CN115390087A - 一种激光线扫描三维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光线扫描三维成像系统及方法。激光线扫描三维成像系统包括：激光调节单元用于接收激光发射单元出射的第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，沿预设方向移动对待测物体进行扫描；成像单元用于形成呈预设宽度的成像窗口，并对应成像窗口启动滚动曝光模式，第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口与第二激光光束同步移动；成像单元用于实时采集在成像窗口内经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；控制器用于实时获取成像面图像信息和激光调节单元的状态信息，确定待测物体的三维图像信息。提高主动光线进入成像单元的时间在曝光时间中的占比，抑制环境光的影响，保证三维图像重建效果。

Description

一种激光线扫描三维成像系统及方法

技术领域

本发明涉及场景重建和环境感知技术领域，尤其涉及一种激光线扫描三维成像系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，对真实世界中物体的三维结构进行获取、测量需求也越来越广泛。因此对物体进行三维重构的相关技术成为了研究热点。

目前主流的三维重构方案主要是双目RGB方案、结构光方案、TOF方案，对于结构光方面，结构光三维成像技术是一种利用辅助结构光照明获得物体三维图像的技术。从获取的变形条纹图像中对物体高度调制的变形条纹图像进行数字解调，重建被测物体的三维数字图像。但实际操作过程中通常采用全局曝光配合线激光进行被测物体的三维重建，此时环境光线在曝光时长中的占比较大，容易造成拍摄到的被测物体的条纹图像存在缺失，进而无法进行三维重建，严重影响用户的使用体验。

发明内容

本发明提供了一种激光线扫描三维成像系统及方法，以提高激光线扫描成像系统的抗强光、抗反光的效果，保证三维重建的精度和效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种激光线扫描三维成像系统，包括：成像单元、激光发射单元、激光调节单元和控制器；

所述激光发射单元用于出射第一激光光束；

所述激光调节单元用于接收所述第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，所述第二激光光束沿预设方向移动对所述待测物体进行扫描；

所述成像单元用于形成对应所述待测物体的呈预设宽度的成像窗口，并对应所述成像窗口启动滚动曝光模式，所述第二激光光束位于所述成像窗口内，所述成像窗口沿所述预设方向移动，所述成像窗口与所述第二激光光束同步移动；

所述成像单元还用于实时采集在所述成像窗口内经所述待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；

所述控制器分别与所述成像单元、所述激光发射单元和所述激光调节单元连接，控制所述成像单元、所述激光发射单元和所述激光调节单元同步工作；所述控制器还用于实时获取所述成像面图像信息和所述激光调节单元的状态信息，确定所述待测物体的三维图像信息。

可选的，所述成像单元包括位于所述成像单元的成像面中的第一方向和第二方向，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第二方向与所述图像传感器在滚动曝光模式下曝光像素的滚动方向一致。

所述成像单元与所述激光调节单元沿第三方向排布；

所述第二方向分别与所述预设方向和所述第三方向平行。

可选的，所述激光发射单元至少包括位于所述激光发射单元的出光路径上的光学组件，所述光学组件用于调节所述第一激光光束形成线状激光光束出射。

可选的，所述成像单元包括呈阵列排布的子像素，所述成像窗口对应至少一行子像素，或所述成像窗口对应至少一列子像素。

第二方面，本发明实施例提供了一种激光线扫描三维成像方法，应用于第一方面中任一项所述的激光线扫描成像系统，所述激光线扫描成像方法包括：

控制激光发射单元出射第一激光光束；

控制激光调节单元接收所述第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，所述第二激光光束沿预设方向移动对所述待测物体进行扫描；

控制成像单元形成对应所述待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应所述成像窗口启动滚动曝光模式，控制所述第二激光光束位于所述成像窗口内，所述成像窗口沿所述预设方向移动，所述成像窗口与所述第二激光光束同步移动；

