CN104165600A - 一种无线手持3d激光扫描*** - Google Patents
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Abstract
一种无线手持3D激光扫描***，包括手持式3D激光扫描数据采集子***、便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***，所述手持式3D激光扫描数据采集子***与便携式3D数据在线处理显示及控制子***相连，二者为一一对应关系，并安装在同一支撑框架内，构成可独立完成3D轮廓扫描的便携式亚***；便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***相连。本发明提供一种灵活性较好、视觉范围较大、实时性良好的无线手持3D激光扫描***。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维立体检测、移动计算与信号处理领域，尤其是涉及一种无线手持3D激光扫描***。
背景技术
随着社会与科技的不断进步，对于产品测绘精度及速度的要求不断提高，这一点在逆向工程、快速成型领域体现的尤为突出。3D激光扫描是近期兴起的一种物体轮廓高效实时测绘方法，用来采集并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。采集到的数据可用来进行三维重建计算，并创建实际物体的虚拟数字模型。此项技术及其相关衍生产品已经在机械制造、工业设计、缺损检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等领域获得广泛应用。
利用3D激光扫描技术获取目标的空间点云(Point Cloud)数据。这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，亦即所谓的材质印射(Texture Mapping)。
3D激光扫描技可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。在此基础上，可快速建立曲率可变、结构复杂、不规则的场景的三维可视化数字模型，进而迅速得到任何的距离、面积、体积的测量结果。
当前，3D激光扫描技技术所涉及的测距方法主要有时差测距与几何测距两种。
时差测距是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得。即仪器发射一个激光脉冲，打到物体表面后反射，再由仪器内的探测器接收信号，并记录时间。由于光速为已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍。激光测距仪每发一个激光信号只能测量单一点到仪器的距离。因此，扫描仪若要扫描完整的视野，就必须使每个激光信号以不同的角度发射。
几何测距法是3D激光扫描仪发射一道激光到待测物上，并利用摄影机查找待测物上的激光光点。随着待测物(距离三角测距3D激光扫描仪)距离的不同，激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。通过摄影机画面中激光光点的位置，可以决定出摄影机位于几何形中的角度，进而可计算出待测物的距离。
通过对国内外3D激光扫描技术的研究及相关产品的调研发现，当前3D激光扫描***一般采用如下模式：利用单条或多条激光采集目标物体的轮廓数据，然后将数据传送至便携式计算机或固定PC机，进而进行点云处理与三维立体重建。上述模式存在的主要问题为：数据处理依赖普通计算机，灵活性较差；采集端与计算机一般为有线连接，测量的视角范围受到限制；采集端无处理功能，不能满足用户的即时需求。
发明内容
为了克服已有3D激光扫描技术的灵活性较差、视觉范围受限、实时性较差的不足，本发明提供一种灵活性较好、视觉范围较大、实时性良好的无线手持3D激光扫描***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无线手持3D激光扫描***，包括手持式3D激光扫描数据采集子***、便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***，所述手持式3D激光扫描数据采集子***与便携式3D数据在线处理显示及控制子***相连，二者为一一对应关系，并安装在同一支撑框架内，构成可独立完成3D轮廓扫描的便携式亚***；便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***相连；
