CN113566733A - 一种线激光视觉三维扫描装置及方法 - Google Patents

一种线激光视觉三维扫描装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线激光视觉三维扫描装置及方法，包括一组用于数据采集的可旋转角度的阵列式相机、可伸缩的相机支架和可旋转的线激光投影装置。利用将相机在不同视角采集的图像进行图像拼接，有效降低单一相机采集图像易受相机角度和物体表面反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响，提高三维重建的准确性；利用中间的RGB工业相机可以采集到被测物表面的颜色信息，利用图像处理技术优化扫描路径，方便对被测物的三维重建；利用可旋转角度的阵列式相机可以增加相机扫描的景深，实现对不同高度的零件扫描；利用可旋转的线激光投影装置，在该装置位置不变的情况下，实现对物体表面进行大范围三维重建，解决了传统线激光传感器测量范围小的问题。

Description

一种线激光视觉三维扫描装置及方法
技术领域
本发明主要涉及三维视觉传感器技术领域，具体涉及一种线激光视觉三维扫描装置及方法。
背景技术
三维成像技术是近年来研究焦点，该技术被广泛用于三维逆向重建，自动化在线检测等诸多领域；线激光由于其精度高，速度快，受环境干扰小等优点，在三维成像领域被广泛应用。现有的线激光技术主要采用投射某一特殊频段的激光，因此其成像的过程不会受到环境光的影响。激光线形式有很多种，如单线激光，条纹激光，网络激光等形式。
随着制造业的飞速发展，单一的二维图像信息已经不能满足工业的生产需要，利用线激光与相机结合的三维扫描系统已经受到越来越多人的重视。但传统的线激光轮廓传感器只能接收激光线周围的信息，且易受相机拍摄角度和相机景深的影响，测量范围有限；如果线激光照射在易反光的被测物表面，会产生强烈的反射光线，影响相机的对激光线信息的采集；线激光轮廓传感器只能获取被测物局部表面的三维点云信息，无法对被测物进行表面缺陷检测和目标识别。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种线激光视觉三维扫描装置及方法，解决了传统线激光传感器测量范围小；易受相机角度和物体表明反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响；解决了传统单目线激光传感器只能测量固定景深，固定视角的物体。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种线激光视觉三维扫描装置，包括扫描系统和数据处理系统：
所述扫描系统包括支架、线激光发生装置和成像装置三个部分。所述支架中部固定连接线激光发生装置，两侧和中间分别固定连接一个成像装置。支架两侧的成像装置用于采集线激光在被测物体表面的成像，支架中间的成像装置用于采集被测物的RGB图像。
所述数据处理系统包括相机标定单元、图像处理单元和三维重建单元。所述相机标定单元用于对各个成像装置中相机内参以及线激光平面的标定；所述图像处理单元用于提取支架两侧的成像装置拍摄的线激光图像，并进行图像拼接，对于采集的被测物的RGB图像，利用图像处理单元进行对被测物进行表面缺陷检测和目标识别，用于被测物的三维重建；所述三维重建单元根据世界坐标系与两个成像装置中相机坐标系的关系以及线激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
进一步地，所述成像装置分为第一成像装置、第二成像装置和第三成像装置，第一成像装置和第二成像装置以线激光发生装置为轴线分布在支架的两侧，第三成像装置安装在支架的中间位置。
进一步地，所述的第一成像装置与第二成像装置关于支架中间对称布置，且结构相同，均包含可旋转底板、相机、滤光片和旋转装置。所述可旋转底板固定在支架上，并利用旋转装置带动其旋转；相机固定连接在可旋转底板上；在相机的下方安装滤光片。
进一步地，所述旋转装置包含电机座、曲柄、连杆、固定板和电机，所述的连杆的一端利用轴承连接在垂直于可旋转底板的光轴上，另一端与曲柄的一端连接，所述曲柄的另一端与电机连接，使电机带动曲柄连杆旋转，实现调节相机的角度；所述电机固定在电机座上，所述电机座与固定板固定连接，所述固定板固定在支架上。
进一步地，所述的第三成像装置，包含第三相机和LED光源。所述第三相机位于线激光发生装置的前方，并利用螺钉固定在支架上，LED光源位于第三相机下方并与支架固定连接。
进一步地，所述滤光片可以过滤掉除线激光颜色外的其它颜色光，使相机只采集激光线数据。
