CN113310430A - 一种四线四目三维激光扫描仪及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四线四目三维激光扫描仪，包括外壳、四组工业相机镜头模组、四组激光模组、图像采集控制系统和上位机，所述外壳内设置底板，所述四组工业相机镜头模组以两两90°的间隔沿着底板的边缘均匀分布，所述四组激光模组呈圆周状等间隔分布在底板的中间，所述工业相机镜头模组和激光模组一一对应，所述工业相机镜头模组包括工业相机和镜头，所述镜头安装在工业相机上，所述激光模组包括激光器，所述图像采集控制系统包括控制器，所述控制器与工业相机连接，所述控制器控制工业相机采集激光器扫描的图像数据，所述控制器与上位机电连接。本发明还提供了上述四线四目三维激光扫描仪的扫描方法。

Description

一种四线四目三维激光扫描仪及扫描方法

技术领域

本发明涉及机器视觉、三维视觉重建测量领域，尤其涉及一种四线四目三维激光扫描仪及扫描方法。

背景技术

线激光扫描是一种非接触主动式快速获取物体表面三维密集点云的技术，较之传统的检测方法，利用线激光扫描对物体表面信息提取的方式具有数据量大、测量速度快和精度高等突出特点，尤其适用于一些高精度或者危险的工作场合，而且系统稳定，可长时间不间断工作，易于实现智能化控制。

目前中国在视觉测量上取得了一定的进展，但大部分扫描设备是单线单目扫描系统，在完整还原被测物体点云轮廓上仍存在很多不足，需要进行多次扫描才能消除遮挡引起的盲区问题，操作复杂，且扫描速度和精度与国外产品存在较大差距。而对于多线多目线激光扫描设备，中国仍处于空白，因此为了提升线激光扫描设备的整体性能和改善国外垄断境况，设计一种四线四目多视角线激光扫描仪至关重要。

线激光扫描的原理是一个激光发射器经过鲍威尔棱角的光学元件，投射出一条线激光在物体表面。而在线激光投射器的另一侧，存在一个光学传感器如CCD或者CMOS相机来接收线激光照片。被测物体一般高度会存在不同的变化，当线激光扫描不同位置物体高度改变时，在相机感光元件上面的成像会随着移动，也就是说物体的成像位置是会随着激光点在物体上面的高度改变而发生改变。根据它们之间存在的三角测量原理，经解算就可得到被测物体表面所有相应位置的三维高度信息。

线激光三维测量法配合一定的扫描运动，可以快速获取物体表面的三维数据，且扫描过程简单。但也存在一定的局限性：1)上述单线激光扫描对于面型较复杂的物体(含有四角的物体或者复杂的多面体)需要进行多次重复的扫描，且测量范围较小，对于面型复杂的曲面物体或部分区域被遮挡的物体，会存在扫描盲区，导致部分点云轮廓数据缺失；2)单线单目对于场景的适应性较差，系统测量稳定性较差，不能运用于复杂的工作环境中去，如大型零件的边缘轮廓测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种扫描范围广、扫描得到的点云轮廓完整的四线四目三维激光扫描仪及扫描方法。

本发明提供一种四线四目三维激光扫描仪，包括外壳、四组工业相机镜头模组、四组激光模组、图像采集控制系统和上位机，所述外壳内设置底板，所述四组工业相机镜头模组以两两90°的间隔沿着底板的边缘均匀分布，所述四组激光模组呈圆周状等间隔分布在底板的中间，所述工业相机镜头模组和激光模组一一对应，所述工业相机镜头模组包括工业相机和镜头，所述镜头安装在工业相机上，所述激光模组包括激光器，所述图像采集控制系统包括控制器，所述控制器与工业相机连接，所述控制器控制工业相机采集激光器扫描的图像数据，所述控制器与上位机电连接。

