技术领域
[0001] 本
发明涉及三维激光测量技术领域，尤其涉及一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置与方法。
背景技术
[0002] 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。受限于相机视场，单视角的线激光扫描三维成像只能获得物体一个视角的表面轮廓信息。如刘思远利用线激光投影测量轴类零件的直径，通过对单视角点
云数据的拟合计算得到直径，无法真实反映轴类零件的实际轮廓信息。为此，多视角的线激光扫描三维成像技术利用多个线激光扫描三维成像模组，通过多个视角的拼接实现对物体360度表面的信息获取。现有针对静态放置的环形零件的尺寸测量提出多线结构视觉
传感器测量系统的方案，获得单个截面的全视角三维结果；利用多组线激光扫描三维成像模组实现了人体表面轮廓的全视角成像。实验过程中需要保证多个线激光共面，对器件的安装要求较高，限制了该方法的现场灵活应用。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对
现有技术的
缺陷，为解决单视角线激光扫描三维成像中视场的限制，以及多视角线激光扫描三维成像中的激光平面调整困难的问题，本发明提供了一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置与方法。
[0004] 为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] 基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置：包括一维移动部件、立体靶标、激光发射器及相机，所述立体靶标安装在一维移动部件上方，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；激光发射器及相机的数量与立体靶标的面的数量相对应，数个激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置；每个相机上各安装一个镜头，镜头用于对立体靶标的面成像。
[0006] 进一步的，所述的立体靶标是正四棱柱，激光发射器、相机以及镜头均设置四个。
[0007] 进一步的，所述的立体靶标是正三棱柱，激光发射器、相机以及镜头均设置三个。
[0008] 进一步的，所述激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间错开。
[0009] 进一步的，立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。
[0010] 进一步的，所述装置的全视角线激光扫描三维成像方法，
[0011] 步骤1，搭建所述全视角线激光扫描三维成像标定装置，使用四个单个线激光扫描三维成像组合分别对向立体靶标的四个面；
[0012] 步骤2，保持立体靶标
位置不变，使数个相机同时采集正对的立体靶标面的图像，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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 步骤5，标定完成后，对待测物体进行全视角线激光扫描三维成像；
[0016] 步骤6，通过立体靶标对应的标准坐标系之间的相互转化使多个相机完成全局标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成全视角线激光扫描三维成像。
[0017] 进一步的，步骤1具体的，
[0018] 采用前述的结构设计，即一个
激光器、一个相机及一个镜头构成一个单一线激光扫描三维成像组合件，将四个单一线激光扫描三维成像组合件(沿圆周方向)环形布设于待扫描物体周围，每个单一线激光扫描三维成像组合件稍侧向对准立体靶标棱处，以便采集到激光平面在两面棱处产生的非共线光线。一维移动部件上安装立体靶标，其能带动立体靶标运动，其运动方向平行于立体靶标标定平面。
[0019] 步骤2具体的，固定立体靶标其中一个面为标准世界坐标系(XW1,YW1,ZW1)，与之相邻的一个面上的的坐标系为临时坐标系(Xw2,Yw2,Zw2)，与之相对的面的坐标系为临时坐标系(Xw3,Yw3,Zw3)，另一个与之相邻的一个面的坐标系为临时坐标系(Xw4,Yw4,Zw4)；保持立体靶标位置不变，使四个相机同时采集一张对应的标定面的图像，计算相机坐标和
姿态数据，标定面所对应的坐标系作为对应相机的标准世界坐标系。采集时，必须保证保持立体靶标位置不变。
[0020] 步骤3具体的，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面内几条不重合的直线所成的像，通过交比不变性求得激光线上若干点的在唯一世界坐标系下的世界坐标，即可拟合线激光平面方程，确定线激光平面相对于唯一世界坐标系的位置关系。