进一步地，所述的线激光发生装置，包含线激光器、上同步带、下同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、左固定架、右固定架、旋转轴、伺服电机和编码器。所述伺服电机利用右固定架固定在支架上；所述伺服电机的末端通过第一同步带轮连接上同步带一端，所述上同步带的另一端通过第二同步带轮第一同步带轮与旋转轴连接；所述旋转轴下端与线激光器固定连接，利用伺服电机带动线激光器旋转；所述编码器利用第三同步带轮与下同步带一端连接；所述下同步带的另一端通过第四同步带轮与旋转轴连接，利用编码器实时记录旋转轴的旋转角度。
进一步地，所述相机标定单元分为标定相机的内参和激光平面，首先利用棋盘格标定法实现所述相机的内参标定；将激光线打在棋盘格上，利用图像处理提取激光线与所述棋盘格的交点坐标，改变棋盘格的位置进行多组实验，由于所述交点坐标都位于线激光平面上，利用最小二乘法即可标定出所述激光平面方程。
进一步地，所述三维重建单元具体为：
设P点为所述世界坐标系中的一点，则其在第一成像装置和第二成像装置的两个相机坐标系中的非齐次坐标分别为P1与P2。则根据下式建立所述世界坐标系与第一成像装置中相机坐标系和第二成像装置中相机坐标系的关系：
Figure BDA0003138836250000031
设线激光平面在世界坐标系下的方程为
z＝ax+by+c
则联立上式可以得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
其中a、b与c分别为线激光平面方程的参数；R1与T1为第一成像装置中相机的外部参数，即旋转和平移参数；R2与T2为第二成像装置中相机的外部参数。
本发明还提供了一种线激光视觉三维扫描方法，具体包含以下步骤：
S1、利用相机标定单元与相机成像原理分别对成像装置与线激光平面进行标定，得到线激光平面在相机坐标系下的位置。利用线激光发生装置中的编码器得到任意时刻线激光平面的旋转角度，进而得到线激光平面在相机坐标系下的任意时刻位置。
S2、利用线激光发生装置将线激光照射在被测物表面，第一成像装置中相机与第二成像装置中相机分别采集一组不同视角的图像。
S3、利用图像处理单元提取每张图像中的激光线的中心线，根据线激光平面在相机坐标系中的位置，计算得到被测物表面上的激光线的三维坐标。将第一成像装置中相机采集得到的激光线三维坐标与第二成像装置中相机采集得到的激光线三维坐标进行数据融合，实现对不同视角和不同景深的被测物进行测量，同时也解决了单一相机易受相机角度和物体表明反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响，提高三维重建的准确性。
S4、利用三维重建单元，根据世界坐标系与第一成像装置中相机坐标系和第二成像装置中相机坐标系的关系以及激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
本发明的有益效果：本发明提供了一种线激光视觉三维扫描装置及方法。具备以下有益效果：
(1)、该线激光视觉三维扫描装置及方法，通过将成像装置分为第一成像装置和第二成像装置，且以线激光发生装置为轴线分布在两侧。所述第一成像装置和第二成像装置用于采集线激光在被测物体表面的成像，分别得到多组左侧图像和右侧图像。利用将相机在不同视角采集的图像进行图像拼接，可以有效降低单一相机采集图像易受相机角度和物体表明反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响，提高三维重建的准确性；
(2)、利用中间的RGB工业相机可以采集到被测物表面的颜色信息，利用图像处理技术，可以实现对被测物的缺陷检测和物体识别，优化扫描路径，方便对被测物的三维重建；
(3)、通过改变相机支架的长度可以增大相机采集范围，使三维扫描装置可以适用更复杂的场景；利用可旋转角度的阵列式相机可以增加相机扫描的景深，从而在相机固定的情况下，实现对不同高度的零件扫描；
(4)、利用可旋转的线激光投影装置，可以在该装置位置不变的情况下，实现对物体表面进行大范围三维重建，解决了传统线激光传感器测量范围小的问题。
附图说明
此处说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意实施实例及其说明用于解释本发明；
图1是根据本发明所述实施实例的线激光图像融合传感器总体外观示意图；
图2是根据本发明所述实施实例成像装置结构示意图；
图3是根据本发明所述实施实例线激光发生装置结构示意图；
附图中，各标记所代表的部件名称如下：