所述的手持式3D激光扫描数据采集子***包括多目图像数据采集模块和多线激光测量模块，所述的多目图像数据采集模块包含三个摄像头，三个摄像头呈等边三角形放置且相互间构成相同的空间角度；所述的多线激光测量模块包含三个线状激光器，三个线状激光器也呈等边三角形放置，所述线状激光器射出的激光面相互间所成的三个平面空间角度相同；
所述的便携式3D数据在线处理显示及控制子***包括第一高速无线网络通信模块、人机接口模块、数据存储模块、电源管理模块和用于实现对数据采集、A/D转换、预处理、在线分析、无线通信、数据存储的管理与控制的嵌入式主控模块，所述第一高速无线网络通信模块、人机接口模块、数据存储模块与电源管理模块均和嵌入式主控模块连接；
所述的便携式3D数据服务端存储与分析子***包括3D轮廓数据存储与管理模块、3D轮廓深度后处理模块和第二高速无线网络通信模块，所述的3D轮廓数据存储与管理模块为面向激光3D扫描的主题数据库，实现扫描目标轮廓数据的存储、分类、查询与更新，所述的3D轮廓深度后处理模块采用三维坐标转换与图像压缩插补技术，实现对扫描目标轮廓数据的深度优化、像素补偿、亮度/色度调整后处理，并生成不同规格的三维网格文件；所述的第二高速无线网络通信模块与第一高速无线网络通信模块通信连接。
进一步，所述便携式3D数据在线处理显示及控制子***中，所述的第一高速无线网络通信模块采用实时流媒体传输方法，实现扫描目标3D曲面数据的实时传输与在线更新；所述的人机接口模块为面向激光3D扫描所定制的薄膜晶体管显示屏，支持嵌入式轻型图形用户界面，负责向用户提供友好的可视化信息与服务接口，并提供触摸按键，实现对扫描过程及显示的控制；所述的数据存储模块采用嵌入式海量存储技术实现扫描目标3D轮廓数据的现场级存储；所述的电源管理模块由电源控制器与锂电池组组成。
优选的，所述的手持式3D激光扫描数据采集子***还包括多背景光源补偿模块，所述的背景光源补偿模块为弧面发光二极管阵列；通过背景光源补偿模块提供合适的可视光照条件，在捕捉到贴有标记点的被测物体表面的时刻，启动多线激光测量模块发射三束线状激光，并同步启动多目图像数据采集模块的三个摄像头采集目标图像。
更进一步，所述多目图像数据采集模块中，扫描目标表面的三条激光束进行标识：①采用不同颜色对***所发射的激光进行区别与标识；②为避免光线混叠，三条激光交替触发、发射，某一时刻只出现一条激光光束；③排布好三条激光的位置，使得每个摄像头检测到的三条激光中有两条是在图像的固定位置而被排除，只检测剩余的那条激光来获得被测物体的空间点云数据；
采用投影三条不同角度的线状激光到物体表面的方式，每个摄像头检测一条配对激光，从三个不同角度扫描物体表面；三个摄像头分别为摄像头A、B、C，摄像头A为高精度摄像头，用于测量前的预测量，所述的预检测是指在正式扫描前，用摄像头A来对已贴标记点的被测物体进行摄影测量，在每幅摄影测量的照片视野中放置已知参数的“T”型标准杆，用于计算标记点的空间位置；***在对所有预测量的标记点进行拼接后便得到一个完整的高精度标记点库；正式扫描时将检测到的标记点拓扑结构与该高精度标记点库进行拟合；
所述多线激光测量模块中，三束线状激光所发射出的激光平面相互成相同的空间角度，角度的大小应满足其形成互成60°的“三角阵列”型投影的平面正好位于扫描器的景深范围的靠近摄像头的1/3处。
采用小尺寸、高密度、高亮度发光二极管粘接在凹弧面板上；光源的亮度通过自适应亮度调控装置进行在线调整。
所述的自适应亮度调控装置通过三个感光传感器感知扫描目标左、中、右三处的光照强度，进而通过遗传查表算法控制所点亮的发光二极管数量及所需要的电流强度，实现对扫描目标的全方位、无影光源补偿。
所述嵌入式主控模块中，集成了三方向加速度传感器，该传感器在用户手持扫描仪围绕被测物体移动时记录扫描仪的三个方向的实时加速度，并通过两次积分后得到三个方向的位移，从而获得扫描仪的运动轨迹；通过获得扫描仪运动轨迹的可以对标记点的拓扑结构进行校验。