进一步地，所述底板上通过螺栓连接四组弯板，所述弯板上开设弧形滑槽，所述工业相机镜头模组通过螺钉连接在相机固定平板上，所述相机固定平板上一体连接螺柱，所述螺柱穿设在弧形滑槽内可沿着弧形滑槽滑动，所述螺柱在弧形滑槽内滑动进而带动对应的工业相机镜头模组的角度和水平距离发生改变，所述螺柱的一端设置用于固定其位置的旋紧螺母。

进一步地，所述控制器包括采集单元和相机触发单元，所述采集单元集成在相机触发单元上，所述工业相机采集到的图像数据通过采集单元传输给上位机。

本发明还提供了上述四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，包括以下步骤：

S1，对单个工业相机和激光器进行相机标定与相机坐标系下的线激光平面标定；

S2，利用标定得到的线激光平面在相机坐标系里的位姿，移动激光扫描仪对物体表面进行扫描采集，得到物体表面的线激光条纹轮廓图，然后利用线激光平面表达式解算出单帧线激光条纹轮廓的高度信息，将连续扫描得到的多帧图像的高度信息进行拼接得到物体表面点云轮廓信息；

S3，对四个相机进行联合标定，将四个视场的点云坐标转换到同一个相机坐标系里；

S4，从不同的位置和角度对物体进行扫描进行三维点云配准；

S5，进行三维点云重建；

S6，利用上位机输出重建后的三维点云渲染图。

进一步地，步骤S1中，采用基于二维棋盘格靶标的张正友标定法对工业相机进行标定，假设靶标平面位于世界坐标系Z＝0的平面上，通过线性模型求出相机参数的优化解，再根据最大似然估计法对相机参数进行非线性优化，得到相机带有畸变系数的内外参数，从而得到单次标定像素坐标系到世界坐标系的变换关系。

进一步地，步骤S4中，采用迭代最近点算法进行三维点云配准，具体步骤为：

S401，对于两组具有关联性的参考点云数据P和目标点云Q需要进行匹配，将参考点云数据P变换到目标点云Q，借助一定的特征描述子，在目标点云Q和参考点云数据P中分别找到对应相同的特征点，构成特征点对集合；

S402，对于参考点云数据P中的每个数据点pi，采用k-d树算法进行搜索得到其在目标点云Q中最近的点；利用搜索算法找到的点云对构建目标函数E(R,t)，利用奇异值分解求取其最小值时的变换矩阵(R,t)，根据步骤S401中已知的特征点对集合计算配准后坐标点与实际坐标点的距离，并以此作为迭代判断指标；

S403,设定一个阈值，通过多次迭代，当原始点云和目标点云之间的距离差值小于预先设定的阀值时，停止迭代，由所求得的旋转矩阵和平移矩阵，对参考点云P进行刚体变换，即可以得到配准的结果。

进一步地，步骤S6中，利用上位机输出重建后的三维点云渲染图的过程为：所述上位机发送信号给控制器，所述控制器接收到信号后对工业相机进行触发采集控制，所述工业相机采集图像并将采集到的图像回传给控制器，所述控制器将接收到的图像发送给上位机，所述上位机输出四视场每部分的单帧线激光轮廓图及点云图，进一步处理后可输出四视场融合的三维点云渲染图，即实现三维点云可视化。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明提供的激光扫描仪采用405nm波长的线激光器进行扫描，且四组工业相机与线激光器呈圆周对称分布，构成了四组单线单目线激光传感器，从而可以从四个视场进行全角度无盲区的三维扫描；

2、本发明提供的激光扫描仪的工业相机与激光器的角度可调节，使得扫描仪可以根据不同的工作环境和扫描物件进行调整，改变工作距离和扫描视场；

3、本发明提供的激光扫描仪的四个工业相机的四视场得到的点云可以进行融合，且通过上位机可以在线展现物体表面的三维轮廓并进行检测与测量；

4、与传统的单线单目或者单线双目线激光传感器相比，本发明提供的激光扫描仪的扫描范围更广、扫描得到的点云轮廓更加完整、复杂环境的适用性更强，在对物体进行扫描时，无需多次不同角度的扫描，只需一次即可完成对物体外轮廓的重建，相对于高昂的进口产品成本低，可以有效弥补多线扫描仪的空白。