1、支架，2、线激光发生装置，3、成像装置，21、线激光器，22、上同步带，23、下同步带，24、第一同步带轮，25、第二同步带轮，26、第三同步带轮，27、第四同步带轮，28、左固定架，29、右固定架，210、旋转轴，211、伺服电机，212、编码器，31、第一成像装置，32、第二成像装置，33、第三成像装置，311、第一可旋转底板，312、第一相机，313、第一滤光片，314、第一旋转装置，315第一电机座，316、第一曲柄，317、第一连杆，318、第一固定板，319、第一电机，321、第二可旋转底板，322、第二相机，323、第二滤光片，324、第二旋转装置，325第二电机座，326、第二曲柄，327、第二连杆，328、第二固定板，329、第二电机，331、第三相机，332、LED光源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种技术方案：一种线激光视觉三维扫描装置，包括扫描系统和数据处理系统：
所述扫描系统包括支架1、线激光发生装置2和成像装置3三个部分。所述支架1中部固定连接线激光发生装置2，两侧和中间分别固定连接一个成像装置3。支架1两侧的成像装置3用于采集线激光在被测物体表面的成像，分别得到多组线激光的左侧图像和右侧图像，支架1中间的成像装置3用于采集被测物的RGB图像。
所述成像装置3分为第一成像装置31、第二成像装置32和第三成像装置33，第一成像装置31和第二成像装置32以线激光发生装置2为轴线分布在支架的两侧，第三成像装置33安装在支架1的中间位置。
如图2所示，所述的第一成像装置31，包含第一可旋转底板311、第一相机312、第一滤光片313和第一旋转装置314。所述第一可旋转底板311位于支架1的左侧，并利用第一旋转装置314带动其旋转；第一相机312固定连接在第一可旋转底板311上；在第一相机312的下方安装第一滤光片313。所述第一旋转装置314包含第一电机座315、第一曲柄316、第一连杆317、第一固定板318和第一电机319，所述的第一连杆317的一端利用轴承连接在垂直于第一可旋转底板311的光轴上，另一端与第一曲柄316的一端连接，所述第一曲柄316的另一端与第一电机319连接，使第一电机319带动第一曲柄316和第一连杆317旋转，实现调节第一相机312的角度；所述第一电机319固定在第一电机座315上，所述第一电机座315与第一固定板318固定连接，所述第一固定板318固定在支架1左侧。
所述的第二成像装置32，包含第二可旋转底板321、第二相机322、第二滤光片323和第二旋转装置324。所述第二可旋转底板321位于支架1的右侧，并利用第二旋转装置324带动其旋转；第二相机312固定连接在第二可旋转底板311上；在第二相机312的下方安装第二滤光片313。所述第二旋转装置324包含第二电机座325、第二曲柄326、第二连杆327、第二固定板328和第二电机329，所述的第二连杆327的一端利用轴承连接在垂直于第二可旋转底板321的光轴上，另一端与第二曲柄326的一端连接，所述第二曲柄326的另一端与第二电机329连接，使第二电机329带动第二曲柄326和第二连杆327旋转，实现调节第二相机322的角度；所述第二电机329固定在第二电机座325上，所述第二电机座325与第二固定板328固定连接，所述第二固定板328固定在支架1右侧。
所述的第三成像装置33，包含第三相机331和LED光源332。所述第三相机331位于线激光发生装置2的前方，并利用螺钉固定在支架1上，LED光源332位于第三相机331下方并与支架1固定连接。
所述第一滤光片313与第二滤光片323可以过滤掉除线激光颜色外的其它颜色光，使相机只采集激光线数据。
如图3所示，所述的线激光发生装置2，包含线激光器21、上同步带22、下同步带23、第一同步带轮24、第二同步带轮25、第三同步带轮26、第四同步带轮27、左固定架28、右固定架29、旋转轴210、伺服电机211和编码器212。所述线激光器21为可见红光或可见蓝光，所述伺服电机211利用右固定架29固定在支架1上；所述伺服电机211的末端通过第一同步带轮24连接上同步带22一端，所述上同步带22的另一端通过第二同步带轮25第一同步带轮24与旋转轴210连接；所述旋转轴210下端与线激光器21固定连接，利用伺服电机211带动线激光器21旋转；所述编码器212利用第三同步带轮26与下同步带23一端连接；所述下同步带23的另一端通过第四同步带轮27与旋转轴210连接，利用编码器212实时记录旋转轴210的旋转角度。
所述数据处理系统包括相机标定单元、图像处理单元和三维重建单元。所述相机标定单元用于对各个成像装置3中相机内参以及线激光平面的标定；所述图像处理单元用于提取支架1两侧的成像装置3拍摄的线激光图像，并进行图像拼接，对于采集的被测物的RGB图像，利用图像处理单元进行对被测物进行表面缺陷检测和目标识别，用于被测物的三维重建；所述三维重建单元根据世界坐标系与第一相机坐标系和第二相机坐标系的关系以及线激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
