一種基于標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法，包括以下步驟：1)在單個(gè)攝像頭拍攝的圖像中識(shí)別提取標(biāo)記點(diǎn)的二維位置信息，根據(jù)之前設(shè)定數(shù)量幀中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)判得到當(dāng)前幀中的目標(biāo)位置，再在目標(biāo)位置周圍搜索得出其對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)，建立當(dāng)前幀中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系；2)利用所述初步匹配關(guān)系計(jì)算出儀器當(dāng)前相對(duì)坐標(biāo)系Oc到世界坐標(biāo)Ow的RT轉(zhuǎn)換矩陣，利用重投影方法對(duì)之前的初步匹配關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)；3)在當(dāng)前幀圖像中提取激光投影輪廓，通過RT轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系Ow下的三維坐標(biāo)。以及一種手持激光三維掃描設(shè)備。本發(fā)明降低對(duì)系統(tǒng)硬件配置的要求、移動(dòng)拼接時(shí)的順暢性良好、精度較高、成本較低。
【專利說明】-種基于標(biāo)巧點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光H維掃描方法及設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于=維掃描【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)及一種手持激光=維掃描方法及設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前已有的雙攝像頭手持掃描技術(shù)（如加拿大形創(chuàng)有限公司《S維掃描自動(dòng)參 考系統(tǒng)和設(shè)備》，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?00680014069. 3 ;沈陽雅克科技有限公司《一種手持式 =維型面信息提取方法及提取儀》，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01010173849.0)均利用經(jīng)過標(biāo)定的 雙攝像頭分別對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行圖形采集，并分別提取圖像中的特征標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行立體視覺匹 配，重構(gòu)左右攝像頭共同視野內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)在儀器坐標(biāo)系下的S維坐標(biāo)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用該 些標(biāo)記點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與在世界坐標(biāo)系中已知標(biāo)記點(diǎn)庫（已知標(biāo)記點(diǎn)庫可W是先前掃描獲 得，也可W是通過其他方法，如攝影測(cè)量法，預(yù)先掃描得到的標(biāo)記點(diǎn)集合）進(jìn)行匹配，如果 匹配成功就可W反推出當(dāng)前儀器的位置及姿態(tài)參數(shù)。在得出當(dāng)前儀器的位置姿態(tài)信息后可 W使用兩種方法來獲得投影到被測(cè)物體上激光線的=維坐標(biāo)；1)可W利用某個(gè)攝像頭拍 攝的圖像中提取激光輪廓線，并根據(jù)已標(biāo)定好的該攝像頭與線狀激光發(fā)生器所發(fā)射激光面 的位置關(guān)系獲得激光輪廓線在儀器坐標(biāo)系下的=維坐標(biāo)。2)可W利用兩個(gè)攝像頭獲得的兩 幅圖像中提取激光輪廓線，采用與處理標(biāo)記點(diǎn)類似的方法進(jìn)行立體視覺匹配得到激光輪廓 線的=維的坐標(biāo)值。上述原理描述了兩個(gè)攝像頭一次同步曝光采集圖像的處理過程，由于 手持激光=維掃描儀進(jìn)行的是六自由度移動(dòng)的非接觸式掃描，被測(cè)物體表面在攝像頭的視 野范圍內(nèi)連續(xù)移動(dòng)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)儀器不同位置和角度所獲得的物體表面標(biāo)記點(diǎn)=維拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)與已知標(biāo)記點(diǎn)庫內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)循環(huán)匹配，如果有增加則更新標(biāo)記點(diǎn)庫。
[0003] 上述激光掃描的方法可W實(shí)現(xiàn)W手持方式對(duì)被測(cè)物體非接觸任意角度的掃描，但 由于被掃描的中大型物體（如汽車外輪廓、汽輪機(jī)葉片等）可能貼有幾百個(gè)甚至上千個(gè)標(biāo) 記點(diǎn)，掃描儀每秒幾十次曝光所采集的每一帖圖案中的標(biāo)記點(diǎn)均需要與已記錄標(biāo)記點(diǎn)庫中 的所有標(biāo)記點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行一一匹配；計(jì)算當(dāng)前帖中每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)與周圍標(biāo)記點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān) 系（距離和角度）并逐個(gè)與標(biāo)記點(diǎn)庫中的每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，匹配過程需消耗大量的CPU 運(yùn)算時(shí)間。另外為防止圖像運(yùn)動(dòng)模糊W及保證激光投影輪廓線在物體表面移動(dòng)的連貫性， 手持掃描的方式對(duì)攝像頭的曝光時(shí)間和頻率有一定的要求，一般曝光時(shí)間為幾毫秒、曝光 頻率為幾十赫茲，因此計(jì)算機(jī)需要在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)兩幅圖像的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別、兩幅 圖像上識(shí)別出的標(biāo)記點(diǎn)相互匹配獲得共同視野標(biāo)記點(diǎn)集合的相對(duì)=維坐標(biāo)W及與標(biāo)記點(diǎn) 庫匹配獲得共同視野標(biāo)記點(diǎn)集合的世界坐標(biāo)從而計(jì)算出儀器的位置和形態(tài)，還需要識(shí)別激 光輪廓線W及輪廓線上的激光點(diǎn)的坐標(biāo)變換等運(yùn)算。所W需要有很高配置的計(jì)算機(jī)作為儀 器的運(yùn)算單元W支持其掃描時(shí)的實(shí)時(shí)運(yùn)算（目前市場(chǎng)上一款主流手持激光掃描儀配套筆 記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置需要4核8線程CPU W及8G內(nèi)存，在掃描時(shí)其CPU占用率超過95% )， 如此高的CPU性能要求制約了其微型化和輕量化，無法使用性能較弱的嵌入式CPU與微型 攝像頭作為掃描儀的運(yùn)算和采集部件，阻礙了該原理的手持=維掃描技術(shù)在民用消費(fèi)領(lǐng)域 和智能感知領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展。