附图说明

图1是本发明一种四线四目三维激光扫描仪的主视图。

图2是本发明一种四线四目三维激光扫描仪的立体图。

图3是本发明一种四线四目三维激光扫描仪的图像采集控制系统封装在外壳内的示意图。

图4是本发明一种四线四目三维激光扫描仪的弯板与工业相机镜头模组连接的示意图。

图5是本发明一种四线四目三维激光扫描仪的弯板与工业相机镜头模组连接的后视图。

图6是工业相机标定的坐标转换示意图。

图7是工业相机标定的原理示意图。

图8是线激光平面标定的原理示意图。

图9是物体表面的线激光条纹轮廓图。

图10是四个相机进行联合标定的示意图。

图11是三维点云配准的原理示意图。

图12是三维点云重建的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1-图3，本发明的实施例提供了一种四线四目三维激光扫描仪，包括外壳1、四组工业相机镜头模组2、四组激光模组3、图像采集控制系统4和上位机；本实施例中，上位机为安装有安易博脉冲触发软件的计算机。

外壳1内设置底板5，底板5上通过螺栓连接四组弯板6，弯板6与工业相机镜头模组2一一对应，参考图4和图5，弯板6上开设弧形滑槽61，工业相机镜头模组2通过螺钉连接在相机固定平板7上，相机固定平板7上一体连接螺柱71，螺柱71穿设在弧形滑槽61内可沿着弧形滑槽61滑动，螺柱71在弧形滑槽61内滑动进而带动对应的工业相机镜头模组2的角度和水平距离发生改变，螺柱71的一端设置用于固定其位置的旋紧螺母72。

四组工业相机镜头模组2以两两90°的间隔沿着底板5的边缘均匀分布，工业相机镜头模组2和激光模组3一一对应，工业相机镜头模组2包括工业相机21和镜头22，镜头22安装在工业相机21上。

四组激光模组3呈圆周状等间隔分布在底板5的中间，激光模组3包括405nm一字形线激光器31；本实施例中，工业相机21与405nm一字形线激光器31之间的夹角可调节范围为30°-45°。

图像采集控制系统4封装在外壳1内，其包括控制器41，控制器41与工业相机21连接，控制器41控制工业相机21采集405nm一字形线激光器31扫描的图像数据，控制器41与上位机电连接，控制器41包括采集单元411和相机触发单元412，采集单元411集成在相机触发单元412上，工业相机21采集到的图像数据通过采集单元411传输给上位机，控制器41的工作原理为：控制器41接受到上位机指令后输出一定频率的高低脉冲，控制工业相机21以一定帧率进行硬触发采集，并且通过采集单元411将采集到的图像数据与计算机进行通讯传输，与上位机通过USB3.0协议传输数据。

本发明的实施例还提供了上述四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，包括以下步骤：

步骤S1，对单个工业相机21和405nm一字形线激光器31进行相机标定与相机坐标系下的线激光平面标定；本实施例提供的激光扫描仪相当于由四组单线单目激光扫描系统组成，每组单线单目扫描系统原理相同，如图6和图7所示，采用基于二维棋盘格靶标的张正友标定法对工业相机21进行标定，假设靶标平面位于世界坐标系Z＝0的平面上，通过线性模型求出相机参数的优化解，再根据最大似然估计法对相机参数进行非线性优化，得到相机带有畸变系数的内外参数，从而得到单次标定像素坐标系到世界坐标系的变换关系；在得到上述的坐标变换关系后，405nm一字形线激光器31投射线激光平面到平面棋盘格上形成激光条纹，并通过工业相机21采集激光条纹图像，然后，对图像进行处理，提取激光条纹上的多个特征点，参考图8，根据相机标定找到其在相机坐标系下的坐标，改变标定板位置，按照一定的约束进行移动，从一个标定位置移动到另一个位置，同样计算出特征点在相机坐标系下的坐标，从而产生两条不共线的激光条纹，利用上述相同的图像处理方法再次提取激光条纹上的多个特征点，最后，利用线激光平面上的四个点来确定线激光平面方程参数a、b、c、d；在相机参数标定的过程中，同时完成线激光平面方程参数的标定，同时，不需要加工高精度的三维标定靶标，也不需要手工测量，标定过程简单实用；

