CN117146711B - 基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于三维重建领域，具体涉及了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法、系统及设备。旨在解决现有关于振镜的激光扫描系统中，测量精度和效率受限于相机的分辨率，限制了在多场景下应用的问题。本发明包括：构建第一坐标系和第二坐标系，得到转换矩阵；获取激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；获取激光条纹在第二坐标系中的方程，作为第五方程，并计算得到点云数据；将点云数据转换至第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。本发明通过多台振镜同时驱动激光扫描和相机视场运动，实现高精度和大范围的三维重建。
Description
技术领域
本发明属于三维重建领域，具体涉及了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法、系统及设备。
背景技术
线激光视觉测量系统因其适应性、高精度和成本效益而被广泛应用于多种场合，如铁路交通监控、医学成像、机器人技术和工业生产。这种系统通常包括一个摄像机、激光投影仪和机械扫描平台。线激光将激光条纹投射到物体的表面，而摄像机则捕捉带有激光条纹的物体图像。然后通过三角测量获得物体的三维（3D）几何信息。通过机械扫描平台传递激光条纹或物体，可以完成物体的3D重建。
传统的激光扫描仪主要依赖于机械驱动轴，这些设备体积大、结构复杂且速度慢。针对这些问题，现有三类扫描方法。第一种是将线激光安装在机器臂的末端，以提高扫描的灵活性，但是其扫描精度受到机器臂精度的限制。第二种是使用云台驱动激光和摄像机进行扫描的系统，这种系统的尺寸很大，且扫描速度很慢。第三种是使用振镜系统，因其小尺寸、快速旋转和高控制精度使得该方法可以实现高精度和高速的激光扫描。现有关于基于振镜的激光扫描系统的研究，都是动态驱动激光，相机静止，来完成扫描，它的测量精度和效率仍然受限于相机的分辨率，这大大限制了在很多场景下的应用。
基于此，本申请提出了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法、系统及设备。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有关于基于振镜的激光扫描系统的研究，都是动态驱动激光，相机静止，来完成扫描，它的测量精度和效率仍然受限于相机的分辨率，这大大限制了在很多场景下的应用的问题，本发明提供了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法、系统及设备。
本发明的第一方面，提出了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，应用于动态激光三维测量系统；所述动态激光三维测量系统包括动态相机系统和动态激光系统；所述动态相机系统包括动态相机和第一振镜；所述动态激光系统包括激光器和第二振镜；该方法包括：
基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合所第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
在一些优选的实施方式中，所述，其计算方法为：
所述第一振镜包括pan1镜面和tilt1镜面，以所述pan1镜面转轴为z轴，垂直所述pan1镜面的方向为y轴，平行所述pan1镜面的方向为x轴，建立所述第一振镜的坐标系{G}；获取所述pan1镜面的旋转角度θ1和所述tilt1镜面的旋转角度θ2：
θ1=kpan1Upan1；
θ2=ktilt1Utilt1；
其中，k为预设系数，U为电压；
当转动所述第一振镜时，所述第一坐标系{V0}和所述第二坐标系{V}与电压的变化关系为：
；
；
其中，所述d为pan1镜面和tilt1镜面之间的距离，l为动态相机光心到pan1镜面的距离，T为旋转矩阵；
当所述第一振镜的电压U为0时，得到所述：
。
在一些优选的实施方式中，所述激光条纹的像素坐标（u，v），其获取方法为：
；
其中，f x 、f y 为所述动态相机在所述相机坐标系的x轴和y轴方向焦距的长度，u 0 ，v 0 为所述动态相机内参数，表示主点的实际位置，T1为平移矩阵，R为旋转矩阵，（Xv，Yv，Zv）为所述像素坐标（u，v）对应的三维点在第二坐标系{V}中的坐标。
在一些优选的实施方式中，所述第一方程Plane0、所述第二平面方程、所述第三方程V0Plane分别为：
所述第一方程：
；
