專利名稱：直角反射式三維激光掃描儀及用其實(shí)現(xiàn)立體成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直角反射式三維激光掃描儀及用其實(shí)現(xiàn)立體成像的方法。
背景技術(shù)：
激光掃描以其獨(dú)特的優(yōu)勢在各行各業(yè)中發(fā)揮的作用越來越重要。相比傳統(tǒng)的三維信息 獲取技術(shù)(如結(jié)構(gòu)光)，它有著高速、高精度、測量范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在 測量范圍方面，傳統(tǒng)的三維掃描方式只能達(dá)到數(shù)厘米至數(shù)米范圍內(nèi)，而激光掃描可達(dá)數(shù)百 甚至上千米。Mensi S10/S25激光掃描儀是目前最常見的中短距激光掃描儀，但由于其工 作時通過儀器整體轉(zhuǎn)動的方法來控制激光光束，工作時容易受到外界干擾。(參考文獻(xiàn) 毛方儒王磊，三維激光掃描測量技術(shù)，宇航計測技術(shù)，2005年4月，第25巻，第2 期，第l頁，文章編號IOOO - 7202[2005] 02 - 0001 - 06。)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于對激光光束控制，通過激光測距和激光光束控制數(shù)據(jù)來 計算物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，同時采集圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供了直角反射式三維激光掃
描儀及用其實(shí)現(xiàn)立體成像的方法。
如圖1所示，直角反射式三維激光掃描儀，其包括三維激光掃描單元、二維圖像拍攝
單元、轉(zhuǎn)臺和微型計算機(jī)14;
所述的三維激光掃描單元包括第一轉(zhuǎn)軸l、第二轉(zhuǎn)軸4、平面鏡2、水平傳動桿5、第 一電機(jī)6、第二電機(jī)7、激光發(fā)射器3和激光接收器8構(gòu)成；
所述的第二轉(zhuǎn)軸4控制激光在水平平面上的掃描，第一轉(zhuǎn)軸1控制激光在垂直平面上 的掃描；這兩個軸相互垂直；第二轉(zhuǎn)軸4的一端與第二電機(jī)7相連，其另一端與水平傳動 桿5相連；水平傳動桿5分別與第一電機(jī)6、激光發(fā)射器3相連；第一轉(zhuǎn)軸l一端與第一 電機(jī)6相連，另一端與平面鏡2相連；第一轉(zhuǎn)軸1的軸心與激光發(fā)射器3發(fā)射的光束在同 一直線上；平面鏡2與第一轉(zhuǎn)軸1成45°角，使激光光束的入射光與反射光垂直；入射 光由激光發(fā)射器3發(fā)出，直接照射在平面鏡2上；入射光經(jīng)平面鏡的反射光照射在被攝物 體上，在物體表面發(fā)生漫反射，漫反射的光由激光接收器8接收；第二轉(zhuǎn)軸4的軸心的延
長線通過激光光束在平面鏡2上的反射點(diǎn)；第一轉(zhuǎn)軸1由第一電機(jī)6帶動；第二轉(zhuǎn)軸4由 第二電機(jī)7帶動；
激光發(fā)射器3發(fā)射經(jīng)過調(diào)幅調(diào)制的激光光束，照射到被攝物體表面后發(fā)生漫反射，激 光接收器8接收激光在物體表面發(fā)生經(jīng)漫反射后返回的信號，通過比對激光光束往返一次
所產(chǎn)生的相位延遲便可計算出激光從發(fā)射到返回所用時間，計算出激光光路的長度，從而
得到物體表面某點(diǎn)相對于三維激光掃描單元的距離；所述的二維圖像拍攝單元包括相機(jī)9和光源10;光源10用于照射被攝物體，相機(jī)9 用于獲取被攝物體的二維圖像；所述的相機(jī)9為獲取可見光圖像的可見光相機(jī)或獲取紅外 圖像的紅外相機(jī)；
所述的轉(zhuǎn)臺包括轉(zhuǎn)盤ll、第三轉(zhuǎn)軸12和第三電機(jī)13;轉(zhuǎn)盤ll承載被攝物體；第三 轉(zhuǎn)軸12兩端分別與轉(zhuǎn)盤11和第三電機(jī)13相連；第三電機(jī)13通過第三轉(zhuǎn)軸12帶動轉(zhuǎn)盤 ll旋轉(zhuǎn)，從而使被攝物體旋轉(zhuǎn)；在工作時，轉(zhuǎn)臺放置于三維激光掃描儀的可見范圍；
所述的與第一電機(jī)6、第二電機(jī)7、第三電機(jī)13、激光發(fā)射器3、激光接收器8、相 機(jī)9和光源10分別和微型計算機(jī)14連接；該微型計算機(jī)14存儲有程序，通過程序控制 和協(xié)調(diào)上述部件的工作，并存儲最終的立體圖像，程序流程圖如圖2、 3所示；第一電機(jī)
6、第二電機(jī)7和第三電機(jī)13轉(zhuǎn)動的角度由微型計算機(jī)14精確控制；或者，在不需要使 用轉(zhuǎn)臺時，將第三電機(jī)13與微型計算機(jī)14斷開。
用權(quán)利要求1所述的直角反射式三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)立體成像方法，所述的實(shí)現(xiàn)立體 成像方法是采用輔助模式方法或獨(dú)立模式方法，其步驟和條件如下；