所述电源管理模块中，使用分级供电架构，所述的分级供电架构是将手持式3D激光扫描数据采集子***、便携式3D数据在线处理显示及控制子***的各功能部件按照能量消耗需求大小分成三个等级：多线激光测量模块与背景光源补偿模块为A级、嵌入式主控模块与多目图像数据采集模块为B级，其它模块为C级；根据上述能耗分级需求配置相应的电源调理模块，实现对***各功能模块的按需供电。
所述便携式3D数据在线处理显示及控制子***中，采用如下方法对所采集的目标轮廓数据进行在线处理：①分别对多目图像数据采集模块获得的三幅图像进行整体边缘检测，获取标记点和激光的边缘信息；②对标记点的边缘进行椭圆拟合，获取标记点在该图像上的圆心；根据三个摄像头事先标定的结果和对极线原理，确定每幅图像中的椭圆在另外两幅图中的相应标记点的椭圆，最后计算得出该标记点圆心的空间坐标；③对当前获得的多个标记点圆心位置的拓扑结构，在先前标记点拓扑结构库中进行匹配，根据匹配结果获取当前坐标系Oa相对于先前标记点库中匹配上的拓扑结构的坐标系O的旋转矩阵R和平移矩阵T；④由于每个激光都与一个摄像头配对，并在事先已经过标定，因此边缘检测后获得的激光可直接得到该条激光轮廓在该摄像头坐标系下的位置坐标，摄像头A、B、C的坐标系分别为Oa、Ob和Oc，摄像头B和C的激光轮廓坐标需经坐标系矩阵转换成摄像头A的坐标系Oa下的坐标；⑤对获得的激光轮廓上点的坐标进行去噪后加入检测结果库中，并添加到先前测量点形成的三角网格结构中，并进行显示。
本发明的有益效果主要表现在：1)便携分体式三级构架，各模块之间通过无线通信进行数据传输，操作灵活，测量范围大；2)在现场采集端设置在线处理功能，能够为用户提供快速服务，满足用户的个性即时需求；3)三目摄像与三束激光相结合的定位与采集方法，可实现对目标物体的快速定位与准确测量；4)自适应背景光源补偿，保证稳定的测量光源环境；5)分级电源管理，保证***工作的稳定性；6)改进的无线网传输协议，保证数据传输的实时性与鲁棒性；7)改进的轮廓数据处理算法，可实现对扫描目标轮廓数据的深度后处理功能，并生成不同规格的三维网格文件。
附图说明
图1是无线手持3D激光扫描***的构架示意图；
图2是扫描流程示意图；
图3是在线轮廓处理算法流程图；
图4是扫描标识过程示意图；
图5是激光定位测距示意图；
图6是嵌入式控制***构架示意图；
图7是***总线与存储构架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种无线手持3D激光扫描***，采用便携分体式三级构架，如附图1所示，实现对扫描目标的3D轮廓数据的实时采集，手持端实时处理、显示与在线控制，无线传输与深度后处理。
便携式三级分体式构架可提高***操作的灵活性与测量视角范围，包括手持式3D激光扫描数据采集子***(Portable Three-dimensional Laser-scanningData-collection Sub-system,PTLDS)、便携式3D数据在线处理显示及控制子***(Portable Three-dimensional On-line Processing-control Sub-system,PTOPS)与便携式3D数据服务端存储与分析子***(Portable Three-dimensional Server-endSave-analysis Sub-system,PTS3)。
PTLDS实现对扫描目标的3D轮廓数据实时采集，由多目图像数据采集模块(Multi-channel Image Data Collection Module,MIDCM)、多线激光测量模块(Multi-line Laser Measurement Module,MLM2)、背景光源补偿模块(BackgroundOptic-source Compensation Module,BOCM)组成，如附图1所示。其中，MIDCM包含三个摄像头101(摄像头A、摄像头B、摄像头C)，其具体型号为：DMK23G274。三个摄像头呈等边三角形放置，相互间构成相同的空间角度；MLM2包含三个线状激光器102，其具体型号为：DR-LZ-L100，三个线状激光器也呈等边三角形放置，其射出的激光面相互间所成的三个平面空间角度相同。BOCM为弧面发光二极管阵列，采用自适应控制方法实现对扫描目标的自动、无影光源补偿。