控制成像单元对应采集经所述待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；

控制控制器实时获取所述激光调节单元的状态信息和所述成像单元的所述成像面图像信息，确定所述待测物体的三维图像信息。

可选的，控制激光发射单元出射第一激光光束之前，还包括：

对所述成像单元进行参数标定。

可选的，控制激光发射单元出射第一激光光束之后，还包括：

调节所述第一激光光束的强度，控制所述第一激光光束产生预设的明暗变化。

可选的，控制控制器实时获取所述激光调节单元的状态信息，包括：

控制控制器实时获取所述激光调节单元的角度状态信息和距离状态信息。

可选的，确定所述待测物体的三维图像信息，包括：

获取所述待测物体的不同成像段的三维子图像信息；

根据不同的所述三维子图像信息合并生成所述三维图像信息。

本发明实施例的技术方案，激光线扫描三维成像系统包括：成像单元、激光发射单元、激光调节单元和控制器；激光发射单元用于出射第一激光光束；激光调节单元用于接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描；成像单元用于形成对应待测物体的呈预设宽度的成像窗口，并对应成像窗口启动滚动曝光模式，第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动；成像单元还用于实时采集在成像窗口内经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；控制器分别与成像单元、激光发射单元和激光调节单元连接，控制成像单元、激光发射单元和激光调节单元同步工作；控制器还用于实时获取成像面图像信息和激光调节单元的状态信息，确定待测物体的三维图像信息。通过利用成像单元对应形成成像窗口，并根据成像窗口和第二激光光束的移动进行滚动曝光，提高主动光线进入成像单元的时间在曝光时间中的占比，有效抑制外部环境光线对成像单元成像面图像信息采集的影响，进而保证对待测物体的三维图像信息获取的精准度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光线扫描三维成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种成像单元采集到的图像示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图；

图5为现有技术中全局曝光过程中像素接收主动激光光束的时长与全局曝光时长的示意图；

图6为本发明实施例中滚动曝过程中像素接收主动激光光束的时长与全局曝光时长的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种成像窗口与第二激光光束的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像系统的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种成像单元的滚动曝光结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种成像单元的滚动曝光结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种激光线扫描三维成像方法的流程示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像方法的流程示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像方法的流程示意图；

图14为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像方法的流程示意图；

图15为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像方法的流程示意图；

图16为本发明实施例提供的另一种激光线扫描三维成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种激光线扫描成像系统的结构示意图，如图1所示，激光线扫描成像系统100包括：成像单元101、激光发射单元102、激光调节单元103和控制器(图中并未示出)；激光发射单元102用于出射第一激光光束11；激光调节单元103用于接收第一激光光束11并调节生成第二激光光束12出射至待测物体104，第二激光光束12沿预设方向移动对待测物体104进行扫描；成像单元101用于形成对应待测物体104的呈预设宽度的成像窗口105，并对应成像窗口105启动滚动曝光模式，第二激光光束12位于成像窗口105内，成像窗口105沿预设方向移动，成像窗口105与第二激光光束12同步移动；成像单元101还用于实时采集在成像窗口105内经待测物体104反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；控制器分别与成像单元101、激光发射单元102和激光调节单元103连接，控制成像单元101、激光发射单元102和激光调节单元103同步工作；控制器还用于实时获取成像面图像信息和激光调节单元103的状态信息，确定待测物体104的三维图像信息。

