一种自动化三维激光扫描仪及其扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种自动化三维激光扫描仪及其扫描方法，属于计算机视觉技术领域，克服了物体表面反光和吸光对扫描结果的影响和无法在自动化生产线上推广使用的问题。该扫描仪包括：激光器组、双目相机、转台、控制器和计算机。与基于光栅投影的拍照式三维扫描仪相比，本发明专利技术由于使用线激光作为扫描光源，能够克服反光和吸光物体表面对扫描效果的影响，而且对于恶劣的工作环境也具有更好的适应能力；与基于多线激光的手持式三维扫描仪相比，本发明专利技术能够在扫描仪与被测物体位置相对固定的情况下，获取被测物体完整的点云数据，扫描时无需提前粘贴标志点和人工参与，能够在自动化生产线上广泛使用。广泛使用。广泛使用。

【技术实现步骤摘要】
一种自动化三维激光扫描仪及其扫描方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉
，具体涉及一种自动化三维激光扫描仪及其扫描方法。

技术介绍

[0002]长久以来，对真实物体几何尺寸的精确测量主要采用依赖于游标卡尺、千分尺、角度尺等测量工具的接触式人工测量方式，这种测量方式无法测量形状不规则的物体表面且对于文物古迹等要求非接触的测量对象也存在技术瓶颈。随着相关学科的发展以及新技术新需求的驱动，三维扫描技术应运而生，该技术能够在不接触被测物体的情况下，根据采集到的物体表面信息计算出点云的空间分布，通过一系列的曲面重构方法在计算机中将点云数据整合成被测物体的三角网格模型，该项技术被广泛应用于工业设计领域的辅助制造与检验、医疗领域的手术定位与康复、游戏娱乐领域的实景建模与仿真以及考古领域的遗址保护与复原等。
[0003]目前，应用于测量领域的三维扫描技术主要包括基于光栅投影的拍照式三维扫描仪和基于多线激光的手持式三维扫描仪，其中，拍照式三维扫描仪用投影仪向被测物体表面连续投射多幅具有光学编码特性的明暗条纹，并用双目相机同步采集每幅明暗条纹在物体表面的反射光线，对所有采集图像进行统一的光学解码得到三维点云数据，该类技术在扫描时要求扫描仪与被测物体的位置相对固定，属于一种自动化三维扫描仪，但是，投影仪的光功率一般较低，在扫描反光物体和深色物体时，光线会被反射和吸收，导致光功率被大量损耗而无法在相机中呈现清晰的图像，进而导致无法获取高质量的点云数据。采用激光作为光源的手持式三维扫描仪具有较高的光功率，能够很好的克服反光和吸光物体对扫描效果的影响，该类技术需要在被测物体表面粘贴标志点，扫描过程中，操作者手持扫描仪遍历被测物体表面获得完整的点云数据，由于该类技术需要在扫描之前粘贴标志点、扫描过程需要人工参与，因此，只适用于扫描大型物体或者抽样检测，无法在自动化生产线上推广使用。
[0004]随着工业自动化和智能化的推进，生产线的自动化三维检测需求越来越多，而且工业产品表面普遍具有反光和吸光特性，因此，检测领域迫切需要一款能够有效解决反光和吸光问题的自动化三维扫描仪。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种自动化三维激光扫描仪及其扫描方法，克服了物体表面反光和吸光对扫描结果的影响和无法在自动化生产线上推广使用的问题。
[0006]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]一种自动化三维激光扫描仪，该扫描仪包括：激光器组、双目相机、转台、控制器和计算机；所述激光器组设置在所述转台上，所述转台带动所述激光器组以所述转台的转轴
为中心轴做摆扫运动；所述双目相机分别固定在所述转台的两端，采集激光器组投射到物体上反射回的图像；所述计算机通过所述控制器控制所述激光器组的开启或关闭，控制所述双目相机采集所述图像，控制转台转动的角度，并且接收所述双目相机采集的图像对所述图像进行处理生成点云数据。
[0008]优选的，所述双目相机通过支撑结构固定在所述转台的两端。
[0009]一种自动化三维激光扫描仪的扫描方法，所述方法包括如下步骤：
[0010]步骤一：计算并设置电控转台的速度和范围；
[0011]步骤二：所述计算机通过所述控制器控制所述转台转动，所述激光器组发射激光到被测物上，所述计算机通过所述控制器控制所述激光器组投射到物体上反射回的图像由所述双目相机采集，获得多个立体图像对；
[0012]步骤三：所述计算机计算每个步骤二所述的立体图像对采集时刻的激光线校准面方程；
[0013]步骤四：利用步骤三所述的激光线校准面方程，计算每个所述立体图像对中激光线的三维坐标值并保存到点云库中，实现一种自动化三维激光扫描的方法。
[0014]优选的，所述步骤一中所述转台的速度为：
[0015][0016]其中，F为自动化三维激光扫描仪的采集帧率，r为设置的点云分辨率，D为自动化三维激光扫描仪的最远扫描距离；