步骤S2，利用标定得到的线激光平面在相机坐标系里的位姿，移动激光扫描仪对物体表面进行扫描采集，得到物体表面的线激光条纹轮廓图，参考图9，例如ProfileA与ProfileB为两个相邻时刻工业相机采集到的线激光条纹轮廓图，然后利用线激光平面表达式a*x+b*y+c*z+d＝0解算出单帧线激光条纹轮廓的高度信息z，将连续扫描得到的多帧图像的高度信息进行拼接得到物体表面点云轮廓信息；

步骤S3，对四个相机进行联合标定，将四个视场的点云坐标转换到同一个相机坐标系里；在步骤S2中得到单线单目激光扫描系统的点云重建，即其中一组相机与线激光的标定重建工作，而整个系统包括四组工业相机21与线激光，每组线激光与工业相机21的重建思路相同，但上述得到四个视场的点云分别建立在四个相机坐标系里面，为了将四组相机线激光扫描得到的点云融合到一个坐标系里面，这里利用双目标定的原理对四个相机进行联合标定，得到四个相机坐标系的相互变换关系，将其中三个相机坐标系转换到一个坐标系里面，四目相机成像模型如图10所示，在四目摄像机系统中，对四对相邻相机进行两两标定后，即可以求得任意两个工业相机21之间的位姿关系，根据各工业相机21间的位姿关系，可以将任意视角下的三维信息变换到同一坐标系下，这里可以对相机A与相机B进行双目标定，得到它们之间的位姿后即可将相机坐标系BB转换到相机坐标系AA中，同样对相机A相机C、相机C相机D分别进行相机标定，将相机坐标系CC、DD分别转换到相机坐标系AA中，此时就将四个视场的点云坐标转换到同一个相机坐标系里面；

步骤S4，从不同的位置和角度对物体进行扫描进行三维点云配准；图像配准目的在于比较或融合，针对同一对象在不同视场下获取的图像，因为激光扫描光束受物体遮挡的原因，不可能通过一次扫描完成对整个物体的三维点云的获取，因此需要从不同的位置和角度对物体进行扫描，三维匹配的目的就是把多视场扫描的点云数据拼接在一起，这里采用最近点迭代算法ICP，而ICP算法的迭代实现需要一个良好的初始位置，步骤S3采用的四目联合标定，即为点云配准实现了粗配准，尽可能将四视场点云的位置靠近，为ICP精配准提供了良好的位置，参考图11，三维点云配准的具体步骤为：

步骤S401，对于两组具有关联性的参考点云数据P和目标点云Q需要进行匹配，将参考点云数据P变换到目标点云Q，借助一定的特征描述子，在目标点云Q和参考点云数据P中分别找到对应相同的特征点，构成特征点对集合；

步骤S402，对于参考点云数据P中的每个数据点pi，采用k-d树算法进行搜索得到其在目标点云Q中最近的点；利用搜索算法找到的点云对构建目标函数E(R,t)，利用奇异值分解求取其最小值时的变换矩阵(R,t)，根据步骤S401中已知的特征点对集合计算配准后坐标点与实际坐标点的距离，并以此作为迭代判断指标；

步骤S403,设定一个阈值，通过多次迭代，当原始点云和目标点云之间的距离差值小于预先设定的阀值时，停止迭代，由所求得的旋转矩阵和平移矩阵，对参考点云P进行刚体变换，即可以得到配准的结果。