PTOPS实现对扫描目标3D轮廓数据的在线处理、传输、显示，由嵌入式主控模块(Embedded Main Control Module,EMCM)、第一高速无线网络通信模块A(High-speed Wireless Communication Module A,HWCM-A)、人机接口模块(Human Computer Interface Module,HCIM)、数据存储模块(Data Storage Module,DSM)与电源管理模块(Power Management Module,PM2)构成，如附图1所示。其中，EMCM采用嵌入式两级微处理器架构(Embedded Dual-MPU)，实现对数据采集、A/D转换、预处理、在线分析、无线通信、数据存储等功能的管理与控制；HWCM-A采用实时流媒体传输方法(Real-time Stream Transmission Method,RSTM)，实现扫描目标3D曲面数据的实时传输与在线更新；HCIM为面向激光3D扫描所定制的薄膜晶体管显示屏，其具体型号为：05ELCD15105，支持嵌入式轻型图形用户界面(Embedded Lightweight Graphic User Interface,EL-GUI)，负责向用户提供友好的可视化信息与服务接口，并提供触摸按键，实现对扫描过程及显示的控制；DSM采用嵌入式海量存储技术实现扫描目标3D轮廓数据的现场级存储；PM2由电源控制器与锂电池组组成，其具体型号为：3S1P11.1V2200mAh25C，为本发明所涉及功能装置提供电力。
PTS3实现对便携式3D数据在线处理子***上传数据的存储管理与深度后处理，并将后处理结果根据用户要求实时传送至PTOPS。PTS3主要包括3D轮廓数据存储与管理模块(Three-dimensional Shape Storage-management Module,TS2M)、3D轮廓深度后处理模块(Three-dimensional Shape Deep-processing Module,TSDM)、第二高速无线网络通信模块B(High-speed Wireless CommunicationModule B,HWCM-B),如附图1所示。其中，TS2M为面向激光3D扫描的主题数据库(Subject Data Base,SDB)，实现扫描目标轮廓数据的存储、分类、查询与更新等功能。TSDM采用三维坐标转换与图像压缩插补技术，实现对扫描目标轮廓数据的深度优化、像素补偿、亮度/色度调整等后处理功能，并生成不同规格的三维网格文件。HWCM-B采用无线吉比特网络通信(Wireless G-Bit NetworkCommunication,WGNC)技术，接收至少一个PTOPS上传的扫描目标轮廓源数据，并将PTS3处理后的数据文件下达至PTOPS。
上述***架构与连接关系为：PTLDS与PTOPS相连，二者为一一对应关系，并安装在同一支撑框架内，构成可独立完成3D轮廓扫描的便携式亚***(PortableSecondary Function System,PSFS)，如附图1所示；PTOPS与PTS3相连；PTS3可以和至少一个、至多8个PTOPS相连；多个PTOPS可同时扫描同一个大型物件，由PTS3进行整合拼接，扩大***的可操作量程，提高扫描的效率。如前所述，PSFS由PTLDS与PTOPS构成，可脱离PTS3，独立进行扫描作业，提高***的工作灵活性与柔性；PTLDS采集扫描目标的轮廓数据上传至PTOPS***，PTOPS完成信号预处理、在线图形分析与计算等功能，并通过HCIM向用户呈现初步的扫描结果。
本发明所涉及无线手持3D激光扫描***，其测量步骤与标识过程可描述如下：
***的测量流程如附图2所示：通过BOCM提供稳定、合适的可视光照条件，在捕捉到贴有标记点的被测物体表面的时刻，启动MLM2发射三束线状激光，并同步启动MIDCM的三个摄像头采集被测目标图像；在此基础上，PTOPS将采集的图像数据进行在线预处理、存储与显示，并通过HWCM-A上传至PTS3；基于上述操作，PTS3完成目标轮廓数据的离线深度处理与优化，并根据用户需求，通过HWCM-B下达至PTOPS。
3D激光扫描过程中，对被测目标进行标识是必要工作。本发明采用如下方法(见附图3)对MIDCM检测到的扫描目标表面的三条激光束进行标识：①采用不同颜色对***所发射的激光进行区别与标识；②为避免光线混叠，三条激光交替触发、发射，某一时刻只出现一条激光光束；③排布好三条激光的位置，使得每个摄像头检测到的三条激光中有两条是在图像的固定位置而被排除，只检测剩余的那条激光来获得被测物体的空间点云数据。