[0004] 另外，使用雙攝像頭=維掃描的被測(cè)物體表面的有效檢測(cè)區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)攝像頭視野 重合的部分，限制了其掃描的范圍，特別是在掃描有轉(zhuǎn)角的被測(cè)物體表面時(shí)，兩個(gè)成一定角 度的攝像頭的視野很大程度上被轉(zhuǎn)角對(duì)稱遮擋，從而減少了同一帖獲得的標(biāo)記點(diǎn)的個(gè)數(shù)和 投射的激光輪廓區(qū)域，進(jìn)而降低了掃描移動(dòng)拼接的順暢性，影響了標(biāo)記點(diǎn)拼接的精度和激 光輪廓線的出點(diǎn)速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服已有雙攝像頭手持掃描技術(shù)的系統(tǒng)硬件配置要求較高、移動(dòng)拼接時(shí)的順 暢性較差、精度較低的不足，本發(fā)明提供了一種降低對(duì)系統(tǒng)硬件配置的要求、移動(dòng)拼接時(shí)的 順暢性良好、精度較高、成本較低的基于標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光=維掃描方法及設(shè)備。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是；
[0007] 一種基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光=維掃描方法，所述掃描方法包括 W下步驟：
[000引 1)在單個(gè)工作攝像頭拍攝的圖像中識(shí)別提取標(biāo)記點(diǎn)的二維位置信息，根據(jù)之前設(shè) 定數(shù)量帖中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)判得到當(dāng)前帖中的目標(biāo)位置，再在目標(biāo)位置周圍捜索得出 其對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)，建立當(dāng)前帖中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系；
[0009] 2)利用當(dāng)前帖中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系計(jì)算出儀器當(dāng)前相對(duì)坐 標(biāo)系化到世界坐標(biāo)0，的RT轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)該轉(zhuǎn)換矩陣將標(biāo)記點(diǎn)庫中的對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)及其周 邊鄰近標(biāo)記點(diǎn)重投影到當(dāng)前帖的二維圖像平面坐標(biāo)系〇t中，對(duì)之前的初步匹配關(guān)系進(jìn)行校 驗(yàn)，如果整體誤差大于系統(tǒng)設(shè)定的閥值，則剔除當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)集合中與標(biāo)記點(diǎn)庫對(duì)應(yīng)的匹配 度最差的標(biāo)記點(diǎn)，重新迭代計(jì)算RT轉(zhuǎn)換矩陣后再進(jìn)行投影評(píng)估；
[0010] 3)在獲得儀器當(dāng)前位置的RT轉(zhuǎn)換矩陣后，在當(dāng)前帖圖像中提取激光投影輪廓并 根據(jù)已標(biāo)定好的攝像頭與激光器所發(fā)射激光面的位置關(guān)系，將獲得激光投影輪廓點(diǎn)在儀器 坐標(biāo)系0。下的相對(duì)S維坐標(biāo)通過RT轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系0,下的S維坐標(biāo)。
[0011] 進(jìn)一步，所述掃描方法還包括如下步驟：
[0012] 4)如果當(dāng)前帖的標(biāo)記點(diǎn)重投影校驗(yàn)失敗，則需要啟動(dòng)另一臺(tái)相互位置已經(jīng)過標(biāo)定 的輔助攝像頭獲得共同視野內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)在兩個(gè)攝像頭圖像中的二維坐標(biāo)，根據(jù)對(duì)極線約束 原理得出該些標(biāo)記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的坐標(biāo)值，再與世界坐標(biāo)系0,下的標(biāo)記點(diǎn)庫中 的標(biāo)記點(diǎn)集合進(jìn)行一一匹配重新得出當(dāng)前儀器坐標(biāo)系0。相對(duì)于世界坐標(biāo)系0,的RT轉(zhuǎn)換矩 陣；
[0013] 在得到儀器的位置信息后關(guān)閉輔助攝像頭，繼續(xù)只用原單個(gè)工作攝像頭通過標(biāo)記 點(diǎn)軌跡跟蹤方法獲得后續(xù)帖的=維輪廓信息。
[0014] 再進(jìn)一步，所述之前設(shè)定數(shù)量帖為前兩帖或者前S帖圖像，利用一次或二次函數(shù) 分別對(duì)前兩帖或者前=帖圖像中每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行擬合，結(jié)合該標(biāo)記點(diǎn)在之前連 續(xù)多帖圖像中的位移速度，計(jì)算出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在當(dāng)前帖中的預(yù)判斷目標(biāo)位置，W該位置作 為中屯、捜索當(dāng)前帖中周圍是否有相應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)與之相對(duì)應(yīng)，從而建立當(dāng)前帖標(biāo)記點(diǎn)與標(biāo)記 點(diǎn)庫的匹配關(guān)系。
[0015] 更進(jìn)一步，所述步驟1)中，將每一帖圖像中的標(biāo)記點(diǎn)二維信息記錄在一種允許空 節(jié)點(diǎn)的非滿四叉樹中。
[0016] 所述步驟1)中，所述標(biāo)記點(diǎn)庫為預(yù)先貼在被測(cè)物體表面的標(biāo)記點(diǎn)在=維世界坐 標(biāo)系0,下的坐標(biāo)值組成的標(biāo)記點(diǎn)庫，將標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo)記點(diǎn)S維信息記錄在一種允許空節(jié) 點(diǎn)的非滿八叉樹中。
[0017] 所述步驟1)中，在開始掃描的原始位置利用已標(biāo)定好相互位置的輔助攝像頭和 單個(gè)工作攝像頭獲得同步的兩帖起始圖像，在兩幅圖像中得到各自識(shí)別出的標(biāo)記點(diǎn)的二維 坐標(biāo)后再根據(jù)對(duì)極線約束原理重構(gòu)出輔助攝像頭和單個(gè)工作攝像頭共同視野范圍內(nèi)的標(biāo) 記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的S維坐標(biāo)位置及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[001引再者，根據(jù)該些相對(duì)S維坐標(biāo)系0。下的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與世界坐標(biāo)系0,下標(biāo)記點(diǎn) 庫中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行匹配，獲得第一帖起始圖像中的標(biāo)記點(diǎn)在世界坐標(biāo)系0,中的坐標(biāo)，并關(guān) 閉所述輔助攝像頭。