其中，激光发射单元102、激光调节单元103和成像单元101三者组成结构光3D相机，可以实现对待测物体104的三维信息的获取，结构光三维成像技术是一种利用辅助结构光照明获得物体三维图像的技术。从获取的变形条纹图像中对物体高度调制的变形条纹图像进行数字解调，重建被测物体的三维数字图像。图2为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种成像单元采集到的图像示意图，结构光3D相机常用的方式是相移轮廓测量，即在成像单元101和待测物体104相对静止的情况下对待测物体104投射出多个条纹结构光图案，同时使用成像单元101捕捉结构光投射到待测物体104表面的图像，进而利用多帧条纹图像之间的相位关系，解算出待测物体104表面的三维信息。激光发射单元102、激光调节单元103和成像单元101均与控制器连接，由控制器控制激光发射单元102、激光调节单元103和成像单元101启动工作，图4为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图，如图4所示，控制器可以包括控制及计算单元111和激光强度调节器112，控制及计算单元111分别与成像单元101、激光调节单元103和激光强度调节器112相连，激光强度调节器112与激光发射单元102连接，进而控制激光发射单元102出射的第一激光光束的强度，进而使得第一激光光束能够呈现明暗变化；控制及计算单元111与激光调节单元103相连，控制及计算单元111会输出激光角度控制信号，控制经激光调节单元103出射的第二激光光束的角度。激光发射单元102围绕激光调节单元103设置，使得激光发射单元102出射的第一激光光束11能够被激光调节单元103接收，激光调节单元103接收第一激光光束11并调节后生成线状第二激光光束12出射至待测物体104，同时成像单元101对应待测物体104形成呈一定预设宽度的成像窗口105，同时第二激光光束12落在成像窗口105内，保证在成像单元101对成像窗口105进行滚动曝光时，能够接收到作为主动激光光源的第二激光光束12在待测物体104反射的第三激光光束，进而获取到成像面图像信息。成像单元101每次仅对对应成像窗口105的区域进行曝光，且第二激光光束12在待测物体104移动与成像窗口105的移动同步，朝向相同的预设方向(如图中y方向)移动，其中预设方向y即为成像单元101中图像传感器的Y轴方向或3D相机的基线方向，使得第二激光光束12始终落在成像窗口105中，第二激光光束12扫过待测物体104的瞬间，其反射的第三激光光束始终能够被成像单元101接收，由于每次曝光过程中成像单元101中还会接收到环境光线，环境光线过多会造成成像单元101中的图像传感器的像素达到饱和，影响其对主动激光光束，即第三激光光束的接收识别，现有技术中，图5为现有技术中全局曝光过程中像素接收主动激光光束的时长与全局曝光时长的示意图，图6为本发明实施例中滚动曝过程中像素接收主动激光光束的时长与全局曝光时长的示意图，如图5所示，全局曝光的过程中从启动曝光到结束曝光均在接收环境光，很容易造成图像传感器中的像素饱和，导致成像单元101拍摄不到第三激光光束发射的条纹图像，进而无法进行条形图像解相位，进而无法建立三维图像。由于成像单元101为滚动曝光模式，其每次的滚动曝光的时间相较于全局曝光的时间要小很多，如图6所示，因此对应相同的第二激光光束12反射的第三激光光束被成像单元101接收的时间在每次滚动曝光的时间中的占比要明显大于对应相同的第二激光光束12反射的第三激光光束被成像单元101接收的时间在每次全局曝光的时间中的占比。同时每次滚动曝光时间较短，进而有效抑制成像单元101接收到的环境光线的数量，不容易造成图像传感器的像素保护，保证图像传感器对主动激光光束，即第三激光光束的识别效果，形成成像面图像信息，同时控制器还会实时获取激光调节单元103的状态信息，保证对激光调节单元103出射的第二激光光束的角度、方向等信息进行记录，进而保证控制器根据成像面图像信息和激光调节单元103的状态信息，确定待测物体104的三维图像信息，保证三维重建效果。

此外，图7为本发明实施例提供的一种成像窗口与第二激光光束的结构示意图，如图7所示，第二激光光束12总是落在成像窗口105内，且第二激光光束12与成像窗口105同步移动，为避免第二激光光束12落在成像窗口105之外，影响对待测物体104的图像信息获取精度，需要在成像窗口105的边缘处预留出一定的宽度W，也可以防止因激光线扫描成像系统100因装配精度等问题造成第二激光光束12落在成像窗口105之外，其中，图8为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图，如图8所示，成像窗口105的左边缘对应待测物体104中最远距离被第二激光光束12照射的位置，成像窗口105的右边缘对应待测物体104中最近距离被第二激光光束12照射的位置，激光调节单元103与成像单元101位于同一直线上，可以等同于双目成像系统，因此对于待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置和最近位置以及其对应的视差满足公式：

其中，b为激光调节单元103与成像单元101之间的基线距离，f为激光调节单元103和成像单元101的焦距，X_L-X_R为视差，Zmax为成像单元101与激光调节单元103二者光心到达待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置，Zmin为成像单元到达待测物体104被第二激光光束12照射的最近位置。示例性的，当激光调节单元103与成像单元101之间的基线距离b为20cm，激光调节单元103和成像单元101的焦距f为2000，成像单元101与激光调节单元103二者光心到达待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置Zmax为200cm，成像单元101与激光调节单元103二者光心到达待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置Zmin为150cm，此时对应的视差最大值(X_L-X_R)max为266像素，对应的视差最小值(X_L-X_R)min为200像素，此时待测物体104被第二激光光束12照射的最近位置对应的视差与待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置对应的视差相差66像素，因此通过合理设置待测物体104被第二激光光束12照射的最近位置对应的视差与待测物体104被第二激光光束12照射的最远位置对应的视差之间的差值，缩小成像单元101获取到的待测物体104的不同位置的成像面图像信息的差异，保证成像效果，进而获取待测物体104的三维图像信息的精准度，保证三维重建效果。

本发明实施例通过激光线扫描成像系统包括成像单元、激光发射单元、激光调节单元和控制器；成像单元形成对应待测物体的呈预设宽度的成像窗口，并对应成像窗口启动滚动曝光模式，第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口与第二激光光束同步沿预设方向移动；同时成像单元实时采集在成像窗口内经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息，进而控制器实时获取成像面图像信息和激光调节单元的状态信息，确定待测物体的三维图像信息。通过利用成像单元对应形成成像窗口，并根据成像窗口和第二激光光束的移动进行滚动曝光，提高主动光线进入成像单元的时间在曝光时间中的占比，有效抑制外部环境光线对成像单元成像面图像信息采集的影响，进而保证对待测物体的三维图像信息获取的精准度。