[0021] 步骤4具体的，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，分别识别两幅图像中同一位置，求得一维移动部件的运动方向和距离，一维移动部件带动立体靶标移动时，每运动一定脉冲时，相机对应采集一个标定面的图像，对标定面进行识别分析，可以得出待扫描物体每次移动的距离，将多组激光线的图像相同的移动距离即可得出待扫描物体表面的三维数据。
[0022] 步骤5具体的，移走立体靶标，在一维移动部件上安装待测物体，调整待扫描物体位置，使激光线投射在待扫描物体上，使用一维移动部件带动待扫描物体沿标定的方向做一维运动，使用相机同时对待扫描物体采集图像，将采集的图像传输回计算机，对图像进行处理，得到扫描物体不同面的坐标数据。
[0023] 步骤6具体的，线激光扫描三维成像所得的像的坐标数据，由于经过了全局标定，即利用立体靶标的四个标定面的空间关系建立了联系，通过转换使得各面的数据建立在同一平面确定的世界坐标系下，即三维成像得到的各面的坐标数据将会自动建立在统一世界坐标系下，实现自动融合。
[0024] 立体靶标是由高
精度定制特殊物体，由于其空间形状的特殊性，很容易实现单一视角标定、多视角全局标定、激光平面标定、平移台标定，即利用单一物件实现了所有的标定过程。
[0025] 进一步的，激光平面标定时，将各激光在空间上错开，利用光平面在立体靶标棱处形成的两条非共线直线完成单一光平面的标定，同样利用各标定面在立体靶标上的空间关系，将各光平面方程转换建立在确定的唯一世界坐标系下。
[0026] 进一步的，还包括步骤7，将多个相机所成的不同面的像拼接在一起，具体步骤如下：
[0027] 一维移动部件带动待扫描物体移动时，每当待扫描物体移动一定距离时，相机采集一张待扫描物体表面激光线的图像，由于各激光平面错开，选择各自合适的区域进行处理，计算高度信息并根据移动的方向和距离，但是由于光平面和各相机视角均建立在唯一世界坐标系下，即得到的三维数据的重合区域即为待扫描物体表面的三维数据。通过四个相机分别得到四组三维数据，其坐标根据步骤2中标准坐标系和临时坐标系确定；假设其中两个面在其对应的标准世界坐标系中的点坐标为 临时世界坐标系中的点坐标为
[0028] 线激光扫描三维成像所得的像的坐标是在世界坐标系下，两个标定面的相对位置已知，即通过两个世界坐标系之间的相互转化使两个相机所成的待扫描物体的不同面的像重合；
[0029] 因这些标定面对应的世界坐标系转化关系一定，各个立体靶标的面所对应的世界坐标系之间的转换关系用
正交旋转矩阵R与平移向量T来表示；其中一标定面为标准世界坐标系(XW1,YW1,ZW1)，与之相邻的标定面坐标系为临时坐标系(Xw2,Yw2，Zw2)，那么两个坐标之间的变换关系表示如下：
[0030]
[0031] 其中，R为3×3的正交旋转矩阵；T为三维平移向量，0＝(0，0，0)；M为4×4外参数矩阵，表示了标准世界坐标系和临时世界坐标系之间的变换关系；
[0032] 立体靶标的两面中，得 取正方体边长为d，则 将临时世界坐标系中的点坐标为 转化为标准世界坐标系中的点，公式为：
[0033]
[0034] 两个坐标在同一坐标系中显示，则待扫描物体两个不同的面便能拼接在一起。
[0035] 采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置及方法，通过使用高精度立体靶标同时对多个相机进行标定，根据坐标转换，将各相机确定的世界坐标系统一到其中一个相机的唯一坐标系下，然后同步触发装置控制相机分别采集待扫描物体不同面的三维信息，然后得到物体表面的完整信息，从而解决单个线激光扫描装置无法得到物体表面完整信息的缺点。
附图说明
[0036] 图1是本发明提供的一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置正四棱柱立体标靶；
[0037] 图2是本发明提供的一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置结构图；
[0038] 图3是本发明提供的一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置及方法的扫描结果图一；
[0039] 图4是本发明提供的一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置及方法的扫描结果图二；
[0040] 图5是本发明提供的一种基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置及方法的扫描结果图三。