[0019] 一種基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光=維掃描設(shè)備，所述設(shè)備包括單個(gè) 工作攝像頭、輔助攝像頭、激光發(fā)生器、支座、控制電路板、高亮補(bǔ)光發(fā)生器W及用于根據(jù)獲 得視頻圖像后進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)，所述單個(gè)工作攝像頭、輔助 攝像頭的光軸與激光發(fā)生器發(fā)射出激光面的交點(diǎn)位于攝像頭的最佳景深平面位置，所述單 個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭的景深范圍為掃描儀的測(cè)量深度范圍，所述激光發(fā)生器的景深 范圍涵蓋掃描儀的測(cè)量深度范圍，所述單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭和激光發(fā)生器均安裝 在所述支座上，所述單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭和激光發(fā)生器均與所述控制電路板連接， 所述控制電路板與所述高亮補(bǔ)光發(fā)生器連接，所述高亮補(bǔ)光發(fā)生器放置在單個(gè)工作攝像 頭、輔助攝像頭的鏡頭外圈，所述控制電路板與所述軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)連接。
[0020] 優(yōu)選的，所述控制電路板包括主控巧片、信號(hào)隔離電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、高亮補(bǔ)光 驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)交換電路，主控巧片與數(shù)據(jù)交換電路連接，所述數(shù)據(jù)交換電路的輸出端與 所述軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)連接，所述數(shù)據(jù)交換電路的輸入端與單個(gè)工作攝像頭、輔助攝 像頭連接，所述主控巧片與單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭之間經(jīng)過信號(hào)隔離電路進(jìn)行連接； 所述主控巧片通過信號(hào)隔離電路與激光驅(qū)動(dòng)電路連接，所述激光驅(qū)動(dòng)電路與激光發(fā)生器連 接，所述主控巧片通過信號(hào)隔離電路與高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路連接，所述高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路與 高亮補(bǔ)光發(fā)生器連接。
[0021] 進(jìn)一步，所述述控制電路板還包括同步觸發(fā)控制模塊，用于在一個(gè)圖像采集周期 的開始觸發(fā)激光器和單個(gè)工作攝像頭或者觸發(fā)單個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭。激光器和單 個(gè)工作攝像頭的同時(shí)觸發(fā)使得在單個(gè)工作攝像頭開始曝光的同時(shí)激光器開始投射激光圖 案，經(jīng)過設(shè)定的激光開啟時(shí)間后關(guān)閉激光，再經(jīng)過設(shè)定的攝像頭曝光時(shí)間后結(jié)束攝像頭曝 光完成該帖的圖像采集；單個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭的同時(shí)觸發(fā)使得系統(tǒng)可W同一時(shí)刻 獲得不同角度的圖像，用于對(duì)其相同視野的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行立體視覺匹配。
[0022] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：如圖2中a部分所示，由于本發(fā)明在掃描時(shí)只使用一個(gè)攝 像頭與激光器組合13進(jìn)行圖像采集，因此的測(cè)量范圍11比需要兩個(gè)或W上攝像頭進(jìn)行= 維掃描的系統(tǒng)14的測(cè)量范圍12更大，相應(yīng)的同一帖得到的圖像中被測(cè)物體表面的有效標(biāo) 記點(diǎn)個(gè)數(shù)也更多，該將有助于提高前后帖標(biāo)記點(diǎn)拼接的成功概率和拼接精度。尤其在掃描 物體轉(zhuǎn)角處時(shí)，如圖2中b部分所示，由于物體轉(zhuǎn)角處存在視角遮擋，雙攝像頭測(cè)量范圍19 內(nèi)部的標(biāo)記點(diǎn)18個(gè)數(shù)少于單攝像頭掃描時(shí)測(cè)量范圍17內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)16的數(shù)目，而如果一次 圖像采集獲得標(biāo)記點(diǎn)數(shù)目少于3個(gè)時(shí)將無法與標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，也 就無法獲得當(dāng)前儀器位置和形態(tài)的RT轉(zhuǎn)換矩陣。此時(shí)用戶需要調(diào)整儀器位置和角度將視 野，重新對(duì)準(zhǔn)之前掃描拼接成功的被測(cè)物體表面區(qū)域得到儀器的RT轉(zhuǎn)換矩陣后，使用不同 視角重新掃描；或者暫停掃描，重新在無法掃描的區(qū)域增加新的標(biāo)記點(diǎn)后再進(jìn)行重新掃描。 該種情況將會(huì)很大程度上降低雙攝像頭方式掃描過程的連貫性和出點(diǎn)速度，同時(shí)雙攝像頭 較小的共同視野導(dǎo)致數(shù)量較少的標(biāo)記點(diǎn)，會(huì)不同程度的降低拼接精度。本發(fā)明所采用的單 攝像頭標(biāo)記點(diǎn)跟蹤方法可顯著避免此種情況的發(fā)生，使掃描過程更為流暢，掃描拼接精度 也因?yàn)橛懈鄥⑴c拼接的標(biāo)記點(diǎn)而得到有效的提高。
[0023] 本發(fā)明所述方法在掃描時(shí)利用單個(gè)工作攝像頭進(jìn)行圖像獲取，因此在原始視頻數(shù) 據(jù)傳輸環(huán)節(jié)相比雙攝像頭或多攝像頭方式減少占用一半W上的傳輸帶寬，該在高分辨率攝 像頭（如500萬像素30帖/秒攝像頭需要的傳輸帶寬為1200Mbps)用于高精度S維掃描上 顯得尤為重要。在圖形圖像識(shí)別環(huán)節(jié)本發(fā)明所述方法也只需對(duì)一幅圖像的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行跟蹤 識(shí)別，而且標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤算法的時(shí)間復(fù)雜度要遠(yuǎn)小于將相對(duì)=維坐標(biāo)系中的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)?結(jié)構(gòu)與世界坐標(biāo)系下的標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行兩兩匹配的雙目掃描拼接算法。 如圖3所示，標(biāo)記點(diǎn)雙目拼接匹配算法是將每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)與周邊一定距離范圍內(nèi)的相鄰標(biāo)記 點(diǎn)的有向線段L1?Ln (距離和角度）在兩個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)比，得出相對(duì)坐標(biāo)系下的每個(gè) 標(biāo)記點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下標(biāo)記點(diǎn)庫中相關(guān)度最大的關(guān)聯(lián)標(biāo)記點(diǎn)。