規(guī)定激光發(fā)射器3發(fā)出的激光光束在平面鏡2上的反射點(diǎn)為原點(diǎn)；將右手?jǐn)傞_，掌 心向上，拇指與其余4指垂直，4指指向被攝物體，則掌心朝向Y軸的正方向，拇指指向 X軸的正方向，4指指向Z軸的正方向；以下描述基于從原點(diǎn)觀察被攝物體；
所謂的"線掃描周期"為激光光束從畫面一邊直線掃描到另一邊的一個完整的過程；
所謂的"空間坐標(biāo)"指激光光束經(jīng)平面鏡2反射后直接照射在被攝物體表面的點(diǎn)的空 間坐標(biāo)；
所謂的"點(diǎn)云"指空間坐標(biāo)的集合；
所謂的"紋素坐標(biāo)"指二維圖像中的像素在所屬二維圖像中的坐標(biāo)；
所謂的"三維渲染"指計算機(jī)根據(jù)點(diǎn)云、二維圖像和二者的映射關(guān)系生成最終圖像的 過程；
八.如圖2所示，通過轉(zhuǎn)臺控制的被攝物體，采用輔助模式方法的步驟和條件如下-
將所述的三維激光掃描單元置于水平平面上，將轉(zhuǎn)臺置于其可掃描范圍內(nèi)，并使第一 轉(zhuǎn)軸4和轉(zhuǎn)軸12的軸心平行；將所述的二維圖像拍攝單元對向轉(zhuǎn)臺，將被攝物體置于轉(zhuǎn) 臺中央使其在二維圖像拍攝單元的可拍攝范圍內(nèi)；
如圖2所示，執(zhí)行微型計算機(jī)14存儲的程序，實(shí)施如下步驟
執(zhí)行步驟IOI，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6和第二電機(jī)7，使激光光束指向 轉(zhuǎn)盤中心；執(zhí)行步驟102，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為d、微型計算機(jī)14計算激光光束與水平平面XZ的偏角S:
將激光接收器8、相機(jī)9和光源IO對準(zhǔn)置于轉(zhuǎn)臺中央的被攝物體；
執(zhí)行步驟103，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6，將激光光束調(diào)整至待掃描畫面 的最上端；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為cc。；
執(zhí)行步驟104，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為《^;其中，m為第三電機(jī)13第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n為每個線掃描周期中第一電 機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動；微型計算機(jī)14計算空間坐標(biāo)(x， y, z);微型計算機(jī)14將此坐 標(biāo)追加到點(diǎn)云中；
執(zhí)行步驟105，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6順時針轉(zhuǎn)動角度A
執(zhí)行步驟106，微型計算機(jī)14由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果未 到達(dá)，則執(zhí)行步驟104，否則執(zhí)行步驟107;
執(zhí)行步驟107，微型計算機(jī)14由指令控制第三電機(jī)13逆時針轉(zhuǎn)動角度A y;
執(zhí)行步驟108，微型計算機(jī)14由指令判斷是否需要采集被攝物體的二維圖像；如果 需要，則執(zhí)行步驟109，否則執(zhí)行步驟110;
執(zhí)行步驟109，微型計算機(jī)14由指令控制光源10和相機(jī)9對被攝物體進(jìn)行拍攝；微
型計算機(jī)M存儲二維圖像數(shù)據(jù)和拍攝此圖像時第三電機(jī)的偏角Y^;
執(zhí)行步驟110，微型計算機(jī)14由指令判斷第三電機(jī)13是否已累計轉(zhuǎn)動一周；如果是 則結(jié)束，否則執(zhí)行步驟103;
執(zhí)行步驟111，微型計算機(jī)14由指令將步驟104計獲得的點(diǎn)云與步驟109獲得的二 維圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成最終的立體圖像；微型計算機(jī)14將此立 體圖像存儲于自身的存儲器中；
被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x, y， z)通過以下公式計算得到
x = (d - d眼)cosym (0?！丁?m《360。)其中，d通過以下公式算得
d = tf cosS (-90° < 5 < 90° )
Y m為第三電機(jī)13第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，通過以下公式算得
Y m = m A Y (m 2 1)
c^為每個線掃描周期中，第一電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算 得 an = (% + n A ct(n 2 l:) 。