[0041] 其中，1、激光发射器，2、相机，3、镜头，4、一维移动部件，5、立体靶标。
具体实施方式
[0042] 结合附图对本发明具体方案具体
实施例作进一步的阐述。
[0043] 如图1、2所示，基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置：包括一维移动部件、立体靶标、激光发射器及相机，所述立体靶标安装在一维移动部件上方，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；激光发射器及相机的数量与立体靶标的面的数量相对应，数个激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置；每个相机上各安装一个镜头，镜头用于对立体靶标的面成像。
[0044] 所述的立体靶标是正四棱柱，激光发射器、相机以及镜头均设置四个。
[0045] 所述的立体靶标是正三棱柱，激光发射器、相机以及镜头均设置三个。
[0046] 所述激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间错开。
[0047] 立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标。
[0048] 本实施例以立体靶标是正四棱柱为例，具体如下：
[0049] 装置包括四个激光发射器、四个相机、四个镜头、一维移动部件，每个相机上安装一个镜头，镜头侧向安装，对立体靶标的面成像。一维移动部件上安装待扫描物体。相机优选工业相机。
[0050] 四个激光发射器沿环形布置于待扫描物体的周围，四个激光发射器错位分布，一维移动部件能带动待扫描物体垂直于激光器所组成的平面运动。
[0051] 各自带有镜头的四个相机对准待扫描物体，每一激光发射器向待扫描物体投射激光后，通过其中的一个相机及镜头采集所成的像，从而由一个激光器、一个相机及一个镜头构成一个单一线激光扫描三维成像组合件。
[0052] 本实施例全视角线激光扫描三维成像标定装置包括还包括正四棱柱立体靶标，如图1所示，其具有如下特点：
[0053] 1)立体靶标每一面由规则分布的十字靶标作为标定特征点，规定世界坐标系的原点位于左下角第一个十字靶标处，Z轴垂直于靶标平面。
[0054] 2)立体靶标各面的十字靶标分布相同。
[0055] 通过立体靶标对相机进行标定时，参见图2，立体靶标安装于图2中待扫描物体的位置。
[0056] 当标定完成后，将立体靶标移除，并在同一位置上安装待扫描物体。一维移动部件带动待扫描物体垂直于四个激光器所围成的平面运动，利用相机及镜头对其进行成像。
[0057] 本实施例以四个的组合为例进行说明，例如，三个、五个或者更多个的组合也落入本发明的保护范围之内，其中，类似于制作立体靶标的正四棱柱也可以采用已知的几何尺寸的其它正棱柱体。
[0058] 为实现全视角线激光扫描三维成像，标定为关键步骤。立体靶标对后期坐标转化起到重要作用。
[0059] 所述装置的全视角线激光扫描三维成像方法，
[0060] 步骤1，搭建所述全视角线激光扫描三维成像标定装置，使用四个单个线激光扫描三维成像组合分别对向立体靶标的四个面；
[0061] 步骤1具体的，采用前述的结构设计，即一个激光器、一个相机及一个镜头构成一个单一线激光扫描三维成像组合件，将四个单一线激光扫描三维成像组合件(沿圆周方向)环形布设于待扫描物体周围，每个单一线激光扫描三维成像组合件稍侧向对准立体靶标棱处，以便采集到激光平面在两面棱处产生的非共线光线。一维移动部件上安装立体靶标，其能带动立体靶标运动，其运动方向平行于立体靶标标定平面。
[0062] 步骤2，保持立体靶标位置不变，使数个相机同时采集正对的立体靶标面的图像，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；
[0063] 步骤2具体的，固定立体靶标其中一个面为标准世界坐标系(XW1，YW1,ZW1)，与之相邻的一个面上的的坐标系为临时坐标系(Xw2,Yw2,Zw2)，与之相对的面的坐标系为临时坐标系(Xw3,Yw3，Zw3)，另一个与之相邻的一个面的坐标系为临时坐标系(Xw4,Yw4,Zw4)；保持立体靶标位置不变，使四个相机同时采集一张对应的标定面的图像，计算相机坐标和姿态数据，标定面所对应的坐标系作为对应相机的标准世界坐标系。采集时，必须保证保持立体靶标位置不变。结果如表1-表4：
[0064]
[0065] 表1：第一个相机标定结果
[0066]
[0067] 表2：第二个相机标定结果
[0068]
[0069] 表3：第三个相机标定结果
[0070]
[0071] 表4：第四个相机标定结果
[0072] 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；
