基于未知環(huán)境檢測(cè)的3d激光掃描儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機(jī)及光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)；待測(cè)物體放置在光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，單片機(jī)用于控制光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度；線性紅外激光器照射待測(cè)物體，攝像頭拍攝待測(cè)物體上的激光光點(diǎn)；從攝像頭拍攝的畫面中計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息，根據(jù)激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行激光三角測(cè)距計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離，最后獲取激光光點(diǎn)的3D坐標(biāo)，得到物體的全局點(diǎn)云坐標(biāo)點(diǎn)。本發(fā)明在勘測(cè)地形場(chǎng)景時(shí)使用線性紅外激光器，擴(kuò)大了使用范圍和提升了掃描的精度，能應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境條件下的勘測(cè)。
【專利說明】
基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及3D激光技術(shù)，具體涉及基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀。
【背景技術(shù)】
[0002]目前現(xiàn)有技術(shù)使用2D激光雷達(dá)進(jìn)行改造和kinect來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的掃描。Kinect是由微軟開發(fā)的一個(gè)周邊設(shè)備。有三個(gè)鏡頭，中間的鏡頭是RGB彩色攝影機(jī)，用來采集彩色圖像。左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝影機(jī)所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，用來采集深度數(shù)據(jù)(場(chǎng)景中物體到攝像頭的距離)。2011年微軟研究院為了實(shí)現(xiàn)Kinect的三維重建，推出了Kinect Fus1n項(xiàng)目。相比于簡(jiǎn)單的三維點(diǎn)云拼接，該項(xiàng)目支持GPU加速，快速便捷。
[0003]2D激光雷達(dá)雖然在相同的激光器輸出功率下掃描距離更遠(yuǎn)，但由于需要控制額外自由度的轉(zhuǎn)軸，其誤差可能較大，同時(shí)掃描速度也略低。這類激光雷達(dá)產(chǎn)品目前在各類實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中出現(xiàn)的比較多。而對(duì)于kinect來說，它的成像分辨率和測(cè)距精度相比激光雷達(dá)而言低了不少，同時(shí)無法在室外使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)使用場(chǎng)景受限、掃描精度低的問題，本發(fā)明提出基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀，在勘測(cè)地形場(chǎng)景時(shí)使用線性紅外激光器，擴(kuò)大了使用范圍和提升了掃描的精度，能應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境條件下的勘測(cè)。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機(jī)及光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)；待測(cè)物體放置在光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，單片機(jī)用于控制光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度;線性紅外激光器照射待測(cè)物體，攝像頭拍攝待測(cè)物體上的激光光點(diǎn)；從攝像頭拍攝的畫面中計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息，根據(jù)激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行激光三角測(cè)距計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離，最后獲取激光光點(diǎn)的3D坐標(biāo)，得到物體的全局點(diǎn)云坐標(biāo)點(diǎn)。
[0006]優(yōu)選地，所述激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息計(jì)算方法為:首先識(shí)別并確定激光光點(diǎn)，然后確定激光光點(diǎn)中心的精確位置，作為激光光點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0007]優(yōu)選地，所述激光光點(diǎn)到激光器距離由如下公式求得:
[0008]q = fs/x
[0009]d = q/sin(0)
[0010]其中，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距，X是待測(cè)物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0012]激光掃描儀通過三角形測(cè)距法建構(gòu)出3D圖形:通過一字線性激光器和光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)，以及單片機(jī)STM32等硬件設(shè)備，對(duì)待測(cè)物發(fā)射出一字線性激光。掃描儀的攝像頭和激光器可以測(cè)量待測(cè)物的表面到激光的距離，找到激光的光斑兩點(diǎn)，通過一系列的校準(zhǔn)和參數(shù)調(diào)整，通過測(cè)距獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)顯示出其三維結(jié)構(gòu)，也可以通過軟件重建轉(zhuǎn)換成3D模型。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明3D激光掃描儀的控制結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為三角測(cè)距原理；
[0015]圖3示意了 3D測(cè)距原理；
[0016]圖4為3D點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了更加清楚地描述本發(fā)明，以下結(jié)合具體的實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0018]實(shí)施例
[0019]參見圖1，本發(fā)明基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀主要包括紅外激光器、攝像頭、單片機(jī)及光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)。攝像頭上設(shè)有紅外濾光片，待測(cè)物體放置在光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，單片機(jī)用于控制光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。