B.如圖3所示，對于轉(zhuǎn)臺無法控制的被攝物體，采用獨(dú)立模式方法的步驟和條件如
下
對于轉(zhuǎn)臺無法控制的被攝物體，將轉(zhuǎn)臺與微型計算機(jī)14斷開，直接對被攝物體進(jìn)行 掃描和拍攝；將所述的三維激光掃描單元置于水平平面上；將三維激光掃描單元和二維圖 像拍攝單元對準(zhǔn)被攝物體；
執(zhí)行步驟201，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6和第二電機(jī)7，將激光光束調(diào)整 至畫面的右上角；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為c^，激光光束在XZ平面上的投影 與X軸正方向的偏角為f e;-
執(zhí)行步驟202，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為dy^其中，m代表電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n代表每個線掃描周期中第一電 機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動；微型計算機(jī)14計算空間坐標(biāo)(x， y， z);微型計算機(jī)14將此坐 標(biāo)追加到點(diǎn)云中；
執(zhí)行步驟203，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6逆時針轉(zhuǎn)動角度A Of;
執(zhí)行步驟204，微型計算機(jī)14判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果到達(dá)，則 執(zhí)行步驟205，否則執(zhí)行步驟202;
執(zhí)行步驟205，微型計算機(jī)14由指令控制第二電機(jī)7逆時針轉(zhuǎn)動角度Ap，再控制第 一電機(jī)6，將激光光束調(diào)整至畫面的最上端；
執(zhí)行步驟206，微型計算機(jī)14由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最左端；如果達(dá) 到，則執(zhí)行步驟207，否則執(zhí)行步驟202;
執(zhí)行步驟207，微型計算機(jī)14由指令控制光源10和相機(jī)9對被攝物體進(jìn)行拍攝；執(zhí)行步驟208，微型計算機(jī)14由指令將步驟202計獲得的點(diǎn)云與步驟207獲得的二 維圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成立體圖像；微型計算機(jī)14將此立體圖像 存儲于自身的存儲器中；
被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x， y， z)通過以下公式計算得到
x = dffincos^ (0?！秥B"180。)
y = d面COS (0° ^ a n S勵° )
2=00^ (0°《Gn《180° )
其中，卩m為電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得
l = p。 + m A {3 (m 2 i)
(V.為每個線掃描周期中，電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得
an = o:e+nAa 〔n 2 1)。
有益效果本發(fā)明利用激光測距和激光光束控制數(shù)據(jù)來獲得空間點(diǎn)的坐標(biāo)。由于激光 射程遠(yuǎn)，因此可獲得高景深，能夠縱深范圍較大的被攝物體(如隧道)進(jìn)行掃描。對于可 由轉(zhuǎn)臺承載的被攝物體，可實(shí)現(xiàn)多側(cè)面的掃描(如掃描人體模型)，通過相機(jī)多次拍攝來 獲得被攝物體多側(cè)面的表面紋理，再經(jīng)過后續(xù)的處理，便可以獲得被攝物體的立體圖像。 對于不能用轉(zhuǎn)臺承載的物體(如雕塑和建筑物)，可以分若干次對被攝物體多個側(cè)面進(jìn)行 掃描。
本發(fā)明可以保證擁有較大的可掃描范圍前提下，工作過程中裝置整體可不發(fā)生機(jī)械運(yùn) 動，僅通過緊湊的兩個軸即可對激光光束進(jìn)行控制，不易受到外界干擾；此外，本發(fā)明還 可以配合轉(zhuǎn)臺使用，不僅可以在某個方向上對物體進(jìn)行掃描，還能夠以多個角度對被攝物 體進(jìn)行掃描，從而真正實(shí)現(xiàn)"立體成像"。采用輔助模式可以實(shí)現(xiàn)對被攝物體外側(cè)面360 度的立體成像；采用獨(dú)立模式實(shí)現(xiàn)的是對單個側(cè)面的立體成像。


圖1是本發(fā)明的直角反射式三維激光掃描儀構(gòu)成示意框圖。該圖也是摘要附圖。 圖2是本發(fā)明的直角反射式三維激光掃描儀在輔助模式下工作流程圖。 圖3是本發(fā)明的直角反射式三維激光掃描儀在獨(dú)立模式下工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