如附图3所示，目标轮廓数据进行在线处理流程可描述如下：
①分别对MIDCM获得的三幅图像进行整体边缘检测，获取标记点和激光的边缘信息。
②对标记点的边缘进行椭圆拟合，获取标记点在该图像上的圆心。根据三个摄像头事先标定的结果和对极线原理，确定每幅图像中的椭圆在另外两幅图中的相应标记点的椭圆，最后计算得出该标记点圆心的空间坐标。
③对当前获得的多个标记点圆心位置的拓扑结构，在先前标记点拓扑结构库中进行匹配。根据匹配结果获取当前坐标系Oa相对于先前标记点库中匹配上的拓扑结构的坐标系O的旋转矩阵R和平移矩阵T。
④由于每个激光都与一个摄像头配对，并在事先已经过标定，因此边缘检测后获得的激光可直接得到该条激光轮廓在该摄像头坐标系下的位置坐标(摄像头A、B、C的坐标系分别为Oa、Ob和Oc)，摄像头B和C的激光轮廓坐标需经坐标系矩阵转换成摄像头A的坐标系Oa下的坐标。
⑤对获得的激光轮廓上点的坐标进行去噪后加入检测结果库中，并添加到先前测量点形成的三角网格结构中，并进行显示。
本实施例的具体功能结构如下：
①MIDCM
采用投影三条不同角度的线状激光到物体表面的方式，每个摄像头检测一条配对激光，从三个不同角度扫描目标物体表面，最大限度的减少扫描时留下的阴影。
如附图4所示，三个摄像头中，摄像头A为高精度摄像头，用于测量前的预测量。所述的预检测是指在正式扫描前，用摄像头A来对已贴标记点的被测物体进行摄影测量，在每幅摄影测量的照片视野中放置已知参数的“T”型标准杆，用于计算标记点的空间位置。***在对所有预测量的标记点进行拼接后便得到一个完整的高精度标记点库。正式扫描时将检测到的标记点拓扑结构与该高精度标记点库进行拟合，从而消除传统方法直接边扫描边添加标记点而参数的累积误差。
②MLM2
如附图5所示，三束线状激光所发射出的激光平面相互成相同的空间角度，角度的大小应满足其形成互成60°的“三角阵列”型投影的平面正好位于扫描器的景深范围的靠近摄像头的1/3处，可解决手持扫描仪与被测物体的最佳距离无法实时保持的问题，并使用户在手持扫描仪扫描的时候可以时刻与被测物体保持最佳的距离。
③BOCM
采用小尺寸、高密度、高亮度发光二极管粘接在凹弧面板上，二极管的功耗为5W，具体型号为：HXGD-DZ，光源的亮度通过自适应亮度调控装置进行在线调整。
上述方案所涉及的自适应亮度调控装置通过三个感光传感器感知扫描目标左、中、右三处的光照强度，结合摄像头所拍摄的图像中的标记点的亮度来调节高亮LED的亮度，进而通过遗传查表算法控制所点亮的发光二极管数量及所需要的电流强度，实现对扫描目标的全方位、无影光源补偿。
④EMCM
如附图6所示，EMCM集成了三方向加速度传感器，该传感器为超低功耗电容式微机械加速度传感器芯片MMA7361L，其集成信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、自由落体检测等功能；可以在用户手持扫描仪围绕被测物体移动时记录扫描仪的三个方向的实时加速度，并通过两次积分后得到三个方向的位移，从而获得扫描仪的运动轨迹。由于扫描仪在扫描过程中是将拍摄到的图案中的标记点的拓扑结构与之前扫描得到的标记点拓扑结构库进行对比，来判断该新拍摄图案中的标记点是否是新的标记点还是之前已经扫描过的标记点。由于对标记点的识别直接决定了激光扫描的位置空间坐标，因此通过获得扫描仪运动轨迹的可以对标记点的拓扑结构进行校验，以减少因标记点的错误匹配而导致产生错误的测量点。
EMCM采用先进精简指令机(Advanced RISC Machine,ARM)与现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)两级嵌入式***架构，其具体型号分别为：S3C6410、EP4CE6E22C8N；FPGA完成信号预处理、数字滤波、区域轮廓识别等工作。ARM支持嵌入式文件***，将采集的目标轮廓区域进行灰度插补、图像增强等处理后再进行模式匹配、得到各个孤立的区域平面坐标后调用空间矩阵变换算法获得各个激光点的三维坐标值，完成数据存储、在线优化、参数设置等3D扫描事务控制与管理并通过人机接口模块向用户展示结果。