可选的，继续参考图1，成像单元101包括图像传感器，图像传感器包括具备滚动曝光模式的CMOS图像传感器。

其中，成像单元101为一个或者多个2D滚动曝光相机，示例性的图中以成像单元101为一个2D滚动曝光相机为例进行展示，成像单元101的对于待测物体104的图像采集主要由于成像单元101中设置有图像传感器，图像传感器利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。在成像单元101在激光线扫描系统中启动滚动曝光模式，对于成像单元101中图像传感器的中的某一像素来说，其接收到的待测物体104对第二激光光束12反射产生的有效主动光线的时间，有效主动光线即第三激光光束，像素接收第三激光光束的时间在每一次滚动曝光中的时间占比明显高于像素接收第三激光光束的时间在每一次全局曝光中的时间占比，能够避免图像传感器的像素饱和，抑制环境光的影响，保证图像传感器的图像采集效果。图像传感器的选择可以包括具备滚动曝光模式的CMOS图像传感器(金属氧化物半导体元件)，进而满足成像单元101的滚动曝光成像需求，进而有效抑制外部环境光线对成像单元成像面图像信息采集的影响，进而保证对待测物体104的三维图像信息获取的精准度。

可选的，继续参考图1，成像单元101包括位于成像单元101的成像面中的第一方向X和第二方向Y，第一方向X与第二方向Y垂直，且第二方向Y与图像传感器在滚动曝光模式下曝光像素的滚动方向一致；成像单元101与激光调节单元103沿第三方向Y1排布；第二方向Y分别与成像窗口105的移动方向和第三方向Y1平行。

其中，通常成像单元101的同一成像面中包括相互垂直的第一方向X和第二方向Y，第二方向Y与成像窗口105的移动方向平行，即第二方向Y与预设方向平行，第二方向Y与图像传感器在滚动曝光模式下曝光像素的滚动方向一致，保证成像单元101的成像效果，同时还需要保证成像面的第二方向Y与3D相机的基线方向平行，即成像单元101与激光调节单元沿第三方向Y1排布，成像单元101与激光调节单元103位于同一直线的延伸方向上，进而保证成像单元101的滚动曝光效果以及对待测物体104的成像采集效果，进而保证最终的待测物体104的三维图像信息获取。

可选的，继续参考图1，激光发射单元102至少包括位于激光发射单元102的出光路径上的光学组件106，光学组件106用于调节第一激光光束形成线状激光光束出射。

其中，激光发射单元102为激光反射器，以出射激光光束即第一激光光束11，为保证经激光反射单元出射的激光光束的均匀性、稳定性，可以在激光发射单元102的出光路径上，设置光学组件106，例如光学组件106可以为鲍威尔透镜、柱面镜、波浪镜、衍射光学元件等透镜，根据实际设计需求选择光学组件106的类型，本发明实施例不做具体限定，进而保证经激光发射单元102出射的光线呈直线性较好的线状激光光束，便于后续成像单元101的成像面图像信息采集。

激光调节单元103可以为数字光处理(DLP)、液晶投影光学引擎、MEMS振镜、振镜电机、旋转扫描器或多面体反射镜扫描器等能够对激光发射单元102出射的第一激光光束进行出光方向调节的组件，可选的，本发明实施例中以激光调节单元103包括振镜电机1031和振镜1032为例进行展示，继续参考图1，激光调节单元103至少包括振镜电机1031和振镜1032，振镜电机1031与振镜1032通过转轴连接，振镜电机1031与控制器连接，振镜电机1031根据控制器输出的振镜调节控制信号输出振镜转动控制信号控制振镜1032转动，调节经振镜1032输出第二激光光束12的出光角度。

其中，激光调节单元103包括通过转轴连接的振镜电机1031和振镜1032，振镜电机1031接收控制器输出的振镜调节控制信号并响应该振镜调节控制信号，输出振镜转动控制信号以控制振镜变换角度，振镜1032能够在振镜电机1031的驱动作用下实现对第一激光光束11进行偏转、调制、开启、闭合以及相位控制等作用。振镜1032还可以替换为MEMS振镜、旋转扫描器、多面体反射镜扫描器等器件实现，具体可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做不做具体限定。振镜1032位于激光发射单元102的出射路径上，以使得经激光发射单元102出射的第一激光光束11被振镜1032接收，并经振镜1032调节后的呈线型的第二激光光束12能够入射至成像窗口105内，进而保证成像单元101滚动曝光后生成相应的待测物体104的成像面图像信息，进而保证后续待测物体104的三维图像的形成。