[0017]步骤一中所述转台的范围为所述激光器组投射出的所有激光线同时出现在立体图像对中。优选的，步骤三中激光线校准面方程为相机坐标系中，激光线在空间中形成的平面方程；所述转台位于零位时的激光线校准面方程标定已知，当所述激光器组随着所述转台转动时，激光线的校准面方程实时变化，设转台位于零位时的激光线校准面方程为A0(X
‑
x0)+B0(Y
‑
y0)+C0(Z
‑
z0)＝0，转台转动过程中，第k时刻，激光线校准面方程为A
k
(X
‑
x
k
)+B
k
(Y
‑
y
k
)+C
k
(Z
‑
z
k
)＝0，两个校准面方程参数间的关系为：
[0018][0019][0020]式中，R
k
为转台在k时刻相对于零位的旋转矩阵，(P
x
，P
y
，P
z
)为相机坐标系中转台轴线上的点；，A0(X
‑
x0)+B0(Y
‑
y0)+C0(Z
‑
z0)＝0为零位时平面的点法式方程，法向量A
k
(X
‑
x
k
)+B
k
(Y
‑
y
k
)+C
k
(Z
‑
z
k
)＝0为k时刻平面的点法式方程，法向量
[0021]所述转台在k时刻相对于零位的旋转矩阵R
k
的计算公式为：
[0022][0023]式中，(N
x
，N
y
，N
z
)为相机坐标系中转台轴线的矢量，θ为转台在k时刻相对于零位的转动角度。
[0024]优选的，所述步骤四中，计算每个所述立体图像对中激光线的三维坐标值的步骤为：从每个所述立体图像对的左、右视点图像中分别提取出多条二维激光线图案，在极平面内，从左、右视点图像中分别任意选取一个二维激光线上的点均能够重建出三维空间点，只将到激光线校准面距离小于阈值的点保存到点云库中。
[0025]本专利技术的有益效果是：与基于光栅投影的拍照式三维扫描仪相比，本专利技术由于使用线激光作为扫描光源，能够克服反光和吸光物体表面对扫描效果的影响，而且对于恶劣的工作环境也具有更好的适应能力；与基于多线激光的手持式三维扫描仪相比，本专利技术能够在扫描仪与被测物体位置相对固定的情况下，获取被测物体完整的点云数据，扫描时无需提前粘贴标志点和人工参与，能够在自动化生产线上广泛使用。
附图说明
[0026]图1本专利技术一种自动化三维激光扫描仪结构示意图。
[0027]图2本专利技术一种自动化三维激光扫描方法的流程图。
[0028]图3本专利技术一个立体图像对中原始的左视点图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自动化三维激光扫描仪，其特征在于，该扫描仪包括：激光器组、双目相机、转台、控制器和计算机；所述激光器组设置在所述转台上，所述转台带动所述激光器组以所述转台的转轴为中心轴做摆扫运动；所述双目相机分别固定在所述转台的两端，采集激光器组投射到被测物体上反射回的图像；所述计算机通过所述控制器控制所述激光器组的开启或关闭，控制所述双目相机采集所述图像，控制转台转动的角度，并且接收所述双目相机采集的图像对所述图像进行处理生成点云数据。2.根据权利要求1所述的一种自动化三维激光扫描仪，其特征在于，所述双目相机通过支撑结构固定在所述转台的两端。3.基于权利要求1或2所述的一种自动化三维激光扫描仪的扫描方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：计算并设置转台的速度和范围；步骤二：所述计算机通过所述控制器控制所述转台转动，所述激光器组发射激光到被测物上，所述计算机通过所述控制器控制所述激光器组投射到被测物上反射回的图像由所述双目相机采集，获得多个立体图像对；步骤三：所述计算机计算每个步骤二所述的立体图像对采集时刻的激光线校准面方程；步骤四：利用步骤三所述的激光线校准面方程，计算每个所述立体图像对中激光线的三维坐标值并保存到点云库中，实现一种自动化三维激光扫描的方法。4.根据权利要求3所述的扫描方法，其特征在于，所述步骤一中所述转台的速度为：其中，F为自动化三维激光扫描仪的采集帧率，r为设置的点云分辨率，D为自动化三维激光扫描仪的最远扫描距离；步骤一中所述转台的范围为所述激光器组投射出的所有激光线同时出现在立体图像对中。5.根据权利要求3所述的扫描方法，其特征在于，步骤三中激光线校准面方程为相机坐标系中，激光线在空间中形成的平面方程；所述转台位于零位时的激光线校准面方程标定已知，当所述激光器组随着所述转台转动时，激光线的校准面方程实时变化，设转台位于零位时的激光线校准面方程为A0(X
‑
x0)+B0(Y
‑
y0)+C0(Z
‑
z0)＝0，转台...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕源治，吕宝林，张洪宇，沙欧，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：