上述过程所涉及的数据采集采用压缩感知方法(Compressive Sensing,CS)获取扫描目标的轮廓数据，并在满足扫描精度要求的范围内进行稀疏化处理，从而有效提高数据采集的实时性与工作效率，为后续处理提供时间裕度；预处理过程采用无限冲击响应的双线性变换法(Infinite Impulse Response Bilinear Transform,IIR-BT)剔除数据采集过程中所掺杂的尖峰噪声信号，从而使得后续处理计算的数据稳定性得到改善。
⑤HWCM-A
将经过在线处理操作的目标轮廓数据通过无线相容以太网协议与改进的RSTM上传至PTS3，同时利用RSTM的双向传输功能实现现场端轮廓数据的更新。
上述过程所涉及的改进的RSTM是根据数据量、轮廓形貌细节要求、当前干扰强度、传输精度要求交替使用顺序流与实时流的方法进行数据传输，使数据传输的速度与精度得到保证。
⑥HCIM
HCIM采用面向3D轮廓扫描定制的小尺寸振动波薄膜晶体管显示屏；其中，小尺寸振动波薄膜晶体管显示屏安装在PTOPS的最上端，由触摸屏、振动波发生器、反射器和振动波接受器等构件组成，其中振动波发生器能发送一种高频振动波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的振动波即被阻止，由此确定坐标位置。
HCIM支持基于嵌入式Qt图形工具库的EL-GUI，采用Tab选单方式向用户提供3D扫描过程所涉及的图形化用户接口。上述过程所涉及的图形用户界面支持精简版汉字字库，可在Windows-CE、安卓等嵌入式操作***间进行无缝移植，跨平台性能较好。
⑦DSM
DSM采用改进的哈佛架构对程序与数据进行分别存储与调用。上述方案所涉及的改进的哈佛架构包括静态存储器、NAND闪存与NOR闪存，如附图7所示。静态存储器为现代公司的512M的SDRAM，型号为HY5DU121622CTP，用于暂时存储采集的3D轮廓数据，以满足扫描***实时性的要求，NAND闪存为现代公司的4Gbit的NAND Flash，其型号为：H27U4G8_6F2D，用来存储经过预处理后的轮廓数据，NOR闪存为SST公司的64Mbit的NORFlash，其型号为：SST39VF6401，用来存储便携式3D数据在线处理显示及控制子***的应用软件代码。
视频信号进入FPGA后利用其硬件算法对数据进行信号预处理，由于***采集的数据量很大，如果预处理在ARM上用软件算法进行运算会占用大量的CPU资源，并且产生丢帧错帧等现象，而利用FPGA硬件编程的方式，可以用极小的时间代价过滤视频流，并向ARM芯片输出已经经过区域联通判断的区域轮廓数据。ARM将得到的区域轮廓数据进行灰模式匹配和矩阵坐标转换等深度运算，最后获得激光点的三维坐标。ARM上运行的代码存储于NOR FLASH上，其计算结果的三维坐标数据存储于NAND FLASH上，这两种FLASH芯片以及SDRAM芯片通过32位的数据总线与CPU进行交互，CPU利用实时的同步串行SPI总线与***设备控制电路进行通信。
⑧PM2
PM2使用分级供电架构对***的各功能部件进行分别供电，提高供电的效率与稳定性，并减小采集过程中的共地干扰。
上述方案所涉及的分级供电架构是将PTLDS、PTOPS的各功能部件按照能量消耗需求大小分成三个等级：MLM2与BOCM为A级、EMCM与MIDCM为B级，其它模块为C级。根据上述能耗分级需求，配置相应的电源调理模块，实现对***各功能模块的按需供电。
⑨TS2M
基于结构化查询语言(Structured Query Language,SQL)与考虑优先级的实时记录查询算法建立面向激光3D扫描的SDB。
上述方案所涉及的考虑优先级的实时记录查询算法将轮廓数据引导字段上的优先级表达式与可直接查询字段上的查询表达式取交集，从而大大减少可查询的访问范围，节省了由全局遍历引起的时间开销，提高了查询过程的实时性；SDB符合数据库3NF架构，用以存储各类3D扫描素材数据与处理过的3D轮廓数据，通过功能接口实现对数据记录的查询、追加、删除、优化等操作。
⑩TSDM
TSDM采用三维坐标实时转换与改进的图像压缩插补技术，实现对扫描目标轮廓数据的边缘增强处理、像素补偿、亮度/色度调整等后处理功能，并生成不同规格的三维网格文件。