10實(shí)施例1 如圖1所示，直角反射式三維激光掃描儀，其包括三維激光掃描單元、 二維圖像拍攝單元、轉(zhuǎn)臺和微型計算機(jī)14;
所述的三維激光掃描單元包括第一轉(zhuǎn)軸l、第二轉(zhuǎn)軸4、平面鏡2、水平傳動桿5、第 一電機(jī)6、第二電機(jī)7、激光發(fā)射器3和激光接收器8構(gòu)成；
所述的第二轉(zhuǎn)軸4控制激光在水平平面上的掃描，第一轉(zhuǎn)軸1控制激光在垂直平面上 的掃描；這兩個軸相互垂直；第二轉(zhuǎn)軸4的一端與第二電機(jī)7相連，其另一端與水平傳動 桿5相連；水平傳動桿5分別與第一電機(jī)6、激光發(fā)射器3相連；第一轉(zhuǎn)軸l一端與第一 電機(jī)6相連，另一端與平面鏡2相連；第一轉(zhuǎn)軸1的軸心與激光發(fā)射器3發(fā)射的光束在同 一直線上；平面鏡2與第一轉(zhuǎn)軸1成45°角，使激光光束的入射光與反射光垂直入射 光由激光發(fā)射器3發(fā)出，直接照射在平面鏡2上；入射光經(jīng)平面鏡的反射光照射在被攝物 體上，在物體表面發(fā)生漫反射，漫反射的光由激光接收器8接收；第二轉(zhuǎn)軸4的軸心的延
長線通過激光光束在平面鏡2上的反射點(diǎn)；第一轉(zhuǎn)軸1由第一電機(jī)6帶動；第二轉(zhuǎn)軸4由 第二電機(jī)7帶動；
激光發(fā)射器3發(fā)射經(jīng)過調(diào)幅調(diào)制的激光光束，照射到被攝物體表面后發(fā)生漫反射，激 光接收器8接收激光在物體表面發(fā)生經(jīng)漫反射后返回的信號，通過比對激光光束往返一次
所產(chǎn)生的相位延遲便可計算出激光從發(fā)射到返回所用時間，計算出激光光路的長度，從而
得到物體表面某點(diǎn)相對于三維激光掃描單元的距離；
所述的二維圖像拍攝單元包括相機(jī)9和光源10;光源10用于照射被攝物體，相機(jī)9 用于獲取被攝物體的二維圖像；所述的相機(jī)9為獲取可見光圖像的可見光相機(jī)或獲取紅外 圖像的紅外相機(jī)；
所述的轉(zhuǎn)臺包括轉(zhuǎn)盤ll、第三轉(zhuǎn)軸12和第三電機(jī)13;轉(zhuǎn)盤ll承載被攝物體；第三 轉(zhuǎn)軸12兩端分別與轉(zhuǎn)盤11和第三電機(jī)13相連；第三電機(jī)13通過第三轉(zhuǎn)軸12帶動轉(zhuǎn)盤 ll旋轉(zhuǎn)，從而使被攝物體旋轉(zhuǎn)；在工作時，轉(zhuǎn)臺放置于三維激光掃描儀的可見范圍；
所述的與第一電機(jī)6、第二電機(jī)7、第三電機(jī)13、激光發(fā)射器3、激光接收器8、相 機(jī)9和光源10分別和微型計算機(jī)14連接；該微型計算機(jī)14存儲有程序，通過程序控制 和協(xié)調(diào)上述部件的工作，并存儲最終的立體圖像，程序流程圖如圖2、 3所示；第一電機(jī) 6、第二電機(jī)7和第三電機(jī)13轉(zhuǎn)動的角度由微型計算機(jī)14精確控制；或者，在不需要使 用轉(zhuǎn)臺時，將第三電機(jī)13與微型計算機(jī)14斷開。
用權(quán)利要求1所述的直角反射式三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)立體成像方法，所述的實(shí)現(xiàn)立體 成像方法是采用輔助模式方法或獨(dú)立模式方法，其步驟和條件如下；
直角反射式三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)立體成像方法，采用輔助模式方法或獨(dú)立模式方法。 八.如圖2所示，通過轉(zhuǎn)臺控制的被攝物體，采用輔助模式方法的步驟和條件如下規(guī)定激光發(fā)射器3發(fā)出的激光光束在平面鏡2上的反射點(diǎn)為原點(diǎn)；將右手?jǐn)傞_，掌 心向上，拇指與其余4指垂直，4指指向被攝物體，則掌心朝向Y軸的正方向，拇指指向 X軸的正方向，4指指向Z軸的正方向；以下描述基于從原點(diǎn)觀察被攝物體；
所謂的"線掃描周期"為激光光束從畫面一邊直線掃描到另一邊的一個完整的過程
所謂的"空間坐標(biāo)"指激光光束經(jīng)平面鏡2反射后直接照射在被攝物體表面的點(diǎn)的空 間坐標(biāo)；
所謂的"點(diǎn)云"指空間坐標(biāo)的集合；
所謂的"紋素坐標(biāo)"指二維圖像中的像素在所屬二維圖像中的坐標(biāo)；
所謂的"三維渲染"指計算機(jī)根據(jù)點(diǎn)云、二維圖像和二者的映射關(guān)系生成最終圖像的 過程；
將所述的三維激光掃描單元置于水平平面上，將轉(zhuǎn)臺置于其可掃描范圍內(nèi)，并使第一 轉(zhuǎn)軸4和轉(zhuǎn)軸12的軸心平行；將所述的二維圖像拍攝單元對向轉(zhuǎn)臺，將被攝物體置于轉(zhuǎn) 臺中央使其在二維圖像拍攝單元的可拍攝范圍內(nèi)；
圖2所示，執(zhí)行微型計算機(jī)14存儲的程序，實(shí)施如下步驟
