7.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，密封舱内部还安装有电源模块，所述电源模块为整个水下三维扫描仪提供工作电压。

8.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述密封舱主要由腔体、安装在腔体下方的下端盖和安装在腔体上方的上端盖组成，通过O形圈实现静密封，下端盖嵌有一块透明耐压玻璃，上端盖安装一个水密接插件，所述水密接插件用于密封舱内部与外部实现信号传输或电力传输。

9.根据权利要求1所述的一种水下三维扫描仪，其特征在于，所述姿态传感器的测量频率应大于50Hz。

10.根据权利要求2所述的一种水下三维扫描仪的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用光电复合缆连接水下三维扫描仪和上位机相连接，并将水下三维扫描仪安装于拖体或者水下运载器上；

(2)水下三维扫描仪接通电源后，上位机通过通信模块控制光学对焦镜头，以获得清晰的目标物图像；

(3)当水下三维扫描仪运动到目标物上方时，上位机通过采集单色相机、彩色相机、姿态传感器的信号，并通过计算获得水下目标物的三维重构信息。

Images