上述方案所涉及的三维坐标实时转换是指根据标记点提供的信息，实现从拉格朗日坐标到欧拉坐标系的自动转换，按需改变参照目标，从而使得后续算法的计算效率得到保证；改进的图像压缩插补技术通过离散小波变换的金字塔算法对3D轮廓数据进行压缩，在此基础上通过五次多项式插补算法实现对轮廓线的精确预测与数据填充；边缘增强数理是一种改进的图像边缘增强与锐化方法，采用高通滤波让高频分量顺利通过，并适当抑制中低频分量，在此基础上通过空域微分法对所处理的数据进行梯度优化，进而得到较清晰的3D轮廓细节数据；三维网格文件符合一般的有限元文件框架，支持四面体、六面体单元，并提供优先范围的局部尺度加密功能。
⑾HWCM-B
HWCM-B采用改进的WGNC技术，结合优先级队列缓冲方法，接收至少一个PTOPS上传的扫描目标轮廓源数据，并将PS3处理后的数据文件下达至PTOPS。
上述方案所涉及的改进的WGNC技术是根据本***传输距离较短(<2m)、干扰相对较小(<20dB)的工作特点，对IEEE-802.3协议的适配层进行简化，减少了相关可靠性传输判断过程，从而使得传输的效率得到有效提高；优先级队列缓冲方法是根据用户设置的优先级权值进行队列排序，从而实现多端资源竞争条件下的按需扫描数据传输。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实例。显然，本发明不限于以上实例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种无线手持3D激光扫描***，其特征在于：包括手持式3D激光扫描数据采集子***、便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***，所述手持式3D激光扫描数据采集子***与便携式3D数据在线处理显示及控制子***相连，二者为一一对应关系，并安装在同一支撑框架内，构成可独立完成3D轮廓扫描的便携式亚***；便携式3D数据在线处理显示及控制子***与便携式3D数据服务端存储与分析子***相连；
所述的手持式3D激光扫描数据采集子***包括多目图像数据采集模块和多线激光测量模块，所述的多目图像数据采集模块包含三个摄像头，三个摄像头呈等边三角形放置且相互间构成相同的空间角度；所述的多线激光测量模块包含三个线状激光器，三个线状激光器也呈等边三角形放置，所述线状激光器射出的激光面相互间所成的三个平面空间角度相同；
所述的便携式3D数据在线处理显示及控制子***包括第一高速无线网络通信模块、人机接口模块、数据存储模块、电源管理模块和用于实现对数据采集、A/D转换、预处理、在线分析、无线通信、数据存储的管理与控制的嵌入式主控模块，所述第一高速无线网络通信模块、人机接口模块、数据存储模块与电源管理模块均和嵌入式主控模块连接；
所述的便携式3D数据服务端存储与分析子***包括3D轮廓数据存储与管理模块、3D轮廓深度后处理模块和第二高速无线网络通信模块，所述的3D轮廓数据存储与管理模块为面向激光3D扫描的主题数据库，实现扫描目标轮廓数据的存储、分类、查询与更新，所述的3D轮廓深度后处理模块采用三维坐标转换与图像压缩插补技术，实现对扫描目标轮廓数据的深度优化、像素补偿、亮度/色度调整后处理，并生成不同规格的三维网格文件；所述的第二高速无线网络通信模 块与第一高速无线网络通信模块通信连接。
2.如权利要求1所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述便携式3D数据在线处理显示及控制子***中，所述的第一高速无线网络通信模块采用实时流媒体传输方法，实现扫描目标3D曲面数据的实时传输与在线更新；所述的人机接口模块为面向激光3D扫描所定制的薄膜晶体管显示屏，支持嵌入式轻型图形用户界面，负责向用户提供友好的可视化信息与服务接口，并提供触摸按键，实现对扫描过程及显示的控制；所述的数据存储模块采用嵌入式海量存储技术实现扫描目标3D轮廓数据的现场级存储；所述的电源管理模块由电源控制器与锂电池组组成。
3.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述的手持式3D激光扫描数据采集子***还包括多背景光源补偿模块，所述的背景光源补偿模块为弧面发光二极管阵列；通过背景光源补偿模块提供合适的可视光照条件，在捕捉到贴有标记点的被测物体表面的时刻，启动多线激光测量模块发射三束线状激光，并同步启动多目图像数据采集模块的三个摄像头采集目标图像。