由于比較過程中設(shè)及到求 距離和角度，假設(shè)當(dāng)前獲得的標(biāo)記點(diǎn)有n個(gè)，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)周圍有m個(gè)鄰近點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)庫中有 N個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，則匹配一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)需要進(jìn)行nXmXN次的循環(huán)，每次循環(huán)需對(duì)兩點(diǎn)間的距離角 度等進(jìn)行計(jì)算和比較，大約需要200個(gè)指令周期。W攝像頭的采樣頻率為30帖/秒、每一 帖獲得30個(gè)標(biāo)記點(diǎn)W及每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)捜索周圍15個(gè)鄰近點(diǎn)作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息為例，則每秒 需要占用CPU的指令周期為；200X30X30X15XN。如圖4中CPU占用率曲線31所示，手 持雙攝像頭激光=維掃描中僅雙目拼接匹配算法在標(biāo)記點(diǎn)庫容量（標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)）為500的 情況下已經(jīng)占用CPU中一個(gè)1. 8G核接近75%的計(jì)算能力。而本發(fā)明所提出的標(biāo)記點(diǎn)軌跡 跟蹤算法在掃描過程中除非跟蹤失敗，均只需啟用單個(gè)工作攝像頭結(jié)合之前帖對(duì)標(biāo)記點(diǎn)軌 跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，再利用非滿四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行快速跟蹤匹配，得到當(dāng)前圖像帖中 的標(biāo)記點(diǎn)與庫中標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)匹配關(guān)系。也W攝像頭的采樣頻率為30帖/秒、每一帖獲得 30個(gè)標(biāo)記點(diǎn)為例，跟蹤標(biāo)記點(diǎn)包含捜索保存當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)的非滿四叉樹K-鄰域算法，假設(shè)捜 索標(biāo)記點(diǎn)預(yù)測(cè)目標(biāo)位置周圍兩層的非滿四叉樹節(jié)點(diǎn)，則最多需要進(jìn)行24次從樹根到葉子 的遍歷，每帖30個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的所構(gòu)建的四叉樹從根到葉子的樹高在7層左右，捜索一次最多 需要大約350個(gè)CPU指令周期；此外還包含捜索保存庫標(biāo)記點(diǎn)的非滿八叉樹K-鄰域算法， 在標(biāo)記點(diǎn)庫中的捜索當(dāng)前獲得的標(biāo)記點(diǎn)的K-鄰域周圍標(biāo)記點(diǎn)并重投影到儀器當(dāng)前帖圖像 平面進(jìn)行校驗(yàn)，隨著標(biāo)記點(diǎn)庫容量（標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)）的增加，非滿八叉樹的樹高緩慢增大，樹 高為數(shù)節(jié)點(diǎn)的函數(shù)；h = H(N)，如N = 400時(shí)h = 11，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)捜索非滿八叉樹周邊兩層 除自身外共124個(gè)節(jié)點(diǎn)，每次捜索占用H (腳*10個(gè)指令周期，加上捜索得到的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行重 投影比較約占50個(gè)指令周期，因此本發(fā)明中在掃描時(shí)的標(biāo)記點(diǎn)跟蹤匹配算法每秒占用CPU 的指令周期大約為；350X30X30+124X化(腳X10巧0) X30X30,如圖4中曲線32所示。
[0024] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在；本發(fā)明所提出的單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)跟蹤匹配算法相 比傳統(tǒng)的雙攝像頭標(biāo)記點(diǎn)拼接匹配算法占用更少的CPU時(shí)間，特別是庫中標(biāo)記點(diǎn)較多的情 況下更為顯著，所W本發(fā)明所述的掃描系統(tǒng)可W采用更低端的CPU(如嵌入式CPU) W及像 素更高、刷新頻率更快的攝像頭，獲得更快的掃描速度和結(jié)果呈現(xiàn)，使得手持激光=維掃描 技術(shù)可W在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的手持激光S維掃描設(shè)備的原理圖。
[0026] 圖2為單攝像頭掃描系統(tǒng)與雙攝像頭掃描系統(tǒng)的掃描測(cè)量范圍比較，其中，（a)為 掃描平面區(qū)域；化）為掃描S維區(qū)域。
[0027] 圖3為雙攝像頭掃描獲得在儀器當(dāng)前S維坐標(biāo)系0。下的標(biāo)記拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說明。
[002引圖4為本發(fā)明所述的標(biāo)記點(diǎn)跟蹤匹配算法與雙攝像頭標(biāo)記點(diǎn)立體匹配算法在運(yùn) 行時(shí)CPU占有率的比較圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明攝像頭與激光發(fā)生器的觸發(fā)時(shí)序說明圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明模塊互聯(lián)示意圖。
[0031] 圖7為本發(fā)明標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤匹配方法的流程圖。
[003引圖8為本發(fā)明記錄標(biāo)記點(diǎn)的非滿四叉樹捜索K-鄰域示例圖。
[003引圖9為本發(fā)明標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟隨的兩種方式，（a)是一次軌跡；化）是二次軌跡。
[0034] 圖10為本發(fā)明儀器當(dāng)前位置RT轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算原理圖。
[0035] 圖11為本發(fā)明評(píng)估跟蹤匹配結(jié)果的重投影校驗(yàn)示意圖。
[0036] 圖12為本發(fā)明的控制電路板的實(shí)現(xiàn)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[003引參照?qǐng)D1?圖12, 一種基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光S維掃描方法， 所述掃描方法包括W下步驟：
[0039] 1)在單個(gè)工作攝像頭拍攝的圖像中識(shí)別提取標(biāo)記點(diǎn)的二維位置信息，根據(jù)之前設(shè) 定數(shù)量帖中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)判得到當(dāng)前帖中的目標(biāo)位置，再在目標(biāo)位置周圍捜索得出 其對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)，建立當(dāng)前帖中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系；
