手持激光三維掃描設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于三維掃描技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種手持激光三維掃描設(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《三維掃描自動(dòng)參考系統(tǒng)和設(shè)備》，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200680014069.3 ;沈陽雅克科技有限公司《一種手持式三維型面信息提取方法及提取儀》，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?201010173849.0)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)系下的三維坐標(biāo)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用這些標(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)庫可以是先前掃描獲得，也可以是通過其他方法，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，如果匹配成功就可以反推出當(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)信息后可以使用兩種方法來獲得投影到被測(cè)物體上激光線的三維坐標(biāo):1)可以利用某個(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)系下的三維坐標(biāo)。2)可以利用兩個(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三維的坐標(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，由于手持激光三維掃描儀進(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)三維拓?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以實(shí)現(xiàn)以手持方式對(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幀圖案中的標(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)前幀中每個(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)模糊以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)三維坐標(biāo)以及與標(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)別激光輪廓線以及輪廓線上的激光點(diǎn)的坐標(biāo)變換等運(yùn)算。所以需要有很高配置的計(jì)算機(jī)作為儀器的運(yùn)算單元以支持其掃描時(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以及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三維掃描技術(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，使用雙攝像頭三維掃描的被測(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很大程度上被轉(zhuǎn)角對(duì)稱遮擋，從而減少了同一幀獲得的標(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設(shè)備的對(duì)系統(tǒng)硬件配置的要求較高、掃描范圍較小、移動(dòng)拼接時(shí)的順暢性較差、精度較低的不足，本實(shí)用新型提供了一種對(duì)系統(tǒng)硬件配置的要求較低、掃描范圍較大、移動(dòng)拼接時(shí)的順暢性良好、精度較高、成本較低的手持激光三維掃描設(shè)備。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種手持激光三維掃描設(shè)備，包括單個(gè)工作攝像頭、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。
[0008]優(yōu)選的，所述控制電路板包括主控芯片、?目號(hào)隔尚電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、尚殼補(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)工作攝像頭連接，所述主控芯片與單個(gè)工作攝像頭之間經(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。
[0009]進(jìn)一步，所述控制電路板還包括用于同時(shí)觸發(fā)單個(gè)工作攝像頭和激光器的同步觸發(fā)控制模塊，所述同步出發(fā)控制模塊與所述單個(gè)工作攝像頭、激光發(fā)生器連接。
[0010]所述掃描設(shè)備還包括輔助攝像頭，所述輔助攝像頭安裝在所述支座上，所述輔助攝像頭與所述控制電路板連接，所述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，所述輔助攝像頭的景深范圍為掃描儀的測(cè)量深度范圍，所述高亮補(bǔ)光發(fā)生器放置在輔助攝像頭的鏡頭外圈。
[0011]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為:如圖2中a部分所示，由于本實(shí)用新型在掃描時(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)或以上攝像頭進(jìn)行三維掃描的系統(tǒng)14的測(cè)量范圍12更大，相應(yīng)的同一幀得到的圖像中被測(cè)物體表面的有效標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)也更多，這將有助于提高前后幀標(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。這種情況將會(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。本實(shí)用新型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。
[0012]本實(shí)用新型在掃描時(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以上的傳輸帶寬，這在高分辨率攝像頭(如500萬像素30幀/秒攝像頭需要的傳輸帶寬為1200Mbps)用于高精度三維掃描上顯得尤為重要。在圖形圖像識(shí)別環(huán)節(jié)本實(shí)用新型也只需對(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)三維坐標(biāo)系中的標(biāo)記點(diǎn)拓?fù)浣Y(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。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:單攝像頭標(biāo)記點(diǎn)跟蹤匹配方式相比傳統(tǒng)的雙攝像頭標(biāo)記點(diǎn)拼接匹配方式占用更少的CPU時(shí)間，特別是庫中標(biāo)記點(diǎn)較多的情況下更為顯著，所以本實(shí)用新型所述的掃描系統(tǒng)可以采用更低端的CPU(如嵌入式CPU)以及像素更高、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)，使得手持激光三維掃描技術(shù)可以在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
【附圖說明】
[0014]圖1為手持激光三維掃描設(shè)備的原理圖。
[0015]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)為單攝像頭掃描系統(tǒng)的掃描平面區(qū)域；(b)為雙攝像頭掃描系統(tǒng)的掃描平面區(qū)域；(C)為單攝像頭掃描系統(tǒng)的掃描三維區(qū)域；(d)為雙攝像頭掃描系統(tǒng)的掃描三維區(qū)域。
[0016]圖3為本實(shí)用新型攝像頭與激光發(fā)生器的觸發(fā)時(shí)序說明圖。
[0017]圖4為本實(shí)用新型模塊互聯(lián)示意圖。
[0018]圖5為本實(shí)用新型的控制電路板的實(shí)現(xiàn)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0020]參照