其中，所述A0、B0、C0、D均为所述第一方程的预设参数；
所述第二方程：
；
其中，为旋转轴在第一坐标系中x轴上的方向向量，/>为旋转轴在第一坐标系中y轴上的方向向量；/>为旋转轴在第一坐标系中z轴上的方向向量；X、Y、Z在第一坐标系中的任意一点；
所述第三方程V0Plane为：
。
其中，所述均为所述第三方程的预设参数。
在一些优选的实施方式中，所述参数值，其计算方法为：
所述第二振镜包括pan2镜面和tilt2镜面，所述pan2镜面的旋转角度为θ3，所述tilt2镜面的旋转角度为θ4，所述θ3与所述pan2镜面的电压Upan2成正比，所述θ4与所述tilt2镜面的电压Utilt2成正比；
设定的旋转角度α与所述第二振镜的旋转角度之间的关系：α=2θ4；
根据所述第一方程、所述第一坐标系、所述θ4得到所述参数值：
；
其中，R为Rodrigues变化，为旋转轴的方向向量。
在一些优选的实施方式中，所述第五方程 V Plane，其获取方法为：
= AVx+BVy+CVz+D=0。
在一些优选的实施方式中，所述点云数据VP，其获取方法为：
VP=（XV，YV，ZV）；
；
其中，P为三维点，F为映射关系。
本发明的另一方面，提出了一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建系统，基于一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，所述系统包括：
转换矩阵生成模块，其配置为基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
第一类方程构建模块，其配置为获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
第二类方程构建模块，其配置为基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
重建模块，其配置为通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过多台振镜同时驱动激光扫描和相机视场运动，从而实现高精度和大范围的三维重建。
（2）本专利提出了通过多台振镜同时驱动激光扫描和相机视场运动的动态三维重建系统并，建立了动态相机和动态激光联合的数学模型，同时实现了大范围和高精度的三维重建。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法中使用的动态激光三维测量系统的结构示意图；
图2是本发明的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法的流程示意图；
图3是本发明的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法中使用的动态激光三维测量系统的数学模型示意图；
图4是本发明第一实施例中所使用的动态激光三维重建系统示意图；
图5是本发明第一实施例中不同角度下的点云重建结果；
图6是本发明第一实施例中旋转角度的误差分析示意图；
图7是用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，应用于动态激光三维测量系统；所述动态激光三维测量系统包括动态相机系统和动态激光系统；所述动态相机系统包括动态相机和第一振镜；所述动态激光系统包括激光器和第二振镜；该方法包括：
基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
其中，动态激光三维测量系统其结构如图1所示，基于动态激光三维测量系统的数学模型和预先的标定，可以从捕获的激光图像和两个振镜系统的电压值中计算出目标的3D信息。
当系统开始工作，对于动态激光系统，线激光将激光条纹直接投射到第二振镜上，通过镜子的反射再投射到物体表面。通过控制第二振镜电压变化，使得激光条纹投射到我们想要的位置。同时，对于动态相机系统，相机通过镜面反射光路来成像，通过控制第一振镜的电压，使相机可以捕捉不同视角的图像，从而捕捉动态的激光条纹。 通过系统预先的标定，可以从捕获的激光图像和获取该图像时两个振镜的电压值，计算3D几何信息。振镜的扫描速度很快，使该系统可以大范围的快速扫描重建和测量，这可以应用到很多工业场景中，尤其是在线检测和实时测量，比如焊缝、复合材料加工等。
为了更清晰地对本发明的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法进行说明，下面结合图2和图3对本发明实施例中各步骤展开详述。
本发明第一实施例的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，各步骤详细描述如下：