可选的，图9为本发明实施例提供的一种成像单元的滚动曝光结构示意图，图10为本发明实施例提供的另一种成像单元的滚动曝光结构示意图，如图9和图10所示，成像单元101包括呈阵列排布的子像素1011，成像窗口105对应至少一行子像素1011，或成像窗口105对应至少一列子像素1011。

其中，成像单元101中图像传感器通常对应的设置有相互垂直的X轴和Y轴，图像传感器的Y轴方向与激光发射单元102、激光调节单元103、成像单元101组成的3D相机的基线方向平行，示例性的，当成像单元101中图像传感器沿Y轴水平摆放，沿X轴方向竖直摆放时，由于成像单元101包括多个阵列排布的子像素1011，此时图像传感器上形成的成像窗口105至少对应一列像素，成像窗口105的高度则为图像传感器的X轴方向的宽度，成像窗口105的宽度则为至少一个像素的尺寸，示例性的如图9中所示，成像窗口105的宽度为7个像素的尺寸，预设方向为Y轴方向，成像窗口105沿Y轴方向移动，同时第二激光光束12落在成像窗口105内，同样沿Y轴方向移动，每间隔一行时间，成像窗口105沿Y方向移动一行，实现对待测物体104的成像面图像信息采集；或者，当成像单元101中图像传感器沿X轴水平摆放，沿Y轴方向竖直摆放时，由于成像单元101包括多个阵列排布的子像素1011，此时图像传感器上形成的成像窗口105至少对应一行像素，成像窗口105的宽度则为图像传感器的X轴方向的宽度，成像窗口105的高度则为至少一个像素的尺寸，示例性的如图10中所示，成像窗口105的高度为7个像素的尺寸，预设方向为Y轴方向，成像窗口105沿Y轴方向移动，同时第二激光光束12落在成像窗口105内，同样沿Y轴方向移动，每间隔一行时间，成像窗口105沿Y方向移动一行，实现对待测物体104的成像面图像信息采集。具体的如图9所示，图像传感器的电子快门和像素数据的读取操作是针对每一行按顺序进行的。对于像素积分时间设置的改变，会在下一帧曝光时生效。曝光时间由下面公式所确定：曝光时间＝帧时间–(快门扫回时间+1)*行时间，其中，帧时间在slave模式下由XVS(帧同步信号)决定，在master模式下由VMAX寄存器(指定帧的行数)决定。其单位是行时间，其总时间是行时间和行数的乘积。电子快门的工作时序和像素数据读取操作时序，如图9所示，X轴的每个方格代表1个行时间，每行曝光的积分时间为7个行时间，也就是每个时刻，最多同时有7行在同时曝光。此时则相当于图像传感器上形成了一个宽度为图像传感器的X轴方向的延伸宽度、高度为7个像素的成像窗口105，且每隔1个行时间，成像窗口105沿Y轴方向移动1行。

图11为本发明实施例提供的一种激光线扫描成像方法的流程示意图，如图11所示，应用于上述实施例中任一项所述的激光线扫描成像系统，激光线扫描成像方法包括：

S101，控制激光发射单元出射第一激光光束。

其中，激光发射单元出射第一激光光束，以提供主动激光光源，进而保证后续成像单元的对待测物体的图像信息采集。

S102，控制激光调节单元接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描。

其中，激光调节单元接收经集光发射单元出射的的第一激光光束，并对其进行调节生成第二激光光束出射，以使得第二激光光束以直线性好、均匀性好的线形激光线出射至待测物体，并对待测物体沿预设方向进行扫描，便于成像单元中的图像传感器能够识别扫过待测物体的第二激光光束，实现对待测物体的图像信息采集。

S103，控制成像单元形成对应待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应成像窗口启动滚动曝光模式，控制第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动。

其中，为保证待测物体的三维重建效果，对成像单元形成预设宽度的成像窗口，并对成像单元启动滚动曝光模式，使得第二激光光束落在成像窗口内，成像窗口与第二激光光束同步移动，成像单元对应成像窗口进行滚动曝光，保证主动光线在每一滚动曝光时间中的占比，抑制环境光的影响。