[0040] 2)利用當(dāng)前帖中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系計(jì)算出儀器當(dāng)前相對(duì)坐 標(biāo)系化到世界坐標(biāo)0，的RT轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)該轉(zhuǎn)換矩陣將標(biāo)記點(diǎn)庫中的對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)及其周 邊鄰近標(biāo)記點(diǎn)重投影到當(dāng)前帖的二維圖像平面坐標(biāo)系〇t中，對(duì)之前的初步匹配關(guān)系進(jìn)行校 驗(yàn)，如果整體誤差大于系統(tǒng)設(shè)定的閥值，則剔除當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)集合中與標(biāo)記點(diǎn)庫對(duì)應(yīng)的匹配 度最差的標(biāo)記點(diǎn)，重新迭代計(jì)算RT轉(zhuǎn)換矩陣后再進(jìn)行投影評(píng)估；
[0041] 3)在獲得儀器當(dāng)前位置的RT轉(zhuǎn)換矩陣后，在當(dāng)前帖圖像中提取激光投影輪廓并 根據(jù)已標(biāo)定好的攝像頭與激光器所發(fā)射激光面的位置關(guān)系，將獲得激光投影輪廓點(diǎn)在儀器 坐標(biāo)系0。下的相對(duì)S維坐標(biāo)通過RT轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系0,下的S維坐標(biāo)。
[0042] 進(jìn)一步，所述掃描方法還包括如下步驟：
[0043] 4)如果當(dāng)前帖的標(biāo)記點(diǎn)重投影校驗(yàn)失敗，則需要啟動(dòng)另一臺(tái)相互位置已經(jīng)過標(biāo)定 的輔助攝像頭獲得共同視野內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)在兩個(gè)攝像頭圖像中的二維坐標(biāo)，根據(jù)對(duì)極線約束 原理得出該些標(biāo)記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的坐標(biāo)值，再與世界坐標(biāo)系0,下的標(biāo)記點(diǎn)庫中 的標(biāo)記點(diǎn)集合進(jìn)行一一匹配重新得出當(dāng)前儀器坐標(biāo)系0。相對(duì)于世界坐標(biāo)系0,的RT轉(zhuǎn)換矩 陣；
[0044] 在得到儀器的位置信息后關(guān)閉輔助攝像頭，繼續(xù)只用原單個(gè)工作攝像頭通過標(biāo)記 點(diǎn)軌跡跟蹤方法獲得后續(xù)帖的=維輪廓信息。
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明所采用的攝像頭01的光軸沿線與激光發(fā)生器03發(fā)射出激光 面的交點(diǎn)距離為H，交點(diǎn)應(yīng)位于攝像頭的最佳景深平面位置。所述的攝像頭光軸沿線與激 光器發(fā)射出激光面的交點(diǎn)取決于攝像頭與激光器的距離L W及夾角a。所述的攝像頭光軸 沿線與線狀激光發(fā)生器發(fā)射的激光面成夾角，該夾角在0°到90°之間，夾角越小攝像頭 的測(cè)量盲區(qū)就越小，但深度測(cè)量精度會(huì)降低；該夾角越大深度測(cè)量精度就越高但攝像頭的 測(cè)量盲區(qū)會(huì)增大。所述的攝像頭01為全帖曝光CCD或者CMOS攝像頭，并配備與掃描視野 和掃描精度相匹配的定焦鏡頭，鏡頭的景深范圍即為儀器的測(cè)量深度范圍。所述的激光發(fā) 生器03為半導(dǎo)體線狀激光器，其景深范圍應(yīng)涵蓋儀器的測(cè)量范圍。所述的高亮補(bǔ)光發(fā)生器 05為沿?cái)z像頭鏡頭外圈等角度均勻排布數(shù)顆高亮L邸燈珠的侶基板，在掃描時(shí)照亮被掃描 物體表面預(yù)先貼好的標(biāo)記點(diǎn)。
[0046] 本發(fā)明所述的控制電路板控制攝像頭和激光器按照如圖5所示序觸發(fā)。在一個(gè)周 期的開始時(shí)同時(shí)觸發(fā)攝像頭和激光器，使攝像頭開始曝光的同時(shí)激光器開始發(fā)射激光，經(jīng) 過tl時(shí)間后關(guān)閉激光再經(jīng)過t2時(shí)間后結(jié)束攝像頭曝光完成該帖的圖像采集。激光的點(diǎn)亮 持續(xù)時(shí)間tl為系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)物體表面材質(zhì)對(duì)激光的反光程度自動(dòng)匹配，過長(zhǎng)或過短會(huì)導(dǎo) 致攝像頭感光元件相應(yīng)區(qū)域過曝光或曝光不足。系統(tǒng)對(duì)所拍攝的圖像中的激光線上的輪廓 點(diǎn)像素的亮度進(jìn)行綜合評(píng)估，如果超出一定的閥值則控制電路板相應(yīng)延長(zhǎng)或減短激光的開 啟時(shí)間。由于攝像頭非曝光時(shí)間不拍攝圖像，因此tl《t2, W減少激光的總體點(diǎn)亮?xí)r間， 降低激光發(fā)射的總能量，減少對(duì)操作者眼睛的影響。攝像頭的曝光時(shí)間t2決定于所述高亮 補(bǔ)光發(fā)生器的照射亮度W及被測(cè)物體表面標(biāo)記點(diǎn)的反光效率，其最長(zhǎng)曝光時(shí)間一般控制在 1/60秒內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致手持掃描時(shí)圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊。t3為攝像頭的拍攝觸發(fā)周期，該周 期越小則掃描速度越快，但需要攝像頭的刷新頻率的W及后端數(shù)據(jù)處理能力的支持，攝像 頭拍攝和傳輸一帖圖像的時(shí)間加上掃描處理計(jì)算所消耗的時(shí)間須小于t3。
[0047] 如圖6所示，所述的控制電路板02通過控制線和數(shù)據(jù)線與工作攝像頭01與輔助 攝像頭07連接，在掃描初始或者標(biāo)記點(diǎn)跟蹤失敗時(shí)同時(shí)對(duì)兩個(gè)攝像頭進(jìn)行同步觸發(fā)，在正 常掃描過程中僅對(duì)工作攝像頭進(jìn)行觸發(fā)控制。攝像頭的數(shù)據(jù)通過W太網(wǎng)線或USB線與控制 電路板連接，控制電路板將圖像視頻數(shù)據(jù)匯集上傳。所述的激光發(fā)生器由控制電路板提供 電源并控制其與攝像頭曝光周期同步進(jìn)行啟停，用于提供物體表面的輪廓特征。所述的高 亮補(bǔ)光發(fā)生器05由控制電路板提供電源并控制其啟停，其發(fā)射的高亮補(bǔ)光照亮物體表面 的標(biāo)記點(diǎn)，用于掃描過程的定位和拼接。所述的軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)〇6(可W采用運(yùn)算 處理計(jì)算機(jī)）與控制電路板通過無線或有線方式連接，接收其上傳的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)并下傳 控制指令。
[0048] 如圖12所示，所述控制電路板02包括主控巧片60、信號(hào)隔離電路61、激光驅(qū)動(dòng)電 路62、高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路63和數(shù)據(jù)交換電路64,其中主控巧片可采用32位的MCU (如ST公 司的STM32系列巧片），也可采用16位的MCU (如TI公司的MSP430系列巧片），甚至采用 主頻較高的8位MCU(如STC公司的STC12系列巧片）。主控巧片60與數(shù)據(jù)交換電路64通 過串行總線進(jìn)行連接，由于控制信息的數(shù)據(jù)量不大，控制頻率也不高，因此可W采用中低速 的通訊接口如UART或者SPI等實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)交換電路64可采用類似W太網(wǎng)交換機(jī)或者USB HUB原理實(shí)現(xiàn)（比如可W用Realtek公司的RTL8367N巧片進(jìn)行千兆W太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換），同 時(shí)實(shí)現(xiàn)將串行總線上的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換后與運(yùn)算處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)交互和將攝像頭 的視頻數(shù)據(jù)匯集上傳到運(yùn)算處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。