基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
本发明中，所述，其计算方法为：
所述第一振镜包括pan1镜面和tilt1镜面，以所述pan1镜面转轴为z轴，垂直所述pan1镜面的方向为y轴，平行所述pan1镜面的方向为x轴，建立所述第一振镜的坐标系{G}；获取所述pan1镜面的旋转角度θ1和所述tilt1镜面的旋转角度θ2：
θ1=kpan1Upan1；
θ2=ktilt1Utilt1；
其中，k为预设系数，U为电压；具体的，Upan1为pan1的电压，Utilt1为tilt1的电压，kpan1为pan1的预设系数，ktilt1为tilt1的预设系数。
当转动所述第一振镜时，所述第一坐标系{V0}和所述第二坐标系{V}与电压的变化关系为：
；
；
其中，所述d为pan1镜面和tilt1镜面之间的距离，l为动态相机光心到pan1镜面的距离，T为旋转矩阵；
当所述第一振镜的电压U为0时，得到所述：
。
其中，相机坐标系{C}经过pan1镜面的反射，转换到了第一坐标系{V0}，再经过tilt1的反射，转换到了第二坐标系{V}。
获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
本发明中，所述第一方程Plane0、所述第二平面方程、所述第三方程V0Plane分别为：
所述第一方程：
；
其中，所述A0、B0、C0、D均为所述第一方程的预设参数；
所述第二方程：
；
其中，为旋转轴在第一坐标系中x轴上的方向向量，/>为旋转轴在第一坐标系中y轴上的方向向量；/>为旋转轴在第一坐标系中z轴上的方向向量；X、Y、Z在第一坐标系中的任意一点；
所述第三方程V0Plane为：
。
其中，所述均为所述第三方程的预设参数。
本发明中，所述激光条纹的像素坐标（u，v），其获取方法为：
；
其中，f x 、f y 为所述动态相机在所述相机坐标系的x轴和y轴方向焦距的长度，u 0 ，v 0 为所述动态相机内参数，表示主点的实际位置，T1为平移矩阵，R为旋转矩阵，（Xv，Yv，Zv）为所述像素坐标（u，v）对应的三维点在第二坐标系{V}中的坐标。
基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
所述参数值，其计算方法为：
所述第二振镜包括pan2镜面和tilt2镜面，所述pan2镜面的旋转角度为θ3，所述tilt2镜面的旋转角度为θ4，所述θ3与所述pan2镜面的电压Upan2成正比，所述θ4与所述tilt2镜面的电压Utilt2成正比；
设定的旋转角度α与所述第二振镜的旋转角度之间的关系：α=2θ4；
根据所述第一方程、所述第一坐标系、所述θ4得到所述参数值：
；
其中，R为Rodrigues变化，为旋转轴的方向向量。
所述第五方程 V Plane，其获取方法为：
= AVx+BVy+CVz+D=0。
其中，任取旋转轴上的一点（xn，yn，zn），可以算出DV0=-AV0xN-BV0yN-CV0zN。根据{V}和{V0}之间的转移矩阵，可以计算出激光平面在{V}中的方程。
通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
所述点云数据VP，其获取方法为：
VP=（XV，YV，ZV）；
；
其中，P为三维点，F为映射关系。
下面结合实际系统，做具体说明：
实际系统如图4所示，相机型号是MV-CA004-10UC，相机相元尺寸为6.9 µm×6.9 µm，分辨率720×540，帧率500fps。相机的曝光时间为500毫秒，获取激光的暗图，方便激光提取。振镜最大转角为±10度，电压±5伏。最大扫描频率1 kHz。
为了测试系统的稳定性并分析其在不同角度的重建精度，我们使用了一个标准的阶梯块。两个阶梯平面之间的距离为30毫米。通过同步控制第一振镜和第二振镜的pan-tilt镜子，每次旋转0.1°来进行扫描。扫描和重建过程完成后，生成了阶梯块的点云。拟合阶梯的两个平面（Plane-1和Plane-2），并计算它们之间的距离。使用最小二乘法使用属于Plane-2的点云拟合一个平面方程。接下来，随机选择属于Plane-1的500个点，计算这些点与Plane-2之间的平均距离作为拟合平面的距离。计算出的距离与实际距离之间的差异被视为误差，这作为系统达到的重建精度的衡量标准。
