[發(fā)明專利]基于空間錯位的全視角線激光掃描三維成像裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910762273.2
• 申請日: 2019-08-19
• 公開（公告）號: CN110487213B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳慶光;黃俊超;金星
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 俞昊文

1.基于空間錯位的全視角線激光掃描三維成像裝置的全視角線激光掃描三維成像方法，所述基于空間錯位的全視角線激光掃描三維成像裝置，包括一維移動部件、立體靶標(biāo)、激光發(fā)射器及相機，所述立體靶標(biāo)安裝在一維移動部件上方，所述立體靶標(biāo)是一個至少具有三個面的正棱柱體，立體靶標(biāo)的數(shù)個面沿周向相圍；激光發(fā)射器及相機的數(shù)量與立體靶標(biāo)的面的數(shù)量相對應(yīng)，數(shù)個激光發(fā)射器側(cè)向?qū)?zhǔn)立體靶標(biāo)的棱處設(shè)置；每個相機上各安裝一個鏡頭，鏡頭用于對立體靶標(biāo)的面成像；所述激光平面?zhèn)葘ο蛄Ⅲw靶標(biāo)棱處以形成非共線直線，各激光平面空間錯開；立體靶標(biāo)各面刻有規(guī)則分布的十字靶標(biāo)；所述全視角線激光掃描三維成像方法，其特征是按如下步驟進行：

步驟1，搭建所述全視角線激光掃描三維成像標(biāo)定裝置，使用四個單個線激光掃描三維成像組合分別對向立體靶標(biāo)的四個面；

步驟2，保持立體靶標(biāo)位置不變，使數(shù)個相機同時采集正對的立體靶標(biāo)面的圖像，通過圖像中十字靶標(biāo)像素坐標(biāo)與該相機對應(yīng)的世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)使用Tsai標(biāo)定法解算出相機的外參與內(nèi)參，依次求出各相機的參數(shù)；

激光平面標(biāo)定時，將各激光在空間上錯開，利用光平面在立體靶標(biāo)棱處形成的兩條非共線直線完成單一光平面的標(biāo)定，同樣利用各標(biāo)定面在立體靶標(biāo)上的空間關(guān)系，將各光平面方程轉(zhuǎn)換建立在確定的唯一世界坐標(biāo)系下；

步驟3，打開激光發(fā)射器，用相機采集激光發(fā)射器光平面在立體靶標(biāo)棱處形成的折角線所成的像，提取該折線上的點，用此求線激光平面方程，確定線激光平面相對于相機坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系；

步驟4，使一維移動部件帶動立體靶標(biāo)移動，在運動方向上分別取兩幅圖像，求得一維移動部件的運動方向和距離；

步驟5，標(biāo)定完成后，對待測物體進行全視角線激光掃描三維成像；

步驟6，通過立體靶標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)化使多個相機完成全局標(biāo)定，即標(biāo)定各面所成的像拼接在一起，完成全視角線激光掃描三維成像；

步驟2具體的，固定立體靶標(biāo)其中一個面為標(biāo)準(zhǔn)世界坐標(biāo)系(X_W1,Y_W1,Z_W1)，與之相鄰的一個面上的坐標(biāo)系為臨時坐標(biāo)系(X_w2,Y_w2,Z_w2)，與之相對的面的坐標(biāo)系為臨時坐標(biāo)系(X_w3,Y_w3,Z_w3)，另一個與之相鄰的一個面的坐標(biāo)系為臨時坐標(biāo)系(X_w4,Y_w4,Z_w4)；

步驟3具體的，打開激光發(fā)射器，用相機采集激光發(fā)射器光平面內(nèi)幾條不重合的直線所成的像，通過交比不變性求得激光線上若干點的在唯一世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)，即可擬合線激光平面方程，確定線激光平面相對于唯一世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系；

步驟4具體的，使一維移動部件帶動立體靶標(biāo)移動，在運動方向上分別取兩幅圖像，分別識別兩幅圖像中同一位置，求得一維移動部件的運動方向和距離，一維移動部件帶動立體靶標(biāo)移動時，每運動一定脈沖時，相機對應(yīng)采集一個標(biāo)定面的圖像，對標(biāo)定面進行識別分析，可以得出待掃描物體每次移動的距離，將多組激光線的圖像相同的移動距離即可得出待掃描物體表面的三維數(shù)據(jù)；

步驟5具體的，移走立體靶標(biāo)，在一維移動部件上安裝待測物體，調(diào)整待掃描物體位置，使激光線投射在待掃描物體上，使用一維移動部件帶動待掃描物體沿標(biāo)定的方向做一維運動，使用相機同時對待掃描物體采集圖像，將采集的圖像傳輸回計算機，對圖像進行處理，得到掃描物體不同面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

步驟6具體的，線激光掃描三維成像所得的像的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由于經(jīng)過了全局標(biāo)定，即利用立體靶標(biāo)的四個標(biāo)定面的空間關(guān)系建立了聯(lián)系，通過轉(zhuǎn)換使得各面的數(shù)據(jù)建立在同一平面確定的世界坐標(biāo)系下，即三維成像得到的各面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)將會自動建立在統(tǒng)一世界坐標(biāo)系下，實現(xiàn)自動融合；

還包括步驟7，將多個相機所成的不同面的像拼接在一起，具體步驟如下：

一維移動部件帶動待掃描物體移動時，每當(dāng)待掃描物體移動一定距離時，相機采集一張待掃描物體表面激光線的圖像，通過四個相機分別得到四組三維數(shù)據(jù)，其坐標(biāo)根據(jù)步驟2中標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系和臨時坐標(biāo)系確定；假設(shè)其中兩個面在其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)世界坐標(biāo)系中的點坐標(biāo)為臨時世界坐標(biāo)系中的點坐標(biāo)為

線激光掃描三維成像所得的像的坐標(biāo)是在世界坐標(biāo)系下，兩個標(biāo)定面的相對位置已知，即通過兩個世界坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)化使兩個相機所成的待掃描物體的不同面的像重合；

其中一標(biāo)定面為標(biāo)準(zhǔn)世界坐標(biāo)系(X_W1,Y_W1,Z_W1)，與之相鄰的標(biāo)定面坐標(biāo)系為臨時坐標(biāo)系(X_w2,Y_w2,Z_w2)，那么兩個坐標(biāo)之間的變換關(guān)系表示如下：

其中，R為3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣；T為三維平移向量，0＝(0，0，0)；M為4×4外參數(shù)矩陣，表示了標(biāo)準(zhǔn)世界坐標(biāo)系和臨時世界坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系；

立體靶標(biāo)的兩面中，得取正方體邊長為d，則將臨時世界坐標(biāo)系中的點坐標(biāo)為轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)世界坐標(biāo)系中的點，公式為：

兩個坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系中顯示，則待掃描物體兩個不同的面便能拼接在一起。