執(zhí)行步驟101,微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6和第二電機(jī)7，使激光光束指向 轉(zhuǎn)盤中心；
執(zhí)行步驟102，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為CT;微型計算機(jī)14計算激光光束與水平平面XZ的偏角S;
將激光接收器8、相機(jī)9和光源IO對準(zhǔn)置于轉(zhuǎn)臺中央的被攝物體；
執(zhí)行步驟103，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6，將激光光束調(diào)整至待掃描畫面 的最上端；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為^j;
執(zhí)行步驟104，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為d^—其中，m為第三電機(jī)13第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n為每個線掃描周期中第一電 機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動；微型計算機(jī)14計算空間坐標(biāo)(x, y, z);微型計算機(jī)14將此坐 標(biāo)追加到點(diǎn)云中；
執(zhí)行步驟105，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6順時針轉(zhuǎn)動角度A 06;
執(zhí)行步驟106，微型計算機(jī)14由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果未 到達(dá)，則執(zhí)行步驟104，否則執(zhí)行步驟107;執(zhí)行步驟107，微型計算機(jī)14由指令控制第三電機(jī)13逆時針轉(zhuǎn)動角度A
執(zhí)行步驟108，微型計算機(jī)14由指令判斷是否需要采集被攝物體的二維圖像；如果 需要，則執(zhí)行步驟109，否則執(zhí)行步驟110;
執(zhí)行步驟109,微型計算機(jī)14由指令控制光源10和相機(jī)9對被攝物體進(jìn)行拍攝；微 型計算機(jī)14存儲二維圖像數(shù)據(jù)和拍攝此圖像時第三電機(jī)的偏角Y
執(zhí)行步驟110，微型計算機(jī)14由指令判斷第三電機(jī)13是否己累計轉(zhuǎn)動一周；如果是
則結(jié)束，否則執(zhí)行步驟103;
執(zhí)行步驟111,微型計算機(jī)14由指令將步驟104計獲得的點(diǎn)云與步驟109獲得的二 維圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成最終的立體圖像；微型計算機(jī)14將此立 體圖像存儲于自身的存儲器中；
被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x， y， z)通過以下公式計算得到 x = (d - d腦)cosy^ (0。 S 、' m《360。)
y = da'tacos an (0° S e n s 180° )
2-d腦sinc^ (0° S an《180° )
其中，d通過以下公式算得-
Y m為第三電機(jī)13第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，通過以下公式算得
Y m = m厶Y 〔m》i)
C^為每個線掃描周期中，第一電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算 得 f^-(Xo+Il厶Cl 。
B.如圖3所示，對于轉(zhuǎn)臺無法控制的被攝物體，采用獨(dú)立模式方法的步驟和條件如
下
對于轉(zhuǎn)臺無法控制的被攝物體，將轉(zhuǎn)臺與微型計算機(jī)14斷開，直接對被攝物體進(jìn)行 掃描和拍攝；將三維激光掃描單元和二維圖像拍攝單元對準(zhǔn)被攝物體；執(zhí)行步驟201，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6和第二電機(jī)7，將激光光束調(diào)整 至畫面的右上角；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為fi[e，激光光束在XZ平面上的投影
與x軸正方向的偏角為pw
執(zhí)行步驟202，微型計算機(jī)14由指令控制激光發(fā)射器3和激光接收器8進(jìn)行測距， 測得距離為d^^;其中，m代表電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n代表每個線掃描周期中第一電 機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動；微型計算機(jī)14計算空間坐標(biāo)(x, y, z);微型計算機(jī)14將此坐 標(biāo)追加到點(diǎn)云中；