主控巧片60與工作攝像頭和輔助 攝像頭通過信號(hào)隔離電路61進(jìn)行連接，輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)控制攝像頭的同步曝光；主控巧 片60通過信號(hào)隔離電路61與激光驅(qū)動(dòng)電路62連接，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換并提供大電流驅(qū)動(dòng)激光 發(fā)生器；主控巧片60通過信號(hào)隔離電路61與高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路63連接，實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換 并提供大電流驅(qū)動(dòng)高亮補(bǔ)光發(fā)生器。由于觸發(fā)攝像頭和激光器的頻率在0. IKHz W下，因此 信號(hào)隔離電路61可W采用截止頻率高于該頻率的隔離巧片，如化817或者6N137等光禪巧 片。激光驅(qū)動(dòng)電路62、高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路63可W采用功率MOS管實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流的控制，如 IRF3205 元件。
[0049] 主控巧片60包括同步觸發(fā)控制模塊，用于在一個(gè)圖像采集周期的開始觸發(fā)激光 器和單個(gè)工作攝像頭或者觸發(fā)單個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭。激光器和單個(gè)工作攝像頭的 同時(shí)觸發(fā)使得在單個(gè)工作攝像頭開始曝光的同時(shí)激光器開始投射激光圖案，經(jīng)過設(shè)定的激 光開啟時(shí)間后關(guān)閉激光，再經(jīng)過設(shè)定的攝像頭曝光時(shí)間后結(jié)束攝像頭曝光完成該帖的圖像 采集；單個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭的同時(shí)觸發(fā)使得系統(tǒng)可W同一時(shí)刻獲得不同角度的圖 像，用于對(duì)其相同視野的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行立體視覺匹配。激光器的開啟持續(xù)時(shí)間為系統(tǒng)根據(jù)被 測(cè)物體表面材質(zhì)對(duì)激光的反光程度自動(dòng)進(jìn)行匹配。攝像頭的曝光時(shí)間由所述高亮補(bǔ)光發(fā)生 器的照射亮度W及被測(cè)物體表面標(biāo)記點(diǎn)的反光效率所決定。
[0050] 如圖7所示，本發(fā)明所述的標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤匹配方法的執(zhí)行流程如下：
[0化1] 第一步，首先本算法實(shí)現(xiàn)=維掃描前需要建立預(yù)先貼在被測(cè)物體表面的標(biāo)記點(diǎn)在 立維世界坐標(biāo)系0,下的坐標(biāo)值組成的標(biāo)記點(diǎn)庫；利用攝影測(cè)量方法得到被測(cè)物體表面所有 標(biāo)記點(diǎn)的=維世界坐標(biāo)，建立標(biāo)記點(diǎn)庫；或者利用輔助攝像頭與工作攝像頭配合進(jìn)行標(biāo)記 點(diǎn)預(yù)掃描，利用雙目視覺原理建立標(biāo)記點(diǎn)庫。所獲得的標(biāo)記點(diǎn)庫存入內(nèi)存的非滿八叉樹中， 用于后續(xù)執(zhí)行標(biāo)記點(diǎn)匹配算法時(shí)進(jìn)行快速捜索。非滿八叉樹是對(duì)傳統(tǒng)八叉樹結(jié)構(gòu)的一種變 種，對(duì)于S維空間中沒有信息的節(jié)點(diǎn)不申請(qǐng)空間而是作為NU化指針存入其父節(jié)點(diǎn)中。該種 方式可W減少信息所占的存儲(chǔ)空間同時(shí)因?yàn)椴挥帽闅v節(jié)點(diǎn)的空分支而提高捜索效率，特別 是對(duì)于離散的空間數(shù)據(jù)一一如本發(fā)明所設(shè)及的S維標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0052] 第二步，在開始掃描的原始位置利用已標(biāo)定好相互位置的輔助攝像頭和工作攝像 頭獲得同步的兩帖起始圖像，在兩幅圖像中識(shí)別出標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)二維坐標(biāo)，并相互匹配得 到相對(duì)=維坐標(biāo)值后映射回世界坐標(biāo)系0，。標(biāo)記點(diǎn)的識(shí)別是利用圖像中像素邊緣梯度亞像 素提取法提取標(biāo)記點(diǎn)的邊緣，并用楠圓擬合方法得出標(biāo)記點(diǎn)中屯、的圖像位置。得到兩幅圖 像中各自識(shí)別出的標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo)后再根據(jù)對(duì)極線約束原理重構(gòu)出兩個(gè)攝像頭共同視 野范圍內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的=維坐標(biāo)位置及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)該些相對(duì)= 維坐標(biāo)系0。下的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與世界坐標(biāo)系0,下標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行匹配，獲得第 一帖起始圖像中的標(biāo)記點(diǎn)在世界坐標(biāo)系0,中的坐標(biāo)。
[0化3] 第=步，在獲得第一帖中的標(biāo)記點(diǎn)集合與標(biāo)記點(diǎn)庫的匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系后，將一個(gè)攝 像頭作為工作攝像頭（用于后續(xù)掃描），并可關(guān)閉輔助攝像頭。將工作攝像頭獲得的第一 帖數(shù)據(jù)中的標(biāo)記點(diǎn)在圖像中的二維坐標(biāo)保存在一棵非滿四叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，用于后續(xù)帖 的軌跡捜索。如圖8所示，傳統(tǒng)定義的四叉樹為滿樹，即將二維空間等步長(zhǎng)分割為眾多正方 形，每個(gè)正方形對(duì)應(yīng)一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)，四個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)作為其共同父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，W此來保存 該區(qū)域內(nèi)的圖像信息。由于系統(tǒng)須處理的標(biāo)記點(diǎn)二維拓?fù)渚哂泻艽蟮碾x散性，因此如果使 用傳統(tǒng)不允許空節(jié)點(diǎn)存在的四叉樹將導(dǎo)致存儲(chǔ)空間和捜索時(shí)間上的無謂消耗，所W本發(fā)明 將空的節(jié)點(diǎn)21作為NU化指針保存于其父節(jié)點(diǎn)中，在捜索時(shí)將跳過對(duì)空節(jié)點(diǎn)分支的遍歷，該 可W大大減少捜索相鄰標(biāo)記點(diǎn)的計(jì)算量。如捜索位于i = 2, j = 2節(jié)點(diǎn)20的周圍K-鄰域 (如周圍一層），只須捜索其四叉樹的i = 1?3且j = 1?3除自身外的8個(gè)節(jié)點(diǎn)，而除 了節(jié)22外，其余節(jié)點(diǎn)均為空節(jié)點(diǎn)而不用須捜索，其K-鄰域捜索時(shí)間復(fù)雜度只與捜索的范圍 和樹的層數(shù)有關(guān)而與節(jié)點(diǎn)總數(shù)無關(guān)。