步骤S5，进行三维点云重建；激光扫描得到的数据点是无序散乱的，因而本实施例采用Delaunay三角剖分算法,由Delaunay三角剖分算法分割点云数据得到的三角网格有以下几个特点：所有的三角网格均符合Thiessen区域准则和最小内角最大准则，最大限度地保证了构造的三角形满足近似等边性，所有构造三角形都具有空外接圆，三维点云重建的示意图见图12；

步骤S6，利用上位机输出重建后的三维点云渲染图，具体过程为：上位机发送信号给控制器41，控制器41接收到信号后对工业相机21进行触发采集控制，工业相机21采集图像并将采集到的图像回传给控制器，控制器41将接收到的图像发送给上位机，上位机输出四视场每部分的单帧线激光轮廓图及点云图，进一步处理后可输出四视场融合的三维点云渲染图，即实现三维点云可视化。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四线四目三维激光扫描仪，其特征在于，包括外壳、四组工业相机镜头模组、四组激光模组、图像采集控制系统和上位机，所述外壳内设置底板，所述四组工业相机镜头模组以两两90°的间隔沿着底板的边缘均匀分布，所述四组激光模组呈圆周状等间隔分布在底板的中间，所述工业相机镜头模组和激光模组一一对应，所述工业相机镜头模组包括工业相机和镜头，所述镜头安装在工业相机上，所述激光模组包括激光器，所述图像采集控制系统包括控制器，所述控制器与工业相机连接，所述控制器控制工业相机采集激光器扫描的图像数据，所述控制器与上位机电连接。

2.根据权利要求1所述的四线四目三维激光扫描仪，其特征在于，所述底板上通过螺栓连接四组弯板，所述弯板上开设弧形滑槽，所述工业相机镜头模组通过螺钉连接在相机固定平板上，所述相机固定平板上固定连接螺柱，所述螺柱穿设在弧形滑槽内可沿着弧形滑槽滑动，所述螺柱在弧形滑槽内滑动进而带动对应的工业相机镜头模组的角度和水平距离发生改变，所述螺柱的一端设置用于固定其位置的旋紧螺母。

3.根据权利要求1所述的四线四目三维激光扫描仪，其特征在于，所述控制器包括采集单元和相机触发单元，所述采集单元集成在相机触发单元上，所述工业相机采集到的图像数据通过采集单元传输给上位机。

4.权利要求1-3任一项所述四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对单个工业相机和激光器进行相机标定与相机坐标系下的线激光平面标定；

S2，利用标定得到的线激光平面在相机坐标系里的位姿，移动激光扫描仪对物体表面进行扫描采集，得到物体表面的线激光条纹轮廓图，然后利用线激光平面表达式解算出单帧线激光条纹轮廓的高度信息，将连续扫描得到的多帧图像的高度信息进行拼接得到物体表面点云轮廓信息；

S3，对四个相机进行联合标定，将四个视场的点云坐标转换到同一个相机坐标系里；

S4，从不同的位置和角度对物体进行扫描进行三维点云配准；

S5，进行三维点云重建；

S6，利用上位机输出重建后的三维点云渲染图。

5.根据权利要求4所述的四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，其特征在于，步骤S1中，采用基于二维棋盘格靶标的张正友标定法对工业相机进行标定。

6.根据权利要求4所述的四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，其特征在于，步骤S4中，采用迭代最近点算法进行三维点云配准。

7.根据权利要求4所述的四线四目三维激光扫描仪的扫描方法，其特征在于，步骤S6中，利用上位机输出重建后的三维点云渲染图的过程为：所述上位机发送信号给控制器，所述控制器接收到信号后对工业相机进行触发采集控制，所述工业相机采集图像并将采集到的图像回传给控制器，所述控制器将接收到的图像发送给上位机，所述上位机输出四视场每部分的单帧线激光轮廓图及点云图。

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