所述相机标定单元分为标定相机的内参和激光平面，首先利用棋盘格标定法实现所述相机的内参标定；将激光线打在棋盘格上，利用图像处理提取激光线与所述棋盘格的交点坐标，改变棋盘格的位置进行多组实验，由于所述交点坐标都位于线激光平面上，利用最小二乘法即可标定出所述激光平面方程。
所述图像处理单元为提取第一相机312与第二相机322所拍摄图像中的线激光，并进行图像拼接，消除单一相机拍摄图像易受被测物表面反光和测量噪声的影响；第三相机331采集被测物的RGB图像，利用图像处理单元进行对被测物进行表面缺陷检测和目标识别，优化扫描路径，方便对被测物的三维重建。
所述三维重建单元具体为：设P点为所述世界坐标系中的一点，则其在第一相机312坐标系和第二相机322坐标系中的非齐次坐标分别为P1与P2。则根据下式建立所述世界坐标系与所述第一相机312坐标系和第二相机322坐标系的关系：
Figure BDA0003138836250000061
设线激光平面在世界坐标系下的方程为
z＝ax+by+c
则联立上式可以得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
其中a、b与c分别为线激光平面方程的参数；R1与T1为所述第一相机312的外部参数，即旋转和平移参数；R2与T2为所述第二相机322的外部参数。
本发明还提供了一种线激光视觉三维扫描方法，具体包含以下步骤：
S1、利用相机标定单元与相机成像原理分别对成像装置3与线激光平面进行标定，得到线激光平面在相机坐标系下的位置。利用线激光发生装置2中的编码器212得到任意时刻线激光平面的旋转角度，进而得到线激光平面在相机坐标系下的任意时刻位置。
S2、利用线激光发生装置2将线激光照射在被测物表面，第一相机312与第二相机322分别采集一组不同视角的图像。
S3、利用图像处理单元提取每张图像中的激光线的中心线，根据线激光平面在相机坐标系中的位置，计算得到被测物表面上的激光线的三维坐标。将第一相机312采集得到的激光线三维坐标与第二相机322采集得到的激光线三维坐标进行数据融合，实现对不同视角和不同景深的被测物进行测量，同时也解决了单一相机易受相机角度和物体表明反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响，提高三维重建的准确性。
S4、利用三维重建单元，根据世界坐标系与第一相机坐标系和第二相机坐标系的关系以及激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
本发明在实际应用中，通过改变相机支架的长度来增大相机采集范围，使三维扫描装置可以适用更复杂的场景。利用可旋转角度的阵列式相机可以增加相机扫描的景深，从而在相机固定的情况下，实现对不同高度的零件扫描。利用中间的RGB工业相机可以采集到被测物表面的颜色信息，利用图像处理技术，可以实现对被测物的缺陷检测和物体识别，优化扫描路径，方便对被测物的三维重建。利用可旋转的线激光投影装置，可以在该装置位置不变的情况下，实现对物体表面进行大范围三维重建，解决了传统线激光传感器测量范围小的问题。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于，包括扫描系统和数据处理系统：
所述扫描系统包括支架(1)、线激光发生装置(2)和成像装置(3)三个部分。所述支架(1)中部固定连接线激光发生装置(2)，两侧和中间分别固定连接一个成像装置(3)。支架(1)两侧的成像装置(3)用于采集线激光在被测物体表面的成像，支架(1)中间的成像装置(3)用于采集被测物的RGB图像。
所述数据处理系统包括相机标定单元、图像处理单元和三维重建单元。所述相机标定单元用于对各个成像装置(3)中相机内参以及线激光平面的标定；所述图像处理单元用于提取支架(1)两侧的成像装置(3)拍摄的线激光图像，并进行图像拼接，对于采集的被测物的RGB图像，利用图像处理单元进行对被测物进行表面缺陷检测和目标识别，用于被测物的三维重建；所述三维重建单元根据世界坐标系与两个成像装置(3)中的相机坐标系的关系以及线激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述成像装置(3)分为第一成像装置(31)、第二成像装置(32)和第三成像装置(33)，第一成像装置(31)和第二成像装置(32)以线激光发生装置(2)为轴线分布在支架的两侧，第三成像装置(33)安装在支架(1)的中间位置。
3.根据权利要求2所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述的第一成像装置(31)与第二成像装置(32)关于支架(1)中间对称布置，且结构相同，均包含可旋转底板、相机、滤光片和旋转装置。所述可旋转底板固定在支架(1)上，并利用旋转装置带动其旋转；相机固定连接在可旋转底板上；在相机的下方安装滤光片。