[0054] 第四步，在工作攝像頭獲得的第2帖圖像中識(shí)別出標(biāo)記點(diǎn)，并與第1帖中的標(biāo)記點(diǎn) 建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于攝像頭的觸發(fā)頻率在幾十赫茲，而手持儀器的移動(dòng)軌跡為平滑的模擬 曲線，因此連續(xù)兩帖圖像中同一標(biāo)記點(diǎn)在各自圖像中的軌跡位置存在連貫性，所W在建立 前后帖對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)可W在前一帖每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的四叉樹節(jié)點(diǎn)的K-鄰域捜索其在后一帖中的 位置，該樣可W減少捜索的計(jì)算量W及錯(cuò)誤匹配的概率。在得到第2帖標(biāo)記點(diǎn)與第1帖標(biāo) 記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，將第2帖標(biāo)記點(diǎn)在其二維圖像的位置信息存入非滿四叉樹中，并將每 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在第1帖中的位置信息也保存到該標(biāo)記點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)中，W用于后續(xù)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)軌 跡的判斷。
[0055] 第五步，在得到前兩帖圖像中的每個(gè)相關(guān)標(biāo)記點(diǎn)的圖像二維相對(duì)坐標(biāo)后，便可W 利用兩點(diǎn)確定的向量并沿該向量位移的方法預(yù)先判斷每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在隨后帖圖像中出現(xiàn)的 位置；當(dāng)?shù)玫焦ぷ鲾z像頭的第m帖圖像并將識(shí)別出的標(biāo)記點(diǎn)存入非滿四叉樹結(jié)構(gòu)后，根據(jù) m-1帖中每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)所計(jì)算出的軌跡預(yù)判斷目標(biāo)位置在當(dāng)前m帖的非滿四叉樹中進(jìn)行K-鄰 域捜索，得到的標(biāo)記點(diǎn)與第m-1帖的標(biāo)記點(diǎn)直接建立匹配關(guān)系。標(biāo)記點(diǎn)軌跡預(yù)判方法如圖 9所示，將之前兩帖中某個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（40為某標(biāo)記點(diǎn)在第m-2帖出現(xiàn)的位置，41為其在第m-1 帖出現(xiàn)的位置）的連線沿其先后次序的一次軌跡方向移動(dòng)d距離得到該標(biāo)記點(diǎn)的一次軌跡 預(yù)判斷目標(biāo)位置，利用該目標(biāo)位置便可隊(duì)陜速在當(dāng)前第m帖的非滿四叉樹的K-鄰域中捜索 到該標(biāo)記點(diǎn)42。d該標(biāo)記點(diǎn)在m-1和m-2兩帖圖像中的距離。在處理完當(dāng)前第m帖的標(biāo)記 點(diǎn)后，將第m-1帖每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置信息存入當(dāng)前第m帖中對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)的非滿四叉樹節(jié)點(diǎn) 中，并刪除第m-2帖的非滿四叉樹結(jié)構(gòu)。
[0化6] 第六步，在某些包含變掃描移動(dòng)速度或變掃描移動(dòng)軌跡作較多的掃描實(shí)例中可W 采用如下方法提高標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)軌跡預(yù)判斷的命中率：利用二次軌跡方法對(duì)前=帖中相同標(biāo) 記點(diǎn)的位置軌跡進(jìn)行二次曲線擬合，然后將該標(biāo)記點(diǎn)在最近一帖的坐標(biāo)處沿曲線的切線方 向延長(zhǎng)一定距離得到二次軌跡目標(biāo)位置，該樣可W在增加一定計(jì)算量的代價(jià)下增大軌跡預(yù) 判斷的命中率：將某標(biāo)記點(diǎn)的第m-3帖的位置43和第m-2帖的位置44保存在第m-1帖該 節(jié)點(diǎn)的四叉樹節(jié)點(diǎn)中，并在收到第m帖后，根據(jù)m-1帖中每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所保存的該標(biāo)記點(diǎn) 前兩帖的位置信息再加上本帖（第m-1帖）的位置信息，根據(jù)S個(gè)二維坐標(biāo)可W擬合出一 條Y = aX2+bX+c的二次方程曲線，再求出過第m-1帖該標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)成Ym_i)的切線方程： Y' = 2aX+b，如果預(yù)判斷的目標(biāo)位置46的坐標(biāo)為成，Ym)，目標(biāo)位置離成_。Ym_i)的距離為 D，則計(jì)算得到的目標(biāo)位置為：
[0057]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法，其特征在于：所述掃 描方法包括以下步驟： 1) 在單個(gè)工作攝像頭拍攝的圖像中識(shí)別提取標(biāo)記點(diǎn)的二維位置信息，根據(jù)之前設(shè)定數(shù) 量幀中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)判得到當(dāng)前幀中的目標(biāo)位置，再在目標(biāo)位置周圍搜索得出其對(duì) 應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)，建立當(dāng)前幀中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系； 2) 利用當(dāng)前幀中的標(biāo)記點(diǎn)與原標(biāo)記點(diǎn)庫的初步匹配關(guān)系計(jì)算出儀器當(dāng)前相對(duì)坐標(biāo)系 0。到世界坐標(biāo)〇￥的訂轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)該轉(zhuǎn)換矩陣將標(biāo)記點(diǎn)庫中的對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)及其周邊鄰 近標(biāo)記點(diǎn)重投影到當(dāng)前幀的二維圖像平面坐標(biāo)系(^中，對(duì)之前的初步匹配關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)， 如果整體誤差大于系統(tǒng)設(shè)定的閥值，則剔除當(dāng)前標(biāo)記點(diǎn)集合中與標(biāo)記點(diǎn)庫對(duì)應(yīng)的匹配度最 差的標(biāo)記點(diǎn)，重新迭代計(jì)算RT轉(zhuǎn)換矩陣后再進(jìn)行投影評(píng)估； 3) 在獲得儀器當(dāng)前位置的RT轉(zhuǎn)換矩陣后，在當(dāng)前幀圖像中提取激光投影輪廓并根據(jù) 已標(biāo)定好的攝像頭與激光器所發(fā)射激光面的位置關(guān)系，將獲得激光投影輪廓點(diǎn)在儀器坐標(biāo) 系0。