重建距离为650毫米，系统的测量范围由动态相机和动态激光的重叠视场（FOV）决定，测量范围为1100毫米×1300毫米。选择了三十个不同的位置来分析不同角度的重建精度。动态相机和激光器从这些位置同时扫描目标以完成3D重建过程。如图5所示，是从四个不同位置获得的重建点云的示例。图6是与第一振镜和第二振镜的旋转角度相关的误差分析。从图中可以明显看出，随着振镜的旋转角度偏离其初始位置（标定位置），3D重建中的误差增加。这是因为当系统远离标定位置时，会出现较大的误差。这30个位置的均方根误差（RMSE）被计算为0.1653毫米，标准误差为0.0654毫米，证明了提出的系统在3D重建中所达到的高精度。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本发明第二实施例的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建系统，基于一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，所述系统包括：
转换矩阵生成模块，其配置为基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
第一类方程构建模块，其配置为获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
第二类方程构建模块，其配置为基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
重建模块，其配置为通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
下面参考图7，其示出了用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图7示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)701，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 701、ROM 702以及RAM703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口705也连接至总线704。
以下部件连接至I/O接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如LAN(局域网，Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)701执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，应用于动态激光三维测量系统；所述动态激光三维测量系统包括动态相机系统和动态激光系统；所述动态相机系统包括动态相机和第一振镜；所述动态激光系统包括激光器和第二振镜；其特征在于，该方法包括：
基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
所述，其计算方法为：
所述第一振镜包括pan1镜面和tilt1镜面，以所述pan1镜面转轴为z轴，垂直所述pan1镜面的方向为y轴，平行所述pan1镜面的方向为x轴，建立所述第一振镜的坐标系{G}；获取所述pan1镜面的旋转角度θ1和所述tilt1镜面的旋转角度θ2：
θ1=kpan1Upan1；
θ2=ktilt1Utilt1；
其中，k为预设系数，U为电压；
当转动所述第一振镜时，所述第一坐标系{V0}和所述第二坐标系{V}与电压的变化关系为：
；
；
其中，所述d为pan1镜面和tilt1镜面之间的距离，l为动态相机光心到pan1镜面的距离，T为旋转矩阵；
当所述第一振镜的电压U为0时，得到所述：
；
获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到所述激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
所述第一方程、所述第二方程、所述第三方程分别为：
所述第一方程：
；
其中，所述A0、B0、C0均为所述第一方程的预设参数；
所述第二方程：
；
其中，为旋转轴在第一坐标系中x轴上的方向向量，/>为旋转轴在第一坐标系中y轴上的方向向量；/>为旋转轴在第一坐标系中z轴上的方向向量；X、Y、Z为第一坐标系中的任意一点的坐标；
所述第三方程为：
；
其中，所述均为所述第三方程的预设参数；
所述第五方程表达为 V Plane，其获取方法为：
= AVX+BVY+CVZ+Dv=0；
其中，为所述第三方程；
所述参数值，其计算方法为：
所述第二振镜包括pan2镜面和tilt2镜面，所述pan2镜面的旋转角度为θ3，所述tilt2镜面的旋转角度为θ4，所述θ3与所述pan2镜面的电压Upan2成正比，所述θ4与所述tilt2镜面的电压Utilt2成正比；
设定的旋转角度α与所述第二振镜的旋转角度之间的关系：α=2θ4；
根据所述第一方程、所述第一坐标系、所述θ4得到所述参数值：
；