4.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述多目图像数据采集模块中，扫描目标表面的三条激光束进行标识：①采用不同颜色对***所发射的激光进行区别与标识；②为避免光线混叠，三条激光交替触发、发射，某一时刻只出现一条激光光束；③排布好三条激光的位置，使得每个摄像头检测到的三条激光中有两条是在图像的固定位置而被排除，只检测剩余的那条激光来获得被测物体的空间点云数据；
采用投影三条不同角度的线状激光到物体表面的方式，每个摄像头检测一条配对激光，从三个不同角度扫描物体表面；三个摄像头分别为摄像头A、B、C，摄像头A为高精度摄像头，用于测量前的预测量，所述的预检测是指在正式扫描 前，用摄像头A来对已贴标记点的被测物体进行摄影测量，在每幅摄影测量的照片视野中放置已知参数的“T”型标准杆，用于计算标记点的空间位置；***在对所有预测量的标记点进行拼接后便得到一个完整的高精度标记点库；正式扫描时将检测到的标记点拓扑结构与该高精度标记点库进行拟合。
5.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述多线激光测量模块中，三束线状激光所发射出的激光平面相互成相同的空间角度，角度的大小应满足其形成互成60°的“三角阵列”型投影的平面正好位于扫描器的景深范围的靠近摄像头的1/3处。
6.如权利要求3所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：采用小尺寸、高密度、高亮度发光二极管粘接在凹弧面板上；光源的亮度通过自适应亮度调控装置进行在线调整；
所述的自适应亮度调控装置通过三个感光传感器感知扫描目标左、中、右三处的光照强度，进而通过遗传查表算法控制所点亮的发光二极管数量及所需要的电流强度，实现对扫描目标的全方位、无影光源补偿。
7.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述嵌入式主控模块中，集成了三方向加速度传感器，该传感器在用户手持扫描仪围绕被测物体移动时记录扫描仪的三个方向的实时加速度，并通过两次积分后得到三个方向的位移，从而获得扫描仪的运动轨迹；通过获得扫描仪运动轨迹的可以对标记点的拓扑结构进行校验。
8.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述电源管理模块中，使用分级供电架构，所述的分级供电架构是将手持式3D激光扫描数据采集子***、便携式3D数据在线处理显示及控制子***的各功能部件按照能量消耗需求大小分成三个等级：多线激光测量模块与背景光源补偿模块为A级、 嵌入式主控模块与多目图像数据采集模块为B级，其它模块为C级；根据上述能耗分级需求配置相应的电源调理模块，实现对***各功能模块的按需供电。
9.如权利要求1或2所述的无线手持3D激光扫描***，其特征在于：所述便携式3D数据在线处理显示及控制子***中，采用如下方法对所采集的目标轮廓数据进行在线处理：①分别对多目图像数据采集模块获得的三幅图像进行整体边缘检测，获取标记点和激光的边缘信息；②对标记点的边缘进行椭圆拟合，获取标记点在该图像上的圆心；根据三个摄像头事先标定的结果和对极线原理，确定每幅图像中的椭圆在另外两幅图中的相应标记点的椭圆，最后计算得出该标记点圆心的空间坐标；③对当前获得的多个标记点圆心位置的拓扑结构，在先前标记点拓扑结构库中进行匹配，根据匹配结果获取当前坐标系Oa相对于先前标记点库中匹配上的拓扑结构的坐标系O的旋转矩阵R和平移矩阵T；④由于每个激光都与一个摄像头配对，并在事先已经过标定，因此边缘检测后获得的激光可直接得到该条激光轮廓在该摄像头坐标系下的位置坐标，摄像头A、B、C的坐标系分别为Oa、Ob和Oc，摄像头B和C的激光轮廓坐标需经坐标系矩阵转换成摄像头A的坐标系Oa下的坐标；⑤对获得的激光轮廓上点的坐标进行去噪后加入检测结果库中，并添加到先前测量点形成的三角网格结构中，并进行显示。
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