[發明專利]低成本三維激光掃描儀

有效

• 申請號: 201310299623.9
• 申請日: 2013-07-17
• 公開（公告）號: CN103335630A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 肖瑾;郭驍;馬驥驍;盧偉雄;韓頌
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C3/00
• 分類號: G01C3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

（一）技術領域

本發明為一種低成本三維激光掃描儀。該裝置利用激光結合CMOS(Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor，指互補金屬氧化物(PMOS管和NMOS管)共同構成的互補型MOS集成電路制造工藝)攝相機掃描實際場景并通過圖像處理解算出三維坐標信息。其中涉及硬件驅動與控制技術、圖像處理技術、數據解算算法等，且裝置造價低廉，控制技術相對簡單，適用于空間掃描重構，并達到計算機認知的目的。?

（二）背景技術

目前全球業界公認的發展最快的、應用日趨廣泛的最重要的高新技術就是光電技術，在測距領域，光電技術突出體現在激光的應用中。激光由于發散角小，方向性好，使測量精度大幅度提高，測距速度飛速提高。在這樣的背景下，利用三維激光掃描儀繪制點云的方法變得精確而且可行。?

三維激光掃描在多領域有著重要作用：建筑模型的構建，文物發掘的測繪，地質地貌的重構，機器人視覺，城市規劃等。而我國機器人學國家重點實驗室開放課題“廢墟搜救機器人三維廢墟環境自主建模與重構研究”課題也直接體現了三維掃描技術的價值。?

目前成品化的三維激光掃描儀，其應用對象多為建筑模型構建等大型項目，所以掃描儀結構復雜，價格較高，例如拓普康公司的GLS-1500，售價為1000000元；Optech公司的ILRIS-3D價格為2000000元；德國Z+F公司的IMAGER5010價格為2300000元。在這種情況下，許多需要應用三維激光掃描的課題都選用一維或二維掃描儀自己搭建平臺來實現三維效果，但精度、速度都難以得到保證，這直接體現了低成本三維激光掃描儀的實用前景與研究意義。?

由于激光的傳播速度極快，掃描速率要求高，測距精度保證難，軟件重構復雜等多方面的較高挑戰，項目有著硬件軟件多方面難點，使得許多基于激光測距而成的項目構成了較大的門檻。?

針對上述背景，提出一種低成本三維激光掃描儀的設計。該裝置利用激光結合CMOS攝相機進行掃描，通過圖像處理來解算三維坐標信息，實現厘米數量級精度的測量。?

（三）發明內容

1、目的?

本發明的目的是提供一種低成本的三維激光掃描裝置。該裝置能夠對空間場景進行掃描，同時在計算機PC端開發與之相應的三維重構軟件，通過圖像識別解碼計算獲得空間三維數據，實現高性價比的目標。?

2、技術方案?

本發明——一種低成本三維激光掃描儀，由硬件和軟件兩大部分構成；硬件部分包括：CMOS攝像機，808納米（nm）一字線激光器，MSP430（美國德州儀器?公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器）單片機，步進電機，電機驅動器以及機殼；軟件部分包括：轉臺控制軟件，圖像識別軟件與點云繪制軟件。技術方案如下：?

（1）總體設計：?

本系統的基本結構如圖1所示。整個轉臺與激光發生器的控制都由MSP430單片機直接控制，而對圖像的解算，以及三維坐標的獲取都利用PC端軟件實現。每一次拍攝圖片，都可以掃描實際空間中的一豎列點，而利用控制轉臺旋轉，則可以利用這條激光線的掃描從而使掃描儀的掃描范圍擴增到整個空間。?

（2）掃描原理：?

本掃描儀掃描原理如圖2所示。camera?center為攝像機中心，laser?center為激光發射器中心，rotation?center為整個轉臺的旋轉中心。圖2中P1，P2連線即為激光線投射在實際物體的光線。則從攝像機內觀察，這個景物則投射在成像平面上，形成與P1與P2對應的P1’與P2’，之后可以在水平面上建立如圖3的坐標系。?

圖3中u為成像平面上該直線的橫向坐標值，原點為成像平面中心點，而單位為像素。設rotation?center到laser?center距離為D，laser?center到camera?center距離為L。則由相似三角形可以推出：?