[0073] 步骤3具体的，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面内几条不重合的直线所成的像，通过交比不变性求得激光线上若干点的在唯一世界坐标系下的世界坐标，即可拟合线激光平面方程，确定线激光平面相对于唯一世界坐标系的位置关系，结果如表5-表8所示：
[0074]a b c d
-230.897 1932 -236.8862 -108613.562
[0075] 表5：第一个激光平面标定结果
[0076]a b c d
42.397 -1932 -201.531 7622.3792
[0077] 表6：第二个激光平面标定结果
[0078]a b c d
20.3856 168 -6.3828 -8195.76956
[0079] 表7：第三个激光平面标定结果
[0080]a b c d
60.3676 -180 -6.4536 5658.5202
[0081] 表8：第四个激光平面标定结果
[0082] 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；
[0083] 步骤4具体的，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，分别识别两幅图像中同一位置，求得一维移动部件的运动方向和距离，一维移动部件带动立体靶标移动时，每运动一定脉冲时，相机对应采集一个标定面的图像，对标定面进行识别分析，可以得出待扫描物体每次移动的距离，将多组激光线的图像相同的移动距离即可得出待扫描物体表面的三维数据。平移运动台的标定结果如表9：
[0084]
[0085] 表9
[0086] 步骤5，标定完成后，对待测物体进行全视角线激光扫描三维成像；步骤5具体的，移走立体靶标，在一维移动部件上安装待测物体，调整待扫描物体位置，使激光线投射在待扫描物体上，使用一维移动部件带动待扫描物体沿标定的方向做一维运动，使用相机同时对待扫描物体采集图像，将采集的图像传输回计算机，对图像进行处理，得到扫描物体不同面的坐标数据。
[0087] 步骤6，通过立体靶标对应的标准坐标系之间的相互转化使多个相机完成全局标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成全视角线激光扫描三维成像。
[0088] 步骤6具体的，线激光扫描三维成像所得的像的坐标数据，由于经过了全局标定，即利用立体靶标的四个标定面的空间关系建立了联系，通过转换使得各面的数据建立在同一平面确定的世界坐标系下，即三维成像得到的各面的坐标数据将会自动建立在统一世界坐标系下，实现自动融合。
[0089] 立体靶标是由高精度定制特殊物体，由于其空间形状的特殊性，很容易实现单一视角标定、多视角全局标定、激光平面标定、平移台标定，即利用单一物件实现了所有的标定过程。
[0090] 激光平面标定时，将各激光在空间上错开，利用光平面在立体靶标棱处形成的两条非共线直线完成单一光平面的标定，同样利用各标定面在立体靶标上的空间关系，将各光平面方程转换建立在确定的唯一世界坐标系下。
[0091] 步骤7，将多个相机所成的不同面的像拼接在一起，具体步骤如下：
[0092] 一维移动部件带动待扫描物体移动时，每当待扫描物体移动一定距离时，相机采集一张待扫描物体表面激光线的图像，由于各激光平面错开，选择各自合适的区域进行处理，计算高度信息并根据移动的方向和距离，但是由于光平面和各相机视角均建立在唯一世界坐标系下，即得到的三维数据的重合区域即为待扫描物体表面的三维数据。通过四个相机分别得到四组三维数据，其坐标根据步骤2中标准坐标系和临时坐标系确定；假设其中两个面在其对应的标准世界坐标系中的点坐标为 临时世界坐标系中的点坐标为
[0093] 线激光扫描三维成像所得的像的坐标是在世界坐标系下，两个标定面的相对位置已知，即通过两个世界坐标系之间的相互转化使两个相机所成的待扫描物体的不同面的像重合；
[0094] 因这些标定面对应的世界坐标系转化关系一定，各个立体靶标的面所对应的世界坐标系之间的转换关系用正交旋转矩阵R与平移向量T来表示；其中一标定面为标准世界坐标系(XW1,YW1,ZW1)，与之相邻的标定面坐标系为临时坐标系(Xw2,Yw2,Zw2)，那么两个坐标之间的变换关系表示如下：
[0095]
[0096] 其中，R为3×3的正交旋转矩阵；T为三维平移向量，0＝(0，0，0)；M为4×4外参数矩阵，表示了标准世界坐标系和临时世界坐标系之间的变换关系；
[0097] 立体靶标的两面中，得 取正方体边长为d，则 将临时世界坐标系中的点坐标为 转化为标准世界坐标系中的点，公式为：
[0098]
[0099] 两个坐标在同一坐标系中显示，则待扫描物体两个不同的面便能拼接在一起。
[0100] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的
权利要求范围决定。