下的相對(duì)三維坐標(biāo)通過RT轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系0￥下的三維坐標(biāo)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法，其特 征在于：所述掃描方法還包括如下步驟： 4) 如果當(dāng)前幀的標(biāo)記點(diǎn)重投影校驗(yàn)失敗，則需要啟動(dòng)另一臺(tái)相互位置已經(jīng)過標(biāo)定的輔 助攝像頭獲得共同視野內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)在兩個(gè)攝像頭圖像中的二維坐標(biāo)，根據(jù)對(duì)極線約束原理 得出這些標(biāo)記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的坐標(biāo)值，再與世界坐標(biāo)系〇w下的標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo) 記點(diǎn)集合進(jìn)行一一匹配重新得出當(dāng)前儀器坐標(biāo)系〇。相對(duì)于世界坐標(biāo)系〇￥的RT轉(zhuǎn)換矩陣； 在得到儀器的位置信息后關(guān)閉輔助攝像頭，繼續(xù)只用原單個(gè)工作攝像頭通過標(biāo)記點(diǎn)軌 跡跟蹤方法獲得后續(xù)幀的二維輪廓彳目息。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法， 其特征在于：所述之前設(shè)定數(shù)量幀為前兩幀或者前三幀圖像，利用一次或二次函數(shù)分別對(duì) 前兩幀或者前三幀圖像中每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行擬合，結(jié)合該標(biāo)記點(diǎn)在之前連續(xù)多幀 圖像中的位移速度，計(jì)算出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在當(dāng)前幀中的預(yù)判斷目標(biāo)位置，以該位置作為中心 搜索當(dāng)前幀中周圍是否有相應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)與之相對(duì)應(yīng)，從而建立當(dāng)前幀標(biāo)記點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)庫的 匹配關(guān)系。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法， 其特征在于：所述步驟1)中，將每一幀圖像中的標(biāo)記點(diǎn)二維信息記錄在一種允許空節(jié)點(diǎn)的 非滿四叉樹中。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法， 其特征在于：所述步驟1)中，所述標(biāo)記點(diǎn)庫為預(yù)先貼在被測(cè)物體表面的標(biāo)記點(diǎn)在三維世界 坐標(biāo)系〇w下的坐標(biāo)值組成的標(biāo)記點(diǎn)庫，將標(biāo)記點(diǎn)庫中的標(biāo)記點(diǎn)三維信息記錄在一種允許空 節(jié)點(diǎn)的非滿八叉樹中。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法， 其特征在于：所述步驟1)中，在開始掃描的原始位置利用已標(biāo)定好相互位置的輔助攝像頭 和單個(gè)工作攝像頭獲得同步的兩幀起始圖像，在兩幅圖像中得到各自識(shí)別出的標(biāo)記點(diǎn)的二 維坐標(biāo)后再根據(jù)對(duì)極線約束原理重構(gòu)出輔助攝像頭和單個(gè)工作攝像頭共同視野范圍內(nèi)的 標(biāo)記點(diǎn)在儀器當(dāng)前坐標(biāo)系0。下的三維坐標(biāo)位置及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法，其特 征在于：根據(jù)這些相對(duì)三維坐標(biāo)系0。下的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與世界坐標(biāo)系〇￥下標(biāo)記點(diǎn)庫中的 標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行匹配，獲得第一幀起始圖像中的標(biāo)記點(diǎn)在世界坐標(biāo)系〇￥中的坐標(biāo)，并關(guān)閉所述 輔助攝像頭。
8. -種如權(quán)利要求1所述的基于單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的手持激光三維掃描方法 實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，其特征在于：所述設(shè)備包括單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭、激光發(fā)生器、支座、 控制電路板、高亮補(bǔ)光發(fā)生器以及用于根據(jù)獲得視頻圖像后進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)軌跡跟蹤的軌跡跟 蹤掃描處理系統(tǒng)，所述單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭的光軸與激光發(fā)生器發(fā)射出激光面的 交點(diǎn)位于攝像頭的最佳景深平面位置，所述單個(gè)工作攝像頭和輔助攝像頭的景深范圍為掃 描儀的測(cè)量深度范圍，所述激光發(fā)生器的景深范圍涵蓋掃描儀的測(cè)量深度范圍，所述單個(gè) 工作攝像頭、輔助攝像頭和激光發(fā)生器均安裝在所述支座上，所述單個(gè)工作攝像頭、輔助攝 像頭和激光發(fā)生器均與所述控制電路板連接，所述控制電路板與所述高亮補(bǔ)光發(fā)生器連 接，所述高亮補(bǔ)光發(fā)生器放置在單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭的鏡頭外圈，所述控制電路板 與所述軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)連接。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于：所述控制電路板包括主控芯片、信號(hào)隔離 電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)交換電路，主控芯片與數(shù)據(jù)交換電路連接， 所述數(shù)據(jù)交換電路的輸出端與所述軌跡跟蹤掃描處理系統(tǒng)連接，所述數(shù)據(jù)交換電路的輸入 端與單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭連接，所述主控芯片與單個(gè)工作攝像頭、輔助攝像頭之間 經(jīng)過信號(hào)隔離電路進(jìn)行連接；所述主控芯片通過信號(hào)隔離電路與激光驅(qū)動(dòng)電路連接，所述 激光驅(qū)動(dòng)電路與激光發(fā)生器連接，所述主控芯片通過信號(hào)隔離電路與高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路連 接，所述高亮補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路與高亮補(bǔ)光發(fā)生器連接。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于：所述述控制電路板還包括同步觸發(fā)控 制模塊，用于在一個(gè)圖像采集周期的開始觸發(fā)激光器和單個(gè)工作攝像頭或者觸發(fā)單個(gè)工作 攝像頭和輔助攝像頭。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK104501740SQ201410794661
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】鄭俊, 王江峰, 陳尚儉 申請(qǐng)人:杭州鼎熱科技有限公司