[發明專利]一種雙旋轉激光的三維重構裝置及方法

有效

• 申請號: 201610988115.5
• 申請日: 2016-11-10
• 公開（公告）號: CN106524943B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 陳安;張偉鋒;胡躍明
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 44245 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 蔡克永

1.一種雙旋轉激光的三維重構方法，其特征在于采用雙旋轉激光的三維重構裝置實現，該三維重構裝置包括用于放置被測物體(2)的基座(11)、設置在基座(11)一側的支撐桿(1)、兩個齒輪減速裝置(7)、用于驅動兩個齒輪減速裝置(7)轉動的兩個步進電機(6)、左線結構光投射器(4)、右線結構光投射器(5)、攝像機(3)；

所述支撐桿(1)軸向套設有兩個滑套，分為第一滑塊(8)和第二滑塊(81)；

所述兩個齒輪減速裝置(7)分別安裝在橫桿(10)的兩端，所述橫桿(10)的中部固定在第一滑塊(8)上；所述左線結構光投射器(4)和右線結構光投射器(5)分別安裝在這兩個齒輪減速裝置(7)的齒輪上，當步進電機(6)帶動齒輪減速裝置(7)旋轉時，左線結構光投射器(4)和/或右線結構光投射器(5)跟隨其360°旋轉，以對被測物體(2)進行掃描；

所述攝像機(3)通過一夾臂(9)安裝在第二滑塊(81)上；

所述第一滑塊(8)和第二滑塊(81)在支撐桿(1)上的移動位置，可獨立調節；

所述齒輪減速裝置(7)包括小齒輪(12)和與其嚙合的大齒輪(13)；所述小齒輪(12)安裝在步進電機(6)的轉軸上，大齒輪(13)通過軸承安裝在橫桿(10)上；

所述左線結構光投射器(4)和右線結構光投射器(5)分別安裝在各自的大齒輪(13)上；

所述小齒輪(12)與大齒輪(13)的轉動圈數為1:2或者1:3；

所述左線結構光投射器(4)和右線結構光投射器(5)的軸線與大齒輪(13)的軸線垂直；

所述雙旋轉激光的三維重構方法包括如下步驟：

步驟(1)：對攝像機進行標定；

步驟(2)：將棋盤格標定板放置于攝像機視野內的合適位置，并且使左線結構光投射器的結構光投射于棋盤格標定板上，攝像機采集圖像，對采集到的圖像進行畸變矯正，并在所獲取的圖像中提取結構光亮斑的中心；

步驟(3)：獲取左線結構光光平面上不共線的直線段的長度，以及其端點在圖像坐標系下的亞像素坐標，使用空間直線段成像幾何關系求取出直線段各個端點在攝像機坐標系下的三維坐標；

步驟(4)：根據所獲取的光平面上的不共線的三維坐標數據，通過最小二乘法求取出光平面在攝像機坐標系下的空間平面方程參數；

步驟(5)：重復步驟(2)至步驟(4)以獲取右線結構光的空間平面方程參數；

步驟(6)：通過步進電機脈沖數及步進電機與左線結構光投射器之間的減速裝置的減速比，計算出結構光旋轉角度，進而求得空間中兩個平面的夾角，再根據所得的空間平面方程，可得旋轉后的空間平面方程，即當前的空間平面方程；

步驟(7)：獲取左線結構光在物體上投射的亮斑的圖像坐標，再根據當前的線結構光平面方程可計算出亮斑的三維相機坐標；

步驟(8)：重復步驟(6)、步驟(7)以獲取右線結構光投射的亮斑的三維相機坐標；

步驟(9)：將左線結構光和右線結構光所獲得的三維坐標統一到同一坐標系得到最后的點云數據，完成三維重建；

步驟(3)的具體方法如下：

a.由于棋盤格標定板的所有邊是由相互垂直的兩組平行線構成的，這兩組平行線中的任一組均平分線結構光與棋盤格標定板的交線為若干等份；通過圖像處理分析獲取若干段等長的直線段的長度及其各端點在圖像上的亞像素坐標，這些直線段都共線且位于光平面上，棋盤格標定板換一個放置位置，即可得到另一組等長且位于光平面上的直線段及其端點的像在圖像上的亞像素坐標；

b.根據空間直線段的投影關系，即共線三點透視關系，首先計算出這些直線段各端點與攝像機光線的距離，然后即可得到這些端點在相機坐標系下的三維坐標，記B、C和D點在相機坐標系下的三維坐標為(x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)和(x_D，y_D，z_D)，可得如下關系式：

步驟(6)的具體方法如下：

a.根據旋轉激光的旋轉范圍，分別得到線結構光的兩個邊界空間平面方程，由這兩個平面方程可得旋轉激光旋轉軸的平面束方程，兩個邊界平面方程分別為A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0和A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0，則過這兩個平面交線旋轉軸所在直線的所有平面方程，即平面束方程為：

A₁x+B₁y+C₁z+D₁+λ(A₂x+B₂y+C₂z+D₂)＝0

即(A₁+λA₂)x+(B₁+λB₂)y+(C₁+λC₂)z+(D₁+λD₂)＝0

b.根據當前平面，即參數為A₃＝A₁+λA₂，B₃＝B₁+λB₂，C₃＝C₁+λC₂，D₃＝D₁+λD₂與邊界平面，即參數為A₁、B₁、C₁、D₁的夾角Θ，由

可求得λ，進而可求得當前平面方程參數A₃、B₃、C₃、D₃。