S104，控制成像单元对应采集经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息。

其中，成像单元的图像传感器中的像素接收待测物体反射第二激光光束生成的第三激光光束，进儿形成条纹状的成像面图像信息，便于后续对待测物体的三维重建。

S105，控制控制器实时获取激光调节单元的状态信息和成像单元的成像面图像信息，确定待测物体的三维图像信息。

其中，控制器根据激光调节单元的状态信息，以及成像单元的成像面图像信息，对即激光调节单元出射的第二激光光束的状态和成像面图像信息进行解相位，进而实现对待测物体的三维重建。

此外，由于成像单元对待测物体的图像采集需要对待测物体进行多次拍摄，以获取成像面图像信息，依次需要多次进行步骤S101～S104，以获取多帧条纹图像信息，进而满足最终获取到待测物体的三维图像信息。

本发明实施例通过激光发射单元、激光调节单元、成像单元和控制器，成像单元形成成像窗口，第二激光光束始终位于成像窗口内，成像窗口与第二激光光束同步移动，并且成像单元利用滚动曝光模式，抑制环境光的影响，提高有效光线在每一曝光时间中的占比，提高待测物体的成像面图像信息获取的精度，进而实现待测物体的三维图像信息的获取。

图12为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像方法的流程示意图，如图12所示，激光线扫描成像方法包括：

S201，对成像单元进行参数标定。

其中，保证成像单元能够获取待测物体的完整图像，需要在成像单元正式启动滚动曝光工作之前进行参数标定，主要标定焦距、畸变等参数，进而保证成像单元的图像传感器中的像素能够接收到待测物体反射的主动光线，进而保证对待测物体的图像信息采集。

S202，控制激光发射单元出射第一激光光束。

S203，控制激光调节单元接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描。

成像单元其中，保证成像单元能够获取待测物体的完整图像，需要在成像单元正式启动工作之前进行参数标定，主要标定焦距、畸变等参数，进而保证成像单元的图像传感器中的像素能够接收到待测物体反射的主动光线，进而保证对待测物体的图像信息采集。

S204，控制成像单元形成对应待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应成像窗口启动滚动曝光模式，控制第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动。

S205，控制成像单元对应采集经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息。

S206，控制控制器实时获取激光调节单元的状态信息和成像单元的成像面图像信息，确定待测物体的三维图像信息。

此外，由于成像单元对待测物体的图像采集需要对待测物体进行多次拍摄，以获取成像面图像信息，依次需要多次进行步骤S202～S205，以获取多帧条纹图像信息，进而满足最终获取到待测物体的三维图像信息。

本发明实施例通过在成像单元进行滚动曝光模式工作之前，对成像单元进行参数标定，保证其对待测物体整体的图像信息采集效果，进而保证后续对待测物体的三维图像信息的精准获取，保证三维重建效果。

图13为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像方法的流程示意图，如图13所示，激光线扫描成像方法包括：

S301，控制激光发射单元出射第一激光光束。

S302，调节第一激光光束的强度，控制第一激光光束产生预设的明暗变化。

其中，在激光发射单元出射第一激光光束时，控制器与激光发射单元相连，实时控制激光发射单元出射的第一激光光束的强度，由于第一激光束的强度处于周期性的变化中，进而使得第一激光光束产生明暗变化，同时使得第二激光光束和第三激光光束也呈现明暗变化，进而保证成像单元能够采集到的多帧条纹图像，进而便于后续进行待测物体的三维图像重建。

S303，控制激光调节单元接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描。

S304，控制成像单元形成对应待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应成像窗口启动滚动曝光模式，控制第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动。

S305，控制成像单元对应采集经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息。

S306，控制控制器实时获取激光调节单元的状态信息和成像单元的成像面图像信息，确定待测物体的三维图像信息。

此外，由于成像单元对待测物体的图像采集需要对待测物体进行多次拍摄，以获取成像面图像信息，依次需要多次进行步骤S301～S305，以获取多帧条纹图像信息，进而满足最终获取到待测物体的三维图像信息。

本发明实施例通过控制第一激光光束的强度，使得第一激光光束产生预设的明暗变化成像单元，保证在成像单元在每次滚动曝光的时间内，成像单元中的图像传感器上的像素均能有效接收到经待测物体接收第二激光光束反射的条纹状的第三激光光束，且保证作为主动激光光线的第三激光光光束在每次滚动曝光时间中的占比，降低环境光的影响，保证进而实时获取到待测物体的成像面图像信息，保证后续对待测物体的三维图像信息获取，保证三维重建效果。

图14为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像方法的流程示意图，如图14所示，激光线扫描成像方法包括：

S401，控制激光发射单元出射第一激光光束。

S402，控制激光调节单元接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描。

S403，控制成像单元形成对应待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应成像窗口启动滚动曝光模式，控制第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动。