執(zhí)行步驟203，微型計算機(jī)14由指令控制第一電機(jī)6逆時針轉(zhuǎn)動角度A 0 ;
執(zhí)行步驟204，微型計算機(jī)14判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果到達(dá)，則 執(zhí)行步驟205，否則執(zhí)行步驟202;
執(zhí)行步驟205，微型計算機(jī)14由指令控制第二電機(jī)7逆時針轉(zhuǎn)動角度A |3，再控制第 一電機(jī)6，將激光光束調(diào)整至畫面的最上端；
執(zhí)行步驟206，微型計算機(jī)14由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最左端；如果達(dá) 到，則執(zhí)行步驟207，否則執(zhí)行步驟202;
執(zhí)行步驟207，微型計算機(jī)14由指令控制光源10和相機(jī)9對被攝物體進(jìn)行拍攝；
執(zhí)行步驟208，微型計算機(jī)14由指令將步驟202計獲得的點(diǎn)云與步驟207獲得的二 維圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成立體圖像；微型計算機(jī)14將此立體圖像 存儲于自身的存儲器中；
被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x， y, z)通過以下公式計算得到
x = d!KS1 ms ^ (0°《pn^:l80。)
》'=d腦cosc^ (0° S g n《180° )
z-d謡s一 (0?！禷n^180。)
其中，p^為電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得 [^為每個線掃描周期中，電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得
ctn = + n A a(n > 1)。
權(quán)利要求
1、直角反射式三維激光掃描儀，其特征在于，其包括三維激光掃描單元、二維圖像拍攝單元、轉(zhuǎn)臺和微型計算機(jī)(14)；所述的三維激光掃描單元包括第一轉(zhuǎn)軸(1)、第二轉(zhuǎn)軸(4)、平面鏡(2)、水平傳動桿(5)、第一電機(jī)(6)、第二電機(jī)(7)、激光發(fā)射器(3)和激光接收器(8)構(gòu)成；所述的第二轉(zhuǎn)軸(4)控制激光在水平平面上的掃描，第一轉(zhuǎn)軸(1)控制激光在垂直平面上的掃描；這兩個軸相互垂直；第二轉(zhuǎn)軸(4)的一端與第二電機(jī)(7)相連，其另一端與水平傳動桿(5)相連；水平傳動桿(5)分別與第一電機(jī)(6)、激光發(fā)射器(3)相連；第一轉(zhuǎn)軸1一端與第一電機(jī)(6)相連，另一端與平面鏡(2)相連；第一轉(zhuǎn)軸(1)的軸心與激光發(fā)射器(3)發(fā)射的光束在同一直線上；平面鏡(2)與第一轉(zhuǎn)軸(1)成45°角，使激光光束的入射光與反射光垂直；入射光由激光發(fā)射器(3)發(fā)出，直接照射在平面鏡(2)上；入射光經(jīng)平面鏡的反射光照射在被攝物體上，在物體表面發(fā)生漫反射，漫反射的光由激光接收器(8)接收；第二轉(zhuǎn)軸(4)的軸心的延長線通過激光光束在平面鏡(2)上的反射點(diǎn)；第一轉(zhuǎn)軸(1)由第一電機(jī)(6)帶動；第二轉(zhuǎn)軸(4)由第二電機(jī)(7)帶動；激光發(fā)射器(3)發(fā)射經(jīng)過調(diào)幅調(diào)制的激光光束，照射到被攝物體表面后發(fā)生漫反射，激光接收器(8)接收激光在物體表面發(fā)生經(jīng)漫反射后返回的信號，通過比對激光光束往返一次所產(chǎn)生的相位延遲便可計算出激光從發(fā)射到返回所用時間，計算出激光光路的長度，從而得到物體表面某點(diǎn)相對于三維激光掃描單元的距離；所述的二維圖像拍攝單元包括相機(jī)(9)和光源(10)；光源(10)用于照射被攝物體，相機(jī)(9)用于獲取被攝物體的二維圖像；所述的相機(jī)(9)為獲取可見光圖像的可見光相機(jī)或獲取紅外圖像的紅外相機(jī)；所述的轉(zhuǎn)臺包括轉(zhuǎn)盤(11)、第三轉(zhuǎn)軸(12)和第三電機(jī)(13)；轉(zhuǎn)盤(11)承載被攝物體；第三轉(zhuǎn)軸(12)兩端分別與轉(zhuǎn)盤(11)和第三電機(jī)(13)相連；第三電機(jī)(13)通過第三轉(zhuǎn)軸(12)帶動轉(zhuǎn)盤(11)旋轉(zhuǎn)，從而使被攝物體旋轉(zhuǎn)；在工作時，轉(zhuǎn)臺放置于三維激光掃描儀的可見范圍；所述的與第一電機(jī)(6)、第二電機(jī)(7)、第三電機(jī)(13)、激光發(fā)射器(3)、激光接收器(8)、相機(jī)(9)和光源(10)分別和微型計算機(jī)(14)連接；該微型計算機(jī)(14)存儲有程序，通過程序控制和協(xié)調(diào)上述部件的工作，并存儲最終的立體圖像；第一電機(jī)(6)、第二電機(jī)(7)和第三電機(jī)(13)轉(zhuǎn)動的角度由微型計算機(jī)(14)精確控制；或者，在不需要使用轉(zhuǎn)臺時，將第三電機(jī)(13)與微型計算機(jī)(14)斷開。