4.根据权利要求3所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述旋转装置包含电机座、曲柄、连杆、固定板和电机，所述的连杆的一端利用轴承连接在垂直于可旋转底板的光轴上，另一端与曲柄的一端连接，所述曲柄的另一端与电机连接，使电机带动曲柄连杆旋转，实现调节相机的角度；所述电机固定在电机座上，所述电机座与固定板固定连接，所述固定板固定在支架(1)上。
5.根据权利要求2所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述的第三成像装置(33)，包含第三相机(331)和LED光源(332)。所述第三相机(331)位于线激光发生装置(2)的前方，并利用螺钉固定在支架(1)上，LED光源(332)位于第三相机(331)下方并与支架(1)固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述滤光片可以过滤掉除线激光颜色外的其它颜色光，使相机只采集激光线数据。
7.根据权利要求1所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述的线激光发生装置(2)，包含线激光器(21)、上同步带(22)、下同步带(23)、第一同步带轮(24)、第二同步带轮(25)、第三同步带轮(26)、第四同步带轮(27)、左固定架(28)、右固定架(29)、旋转轴(210)、伺服电机(211)和编码器(212)。所述伺服电机(211)利用右固定架(29)固定在支架(1)上；所述伺服电机(211)的末端通过第一同步带轮(24)连接上同步带(22)一端，所述上同步带(22)的另一端通过第二同步带轮(25)第一同步带轮(24)与旋转轴(210)连接；所述旋转轴(210)下端与线激光器(21)固定连接，利用伺服电机(211)带动线激光器(21)旋转；所述编码器(212)利用第三同步带轮(26)与下同步带(23)一端连接；所述下同步带(23)的另一端通过第四同步带轮(27)与旋转轴(210)连接，利用编码器(212)实时记录旋转轴(210)的旋转角度。
8.根据权利要求1所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述相机标定单元分为标定相机的内参和激光平面，首先利用棋盘格标定法实现所述相机的内参标定；将激光线打在棋盘格上，利用图像处理提取激光线与所述棋盘格的交点坐标，改变棋盘格的位置进行多组实验，由于所述交点坐标都位于线激光平面上，利用最小二乘法即可标定出所述激光平面方程。
9.根据权利要求1所述的一种线激光视觉三维扫描装置，其特征在于：所述三维重建单元具体为：
设P点为所述世界坐标系中的一点，则其在第一成像装置中相机坐标系和第二成像装置中相机坐标系中的非齐次坐标分别为P1与P2。则根据下式建立所述世界坐标系与所述第一成像装置中相机坐标系和第二成像装置中相机坐标系的关系：
Figure FDA0003138836240000021
设线激光平面在世界坐标系下的方程为
z＝ax+by+c
则联立上式可以得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
其中a、b与c分别为线激光平面方程的参数；R1与T1为所述第一成像装置中相机的外部参数，即旋转和平移参数；R2与T2为所述第二成像装置中相机的外部参数。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述线激光视觉三维扫描装置的线激光视觉三维扫描方法，其特征在于：具体包含以下步骤：
S1、利用相机标定单元与相机成像原理分别对成像装置(3)与线激光平面进行标定，得到线激光平面在相机坐标系下的位置。利用线激光发生装置(2)中的编码器(212)得到任意时刻线激光平面的旋转角度，进而得到线激光平面在相机坐标系下的任意时刻位置。
S2、利用线激光发生装置(2)将线激光照射在被测物表面，第一成像装置中相机与第二成像装置中相机分别采集一组不同视角的图像。
S3、利用图像处理单元提取每张图像中的激光线的中心线，根据线激光平面在相机坐标系中的位置，计算得到被测物表面上的激光线的三维坐标。将第一成像装置中相机采集得到的激光线三维坐标与第二成像装置中相机采集得到的激光线三维坐标进行数据融合，实现对不同视角和不同景深的被测物进行测量，同时也解决了单一相机易受相机角度和物体表明反光而使图像采集不完整和噪声干扰的影响，提高三维重建的准确性。
S4、利用三维重建单元，根据世界坐标系与第一成像装置中相机坐标系和第二成像装置中相机坐标系的关系以及激光平面在世界坐标系下的方程，得到线激光平面上的点在世界坐标系下的坐标。
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