S404，控制成像单元对应采集经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息。

S405，控制控制器实时获取激光调节单元的角度状态信息和距离状态信息以及成像单元的成像面图像信息，确定待测物体的三维图像信息。

此外，由于成像单元对待测物体的图像采集需要对待测物体进行多次拍摄，以获取成像面图像信息，依次需要多次进行步骤S401～S404，以获取多帧条纹图像信息，进而满足最终获取到待测物体的三维图像信息。

其中，由于成像窗口和第二激光光束在对待测物体的图像信息获取过程中始终处于移动状态，成像单元的成像面图像信息与激光调节单元的状态信息是实时对应的，激光调节单元的状态信息可以包括角度状态信息和距离状态信息，角度状态信息为激光调节单元出射至待测物体不同位置处的第二激光光束的角度，距离状态信息为对应第二激光光束照射至待测物体的不同位置，激光调节单元与待测物体之间的距离，因此控制器获取成像单元的成像面图像信息以及对应的激光调节单元的角度状态信息和距离状态信息，进而保证对待测物体的三维图像信息的精准获取，保证三维重建效果。

本发明实施例通过同时获取成像单元的成像面图像信息以及对应的激光调节单元的角度状态信息和距离状态信息，进而对其进行分析处理，精准获取待测物体的三维图像信息，保证对待测物体的三维重建效果。

图15为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像方法的流程示意图，如图15所示，应用于第一方面中任一项所述的激光线扫描成像系统，激光线扫描成像方法包括：

S501，控制激光发射单元出射第一激光光束。

S502，控制激光调节单元接收第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，第二激光光束沿预设方向移动对待测物体进行扫描。

S503，控制成像单元形成对应待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应成像窗口启动滚动曝光模式，控制第二激光光束位于成像窗口内，成像窗口沿预设方向移动，成像窗口与第二激光光束同步移动。

S504，控制成像单元对应采集经待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息。

S505，控制控制器实时获取激光调节单元的状态信息和成像单元的成像面图像信息。

S506，获取待测物体的不同成像段的三维子图像信息。

此外，由于成像单元对待测物体的图像采集需要对待测物体进行多次拍摄，以获取成像面图像信息，依次需要多次进行步骤S501～S505，以获取多帧条纹图像信息，进而满足最终获取到待测物体的三维图像信息。

其中，对于第二激光光束到达待测物体的最远距离和到达待测物体的最近距离之间的距离跨度较大，则此时成像单元能够获取到待测物体的图像信息，则需要开设较大的成像窗口，才能实现容纳第二激光光束所有可能扫描到的待测物体的位置，但是若成像窗口的宽度较大，在每次滚动曝光时间也会增加，对应可能接收到的环境光也会增多，不利于对环境光的抑制作用和避免成像单元中的图像传感器的像素饱和。此时可以将待测物体分割形成不同成像段，成像单元对不同的成像端进行分别成像，进而获取到不同的成像面图像信息，进而对应得到对应不同成像面图像信息的不同三维子图像信息。示例性的，图16为本发明实施例提供的另一种激光线扫描成像系统的结构示意图，如图16所示，将对待测物体104将分成三个成像段，第一成像段靠近成像单元101，第二成像段远离成像单元101，第三成像段位于第一成像段和第二成像段，第一成像段距离成像单元101较近，对应成像单元101形成得第一成像窗口的宽度较大，在每次滚动曝光时间中，对环境光的抑制作用较弱，但是由于第一成像段中成像单元101与待测物体104之间的距离较近，待测物体104接收第二激光光束并反射第三激光光束至成像单元101的图像传感器像素上的主动激光光线的光线强度较强，能够保证第一成像段中，对待测物体104的第一三维子图像信息的精准获取；第二成像段距离成像单元101较远，对应成像单元101形成得第二成像窗口的宽度较小，在每次滚动曝光时间中，对环境光的抑制作用较强，但是由于第二成像段中成像单元101与待测物体104之间的距离较远，待测物体104接收第二激光光束并反射第三激光光束至成像单元101的图像传感器的像素上的主动激光光线的光线强度较弱，由于对环境光的抑制作用较强，能够保证第二成像段中，对待测物体104的第二三维子图像信息的精准获取；第三成像段位于第一成像段和第二成像段之间，对环境光的抑制作用和待测物体104接收第二激光光束并反射第三激光光束至成像单元101的图像传感器像素上的主动激光光线的光线强度均处于居中状态，进而将第一成像段、第二成像段和第三成像段中主动激光光线强度较弱的成像段对应有较强的环境光抑制能力，主动光较强的成像段对应有较弱的环境光抑制能力，如此便使得成像单元101每个成像段的成像效果趋于一致，进而保证成像单元101对待测物体104的整体图像信息的采集以及后续三维图像信息的获取精度。