2、用權(quán)利要求1所述的直角反射式三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)立體成像方法，其特征在 于，所述的實(shí)現(xiàn)立體成像方法是采用輔助模式方法或獨(dú)立模式方法，其步驟和條件如下；如下；規(guī)定激光發(fā)射器3發(fā)出的激光光束在平面鏡2上的反射點(diǎn)為原點(diǎn)；將右手?jǐn)傞_，掌 心向上，拇指與其余4指垂直，4指指向被攝物體，則掌心朝向Y軸的正方向，拇指指向X軸的正方向，4指指向Z軸的正方向；以下描述基于從原點(diǎn)觀察被攝物體；所謂的"線掃描周期"為激光光束從畫面一邊直線掃描到另一邊的一個完整的過程；所謂的"空間坐標(biāo)"指激光光束經(jīng)平面鏡2反射后直接照射在被攝物體表面的點(diǎn)的空 間坐標(biāo)；所謂的"點(diǎn)云"指空間坐標(biāo)的集合；所謂的"紋素坐標(biāo)"指二維圖像中的像素在所屬二維圖像中的坐標(biāo)；所謂的"三維渲染"指計算機(jī)根據(jù)點(diǎn)云、二維圖像和二者的映射關(guān)系生成最終圖像的 過程；A.通過轉(zhuǎn)臺控制的被攝物體，采用輔助模式方法的步驟和條件如下將所述的三維激光掃描單元置于水平平面上，將轉(zhuǎn)臺置于其可掃描范圍內(nèi)，并使第一 轉(zhuǎn)軸4和轉(zhuǎn)軸12的軸心平行；將所述的二維圖像拍攝單元對向轉(zhuǎn)臺，將被攝物體置于轉(zhuǎn)臺中央使其在二維圖像拍攝單元的可拍攝范圍內(nèi)；按照微型計算機(jī)(14)存儲的程序，實(shí)施如下步驟1) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第一電機(jī)(6)和第二電機(jī)(7)，使激光光束 指向轉(zhuǎn)盤中心；2) 通過微型計算機(jī)(14),由指令控制激光發(fā)射器(3)和激光接收器(8)進(jìn)行測距， 測得距離為d 微型計算機(jī)(14)計算激光光束與水平平面XZ的偏角S;3) 將激光接收器(8)、相機(jī)(9)和光源(10)對準(zhǔn)置于轉(zhuǎn)臺中央的被攝物體；4) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第一電機(jī)(6)，將激光光束調(diào)整至待掃描畫 面的最上端；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為a(j;5) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制激光發(fā)射器(3)和激光接收器(8)進(jìn)行測距， 測得距離為d^^;其中，m為第三電機(jī)(13)第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n為每個線掃描周期中第一 電機(jī)(6)第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動；微型計算機(jī)(14)計算空間坐標(biāo)(x， y， z);微型計算機(jī)(14) 將此坐標(biāo)追加到點(diǎn)云中；6) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第一電機(jī)(6)順時針轉(zhuǎn)動角度A(X;7)通過微型計算機(jī)(14)，由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果未到達(dá)， 則執(zhí)行步驟5)，否則執(zhí)行步驟8);8)通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第三電機(jī)(13)逆時針轉(zhuǎn)動角度Ay;9) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令判斷是否需要采集被攝物體的二維圖像；如果需要， 則執(zhí)行步驟10)，否則執(zhí)行步驟11);10) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制光源(10)和相機(jī)(9)對被攝物體進(jìn)行拍攝；微 型計算機(jī)(14)存儲二維圖像數(shù)據(jù)和拍攝此圖像時第三電機(jī)的偏角Y m;11) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令判斷第三電機(jī)(13)是否已累計轉(zhuǎn)動一周；如果是則 結(jié)束，否則執(zhí)行步驟4);12) 通過微型計算機(jī)(14)，由指令將步驟5)計獲得的點(diǎn)云與步驟IO)獲得的二維 圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成最終的立體圖像；微型計算機(jī)(14)將此立 體圖像存儲于自身的存儲器中；被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x, x= (d —d隨)cosymy， z)通過以下公式計算得到 (0°《Ym S 360° )0a■(0°《a" ■。)