一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法，其中一种双视角线激光扫描三维成像装置，包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。

A laser scanning three-dimensional imaging device and method with two viewing angles

【技术实现步骤摘要】
一种双视角线激光扫描三维成像装置及方法
本专利技术属于三维激光测量
，涉及一种提高空间纵向分辨率的双视角线激光扫描三维成像装置及方法。
技术介绍
线激光扫描三维成像是一种基于光学三角法的非接触式物体表面轮廓成像技术，利用线激光投影到被测物体表面，相机采集受到物体表面高度调制的形变条纹，经过计算得到表面轮廓三维数据。该技术已经在测绘测量、产品的逆向工程、模具设计等多个领域内变得非常常见，并且在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。受相机固有的图像采集时间的限制，单相机的线激光扫描三维成像获得的物体表面图像的分辨率不高。例如：假设有一台帧率f＝30帧的工业相机在线采集运动状态下工件，在理想情况下一秒钟拍摄30幅图像，即相机采集相邻两幅图像的时间间隔是即相机每间隔时间T拍摄一幅图像，由于工件是连续运动的，所以相机在拍摄完一幅图像到拍摄下一幅图像的时间间隔T内，运动过去的工件的这部分信息未能得到采集，获得的三维图像的分辨率不高。在单相机线激光扫描三维成像的基础上，利用两组线激光扫描三维成像模组实现了三棱锥表面轮廓的双视角提高纵向分辨率的线激光扫描三维成像。实验过程中需要保证两个线激光平面平行且对两激光发射器间的距离有要求，对器件的安装要求较高，限制了该方法的现场灵活应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，为解决单相机线激光扫描三维成像中分辨率不高的问题，本专利技术提供了一种提高空间纵向分辨率的双视角线激光扫描三维成像装置及方法。本专利技术采用的技术方案是：一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。进一步，所述立体靶标是正四棱柱，所述激光发射器、相机以及镜头均设置有两个。进一步，所述激光发射器平行设置在立体靶标的侧上方，所述激光发射器的激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间平行。进一步，所述相机设置于相应所述激光发射器的一侧，且镜头对着立体靶标设置。进一步，所述立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。一种双视角线激光扫描三维成像方法，其基于上述双视角线激光扫描三维成像装置，具体步骤如下：步骤1，搭建上述双视角线激光扫描三维成像装置，使用两个单个线激光扫描三维成像组合对向立体靶标的同一个面，且两个激光发射器的间距设置成L；步骤2，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集正对的同一立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离；步骤5，标定完成后，对待测物体进行双视角线激光扫描三维成像；步骤6，通过两个相机对立体靶标指定平面进行标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成双视角线激光扫描三维成像。进一步，步骤1中的两个激光发射器的间距L应当满足：其中，v为一维移动平台的移动速度，R为轴角编码器的分辨率，r为一维移动平台的运动轴的半径，n可取任意正整数，α为第2个视角周期性图像采集所占ls的比例，ls为单个视角获得点云数据的纵向空间分辨率，且ls＝toc·ν；toc为轴角编码器触发信号的时间间隔，且进一步，步骤2中Tsai标定法已知的内部参数有图像主点坐标(u0,v0)，像元尺寸dx,dy，则相机成像的数学模型为：其中f是相机内参，R是旋转矩阵，T是平移向量，s是尺度因子输入四个特征点以上的图像坐标和其对应的世界坐标，其中(XWi,YWi,ZWi)表示第i个特征点的世界坐标，可以求解出相机的内外参数。进一步，步骤3中激光平面的方程是：aXwi+bYwi+cZwi+d＝0其中(XWi,YWi,ZWi)表示第i个特征点的世界坐标，取激光平面上不共线的三点(XW1,YW1,ZW1)，(XW2,YW2,ZW2),(XW3,YW3,ZW3)，根据不共线的三点确定一个平面：整理得可以解得激光平面方程。进一步，步骤4中一维移动部件的运动方向和距离的求取过程如下：相机相邻两次工作间隔时间t，假设相机每隔时间t所取得两幅图片的同一个特征点的世界坐标是(XW1,YW1,ZW1)，(XW2,YW2,ZW2)，一维移动部件运动一段距离，其中相机工作了n次，则有n-1个工作间隔，则一维移动部件的标定结果为：其中(Δx,Δy,Δz)是相机相邻两次工作的待测物体的移动距离。本专利技术的有益效果：通过精确设置两激光发射器的空间位置，使两个相机获得的待测物体的三维数据相间分布，同时使用高精度立体靶标同时对两个相机进行标定，根据坐标转换，将各相机统一到同一个世界坐标系中，然后同步触发装置控制相机分别采集待扫描物体同一面的三维信息，然后得到物体表面的完整信息，从而提高图像纵向分辨率，解决单个线激光扫描装置得到的待测物体三维图像分辨率不高的缺点。附图说明图1是本专利技术的正四棱柱立体标靶的结构示意图。图2是本专利技术的结构示意图。图3是本专利技术的激光发射器的位置设置图。图4是本专利技术的扫描结果图一。图5是本专利技术的扫描结果图二。其中，1、相机，2、激光发射器，3、一维移动部件，4、立体靶标，5、轴角编码器，6、镜头。具体实施方式下面结合具体实施例来对本专利技术进行进一步说明，但并不将本专利技术局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本专利技术涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。实施例一如图1、2所示，本实施例提供了一种双视角线激光扫描三维成像装置，包括一维移动部件3、轴角编码器5、立体靶标4、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件3由轴角编码器5带动移动；所述立体靶标4是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标4的数个面沿周向相围，所述立体靶标4放置于一维移动部件3上方且立体靶标4的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。/n

【技术特征摘要】
1.一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：包括一维移动部件、轴角编码器、立体靶标、若干组单一线激光扫描三维成像组合件，所述一维移动部件由轴角编码器带动移动；所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围，所述立体靶标放置于一维移动部件上方且立体靶标的面朝向单一线激光扫描三维成像组合件设置；所述单一线激光扫描三维成像组合件包括向待扫描物体透射激光的激光发射器和对透射有激光的待扫描物体的成像进行采集的相机，所述激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置，所述相机上设置有用于对立体靶标的面成像的镜头。


2.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：所述立体靶标是正四棱柱，所述激光发射器、相机以及镜头均设置有两个。


3.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：所述激光发射器平行设置在立体靶标的侧上方，所述激光发射器的激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间平行。


4.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：所述相机设置于相应所述激光发射器的一侧，且镜头对着立体靶标设置。


5.如权利要求1所述的一种双视角线激光扫描三维成像装置，其特征在于：所述立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。


6.一种双视角线激光扫描三维成像方法，其基于权利要求1-5任意一项所述的双视角线激光扫描三维成像装置，具体步骤如下：
步骤1，搭建上述双视角线激光扫描三维成像装置，使用两个单个线激光扫描三维成像组合对向立体靶标的同一个面，且两个激光发射器的间距设置成L；
步骤2，保持立体靶标位置不变，使两个相机同时采集正对的同一立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；
步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；
步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆光，刘强，黄俊超，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33