[0020]在掃描的過程中從攝像頭拍攝的畫面中計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息，過程如下:識(shí)別并確定激光光點(diǎn)，排除干擾;然后確定光點(diǎn)中心的精確位置，作為光點(diǎn)的坐標(biāo)。為此，本實(shí)施例配合曝光率控制，增加激光器發(fā)射功率，從而足以使得畫面中僅保留激光光點(diǎn)，例如使用200mw功率的激光器。本實(shí)施例還在攝像頭上加裝紅外濾光片，通過使用濾光片的做法，僅保留激光器發(fā)射波長(zhǎng)的光線進(jìn)入，從而可以在一定程度上避免光線干擾。激光器采用一字線性紅外激光器，配合紅外濾光片，可以有效濾除來自諸如日光燈等的干擾。
[0021]由于采用加裝濾光片和增加激光器功率的方式來識(shí)別激光光點(diǎn)，排除干擾，所以在一般狀態(tài)下，可以通過求出攝像頭畫面中最亮點(diǎn)的方式獲取激光光點(diǎn)。對(duì)于確定光點(diǎn)中心的精確位置，則可采用簡(jiǎn)單的線性插值和求質(zhì)心的手段。
[0022]計(jì)算出光點(diǎn)的坐標(biāo)信息后，進(jìn)行激光三角測(cè)距，計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離。隨著待測(cè)物與激光器距離的不同，激光光點(diǎn)在攝影頭畫面中的位置亦有所不同。激光光點(diǎn)、攝影機(jī)與激光器本身構(gòu)成一個(gè)三角形。在這個(gè)三角形中，激光器與攝像頭的距離，以及激光器在三角形中的角度，是已知的條件。通過攝影頭畫面中激光光點(diǎn)的位置，我們可以決定出攝影頭位于三角形中的角度。這三項(xiàng)條件可以決定出一個(gè)三角形，并可計(jì)算出待測(cè)物與激光器之間的距離。三角測(cè)距的原理如圖2所示，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距。在這些參數(shù)已知后，激光光點(diǎn)到激光器距離可由如下公式求得:
[0023]q = fs/x (I)
[0024]d = q/sin(0) (2)
[°°25] X是待測(cè)物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。
[0026]對(duì)線狀激光器進(jìn)行測(cè)距的問題，可以轉(zhuǎn)化為前面單點(diǎn)激光測(cè)距的計(jì)算問題。對(duì)于圖3中的激光線條，算法將按照Y軸依次計(jì)算出當(dāng)前Y軸高度下，激光光斑的X坐標(biāo)值px。并嘗試通過先前的算法求出該點(diǎn)的距離。
[0027]計(jì)算出激光光點(diǎn)到激光器的距離后，可以獲取這個(gè)激光光點(diǎn)的3D坐標(biāo)，從而構(gòu)造環(huán)境的3D點(diǎn)云。具體方式如下:
[0028]由于使用掃描的方法，所得到的坐標(biāo)計(jì)算要加上當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角度:
[0029]x = d*cos(9)*sin(a+X);
[0030]y = d*cos(9)*cos(a+X);
[0031]z = d*sin(0)；
[0032](X，y，z)為當(dāng)前點(diǎn)的3D坐標(biāo)，α、Θ對(duì)應(yīng)圖4坐標(biāo)的計(jì)算，而λ是光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的角度。
[0033]本發(fā)明工作時(shí)，先打開一字線性激光器，將待測(cè)物體放在光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過單片機(jī)STM32來設(shè)定光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度和方向，最終角度設(shè)為180°，以0.5°的角增量，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。然后將激光照射待測(cè)物體，打開攝像頭，查找待測(cè)物上的激光光點(diǎn)。通過三角測(cè)距測(cè)出物體上每條線到激光器的實(shí)際距離，并根據(jù)實(shí)際距離獲得3D坐標(biāo)，由此可以得到物體的全局點(diǎn)云坐標(biāo)點(diǎn)。將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)顯示出其三維結(jié)構(gòu)，也可以通過軟件重建轉(zhuǎn)換成3D模型。
[0034]本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于未知環(huán)境檢測(cè)的3D激光掃描儀，其特征在于，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機(jī)及光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)；待測(cè)物體放置在光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)上，單片機(jī)用于控制光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度;線性紅外激光器照射待測(cè)物體，攝像頭拍攝待測(cè)物體上的激光光點(diǎn)；從攝像頭拍攝的畫面中計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息，根據(jù)激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行激光三角測(cè)距計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離，最后獲取激光光點(diǎn)的3D坐標(biāo)，得到物體的全局點(diǎn)云坐標(biāo)點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述攝像頭上設(shè)有紅外濾光片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述線性紅外激光器的功率為200mwo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息計(jì)算方法為:首先識(shí)別并確定激光光點(diǎn)，然后確定激光光點(diǎn)中心的精確位置，作為激光光點(diǎn)的坐標(biāo)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述激光光點(diǎn)到激光器距離由如下公式求得:q = fs/xd = q/sin(0) 其中，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距，X是待測(cè)物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)以0.5°的角增量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK105953742SQ201610285667
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月30日
【發(fā)明人】何元烈, 張偉, 陳佳騰, 曾碧
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)