其中，d通過以下公式算得:d = d'cosS —90 <5<90￥ ， 為第三電機(jī)13第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，通過以下公式算得:Y ra = m厶Y(m 2 i)C^為每個線掃描周期中，第一電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，通過以下公式算得:an = a。 + n A a(n 2 1);B.對于轉(zhuǎn)臺無法控制的被攝物體，采用獨(dú)立模式方法的步驟和條件如下對于轉(zhuǎn)臺無 法控制的被攝物體，將轉(zhuǎn)臺與微型計算機(jī)(14)斷開，直接對被攝物體進(jìn)行掃描和拍攝； 將所述的三維激光掃描單元置于水平平面上；將三維激光掃描單元和二維圖像拍攝單元對 準(zhǔn)被攝物體；1) ，通過微型計算機(jī)(14),由指令控制第一電機(jī)(6)和第二電機(jī)(7)，將激光光 束調(diào)整至畫面的右上角；此時激光光束與Y軸正方向的偏角為ae，激光光束在XZ平面上 的投影與X軸正方向的偏角為j^;2) ，通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制激光發(fā)射器(3)和激光接收器(8)進(jìn)行測 距，測得距離為d^。；其中，m代表電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動，n代表每個線掃描周期中第一 電機(jī)6第n次發(fā)ift動；微型計算機(jī)14計算空間坐標(biāo)(x， y， z);微型計算機(jī)(14)將 此坐標(biāo)追加到點(diǎn)云中；3) ，通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第一電機(jī)(6)逆時針轉(zhuǎn)動角度Aa;4) ,通過微型計算機(jī)(14)，由判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最下端；如果到達(dá)，則 執(zhí)行步驟5),否則執(zhí)行步驟2);5) ,通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制第二電機(jī)(7)逆時針轉(zhuǎn)動角度厶l3，再控 制第一電機(jī)(6)，將激光光束調(diào)整至畫面的最上端；6) ，通過微型計算機(jī)(14)，由指令判斷激光光束是否到達(dá)畫面的最左端；如果達(dá)到，則執(zhí)行步驟7)，否則執(zhí)行步驟2);7) ，通過微型計算機(jī)(14)，由指令控制光源(10)和相機(jī)(9)對被攝物體進(jìn)行拍攝；8) ，通過微型計算機(jī)(14)，由指令將步驟2)計獲得的點(diǎn)云與步驟7)獲得的二維 圖像的紋素坐標(biāo)映射起來，通過三維渲染生成立體圖像；微型計算機(jī)(14)將此立體圖像 存儲于自身的存儲器中；被攝物體經(jīng)掃描的各點(diǎn)的空間坐標(biāo)(x, y, z)通過以下公式計算得到 pd面C《 (0°y =《!3coscxn (0° S 。 n S 180。)2=dmsishio[n (0。 S an^180° )其中，p^為電機(jī)7第m次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得-C^為每個線掃描周期中，電機(jī)6第n次發(fā)生轉(zhuǎn)動后的偏角，其通過以下公式算得； =ae + n △ a; (n 2 1)。
全文摘要
本發(fā)明提供了直角反射式三維激光掃描儀及用其實(shí)現(xiàn)立體成像的方法。利用激光測距和激光光束控制數(shù)據(jù)來獲得空間點(diǎn)的坐標(biāo)。由于激光射程遠(yuǎn)，可獲得高景深，能縱深范圍較大的被攝物體進(jìn)行掃描。對可由轉(zhuǎn)臺承載的被攝物體，實(shí)現(xiàn)多側(cè)面的掃描，通過相機(jī)多次拍攝來獲得被攝物體多側(cè)面的表面紋理，再經(jīng)過后續(xù)的處理，可獲得被攝物體的立體圖像。對于不能用轉(zhuǎn)臺承載的物體，可分若干次對被攝物體多個側(cè)面進(jìn)行掃描。保證擁有較大的可掃描范圍前提下，工作過程中裝置整體不發(fā)生機(jī)械運(yùn)動，僅通過緊湊的兩個軸即可對激光光束進(jìn)行控制，不易受到外界干擾；采用輔助模式實(shí)現(xiàn)對被攝物體外側(cè)面360度的立體成像；采用獨(dú)立模式實(shí)現(xiàn)對單個側(cè)面的立體成像。
文檔編號G01B11/24GK101592477SQ20091006719
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者丹 劉, 智 劉, 姜會林, 張大威, 王英志 申請人:長春理工大學(xué)