其中，R为Rodrigues变化，为旋转轴的方向向量；
通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
2.根据权利要求1所述的基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，其特征在于，所述激光条纹的像素坐标（u，v），其获取方法为：
；
其中，f x 、f y 为所述动态相机在所述相机坐标系的x轴和y轴方向焦距的长度，u 0 ，v 0 为所述动态相机内参数，表示主点的实际位置，T1为平移矩阵，R为旋转矩阵，（Xv，Yv，Zv）为所述像素坐标（u，v）对应的三维点在第二坐标系{V}中的坐标。
3.根据权利要求2所述的基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，其特征在于，所述点云数据VP，其获取方法为：
VP=（XV，YV ，ZV）；
；
其中，P为三维点，F为映射关系。
4.一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建系统，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法，所述系统包括：
转换矩阵生成模块，其配置为基于相机坐标系，构建第一坐标系和第二坐标系，进而得到所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的转换矩阵；所述第一坐标系、所述第二坐标系分别为所述动态相机的初始位置、运动后位置经所述第一振镜反射后对应的虚拟坐标系；
所述，其计算方法为：
所述第一振镜包括pan1镜面和tilt1镜面，以所述pan1镜面转轴为z轴，垂直所述pan1镜面的方向为y轴，平行所述pan1镜面的方向为x轴，建立所述第一振镜的坐标系{G}；获取所述pan1镜面的旋转角度θ1和所述tilt1镜面的旋转角度θ2：
θ1=kpan1Upan1；
θ2=ktilt1Utilt1；
其中，k为预设系数，U为电压；
当转动所述第一振镜时，所述第一坐标系{V0}和所述第二坐标系{V}与电压的变化关系为：
；
；
其中，所述d为pan1镜面和tilt1镜面之间的距离，l为动态相机光心到pan1镜面的距离，T为旋转矩阵；
当所述第一振镜的电压U为0时，得到所述：
；
第一类方程构建模块，其配置为获取所述激光器发射的激光条纹的像素坐标，结合第一方程、第二方程，构建所述激光器沿其旋转轴转动设定的角度后的平面方程，作为第三方程；
其中，所述第一方程为所述像素坐标的初始位置在所述第一坐标系中的平面方程；所述第二方程为所述激光器的旋转轴在所述第一坐标系中的平面方程；
第二类方程构建模块，其配置为基于所述第二振镜设定的旋转角度，得到所述旋转轴转动的角度与所述第二振镜的旋转角度之间的关系，进而构建带有参数值的第三方程，作为第四方程；结合所述第四方程和所述得到激光条纹在所述第二坐标系中的方程，作为第五方程；
所述第一方程、所述第二方程、所述第三方程分别为：
所述第一方程：
；
其中，所述A0、B0、C0均为所述第一方程的预设参数；
所述第二方程：
；
其中，为旋转轴在第一坐标系中x轴上的方向向量，/>为旋转轴在第一坐标系中y轴上的方向向量；/>为旋转轴在第一坐标系中z轴上的方向向量；X、Y、Z为第一坐标系中的任意一点的坐标；
所述第三方程为：
；
其中，所述均为所述第三方程的预设参数；
所述第五方程表达为 V Plane，其获取方法为：
= AVX+BVY+CVZ+Dv=0；
其中，为所述第三方程；
所述参数值，其计算方法为：
所述第二振镜包括pan2镜面和tilt2镜面，所述pan2镜面的旋转角度为θ3，所述tilt2镜面的旋转角度为θ4，所述θ3与所述pan2镜面的电压Upan2成正比，所述θ4与所述tilt2镜面的电压Utilt2成正比；
设定的旋转角度α与所述第二振镜的旋转角度之间的关系：α=2θ4；
根据所述第一方程、所述第一坐标系、所述θ4得到所述参数值：
；
其中，R为Rodrigues变化，为旋转轴的方向向量；
重建模块，其配置为通过所述动态相机捕获激光图像，并提取所述激光器发射的激光条纹上的像素坐标；基于所述像素坐标，结合所述第五方程，计算得到点云数据；将所述点云数据转换至所述第一坐标系，得到三维点云，完成三维重建。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-3任一项所述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-3任一项所述的一种基于双振镜系统的大范围动态激光重建方法。
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