S507，根据不同的三维子图像信息合并生成三维图像信息。

其中，将位于不同成像段的三维子图像信息进行合并形成对应待测物体的完整的三维图像信息，进而便于根据三维图像信息进行待测物体的三维重建，保证三维重建效果。

本发明实施例通过利用成像单元对待测物体中不同的成像段进行成像，获取对应不同成像段的成像面图像信息，进而获取不同成像段的三维子图像信息，保证对待测物体的整体图像信息的采集精度，进而保证后续对待测物体的三维重建效果。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光线扫描三维成像系统，其特征在于，包括：成像单元、激光发射单元、激光调节单元和控制器；

所述激光发射单元用于出射第一激光光束；

所述激光调节单元用于接收所述第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，所述第二激光光束沿预设方向移动对所述待测物体进行扫描；

所述成像单元用于形成对应所述待测物体的呈预设宽度的成像窗口，并对应所述成像窗口启动滚动曝光模式，所述第二激光光束位于所述成像窗口内，所述成像窗口沿所述预设方向移动，所述成像窗口与所述第二激光光束同步移动；

所述成像单元还用于实时采集在所述成像窗口内经所述待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；

所述控制器分别与所述成像单元、所述激光发射单元和所述激光调节单元连接，控制所述成像单元、所述激光发射单元和所述激光调节单元同步工作；所述控制器还用于实时获取所述成像面图像信息和所述激光调节单元的状态信息，确定所述待测物体的三维图像信息。

2.根据权利要求1所述的激光线扫描三维成像系统，其特征在于，所述成像单元包括图像传感器，所述图像传感器包括具备滚动曝光模式的CMOS图像传感器。

3.根据权利要求2所述的激光线扫描三维成像系统，其特征在于，所述成像单元包括位于所述成像单元的成像面中的第一方向和第二方向，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第二方向与所述图像传感器在滚动曝光模式下曝光像素的滚动方向一致；

所述成像单元与所述激光调节单元沿第三方向排布；

所述第二方向分别与所述预设方向和所述第三方向平行。

4.根据权利要求1所述的激光线扫描三维成像系统，其特征在于，所述激光发射单元至少包括位于所述激光发射单元的出光路径上的光学组件，所述光学组件用于调节所述第一激光光束形成线状激光光束出射。

5.根据权利要求1所述的激光线扫描三维成像系统，其特征在于，所述成像单元包括呈阵列排布的子像素，所述成像窗口对应至少一行子像素，或所述成像窗口对应至少一列子像素。

6.一种激光线扫描三维成像方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一项所述的激光线扫描三维成像系统，所述激光线扫描成像三维方法包括：

控制激光发射单元出射第一激光光束；

控制激光调节单元接收所述第一激光光束并调节生成第二激光光束出射至待测物体，所述第二激光光束沿预设方向移动对所述待测物体进行扫描；

控制成像单元形成对应所述待测物体呈预设宽度的成像窗口，对应所述成像窗口启动滚动曝光模式，控制所述第二激光光束位于所述成像窗口内，所述成像窗口沿所述预设方向移动，所述成像窗口与所述第二激光光束同步移动；

控制所述成像单元对应采集经所述待测物体反射的第三激光光束，并形成成像面图像信息；

控制控制器实时获取所述激光调节单元的状态信息和所述成像单元的所述成像面图像信息，确定所述待测物体的三维图像信息。

7.根据权利要求6所述的激光线扫描三维成像方法，其特征在于，控制激光发射单元出射第一激光光束之前，还包括：

对所述成像单元进行参数标定。

8.根据权利要求6所述的激光线扫描三维成像方法，其特征在于，控制激光发射单元出射第一激光光束之后，还包括：

调节所述第一激光光束的强度，控制所述第一激光光束产生预设的明暗变化。

9.根据权利要求6所述的激光线扫描三维成像方法，其特征在于，控制控制器实时获取所述激光调节单元的状态信息，包括：

控制控制器实时获取所述激光调节单元的角度状态信息和距离状态信息。

10.根据权利要求6所述的激光线扫描三维成像方法，其特征在于，确定所述待测物体的三维图像信息，包括：

获取所述待测物体的不同成像段的三维子图像信息；

根据不同的所述三维子图像信息合并生成所述三维图像信息。

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