CN105571513A - 一种基于线激光的三维数据获取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光的三维数据获取装置和方法，该装置包括双目相机单元、线激光扫描单元和嵌入式图像处理单元。该装置获取三维数据的过程：首先对双目相机进行立体标定，线激光扫描单元投射激光线，并在装置前方连续扫描，双目相机同时对某一位置的激光线条拍照，图像处理单元通过双目相机单元的内、外参数和三角测量原理，解算得到激光线条所处位置的三维数据，激光线条往复连续扫描，最终获得激光线扫描区域内的所有三维数据。本发明所述的装置和方法无需移动装置或被扫描物体，对旋转电机的旋转精度也无要求，具有成本低、精度高、***鲁棒性好等优点。

Description

一种基于线激光的三维数据获取装置和方法

技术领域

本发明涉及三维数据获取技术领域，尤其涉及一种基于线激光的三维数据获取装置和方法。

背景技术

目前，市场上获取三维数据的产品有激光扫描仪、立体相机、TOF(TimeofFlight)相机三大类。激光扫描仪只能获得激光线上点的三维坐标数据，需要移动激光扫描仪或被扫描物体，通过拼接才能获得被扫描空间内所有点的三维数据，拼接的精度直接依赖于运动的精度，对运动执行机构要求较高，整个***成本较高；立体相机通过两个或多个相机同时拍摄，通过不同视角图像匹配和三角测量原理，计算出空间内所有点的三维坐标数据，立体相机获得三维数据的精度完全依赖图像匹配的精度，而图像匹配的精度受光照、被测空间等因素影响较大，因此立体相机获取三维数据的精度无法保证；TOF相机的原理是计算发射光线和反射光线的时间差，得到相机与被测物体的距离，TOF相机的价格和精度介于激光扫描仪和立体相机之间，但是空间分辨率较低。总而言之，目前市场上还没有同时具备高精度、低价格、高空间分辨率的三维数据获取产品。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于线激光的三维数据获取装置和方法，结合激光扫描仪和立体视觉的优点，提供一种具备高精度、成本低、空间分辨率高的三维数据获取解决方案。

本发明提出的一种基于线激光的三维数据获取装置，包括：

线激光扫描单元，由线激光发生器、多棱反射镜、旋转机构组成。线激光发生器产生一束线激光投射到多棱反射镜的反射镜面上，反射镜面将线激光反射到装置前方，多棱反射镜安装在旋转机构上，并由旋转电机带动作旋转运动，随着电机旋转，线激光在装置前方作连续扫描运动，扫描区域的视场角为360*2/反射镜棱数，因此多棱反射镜至少为四棱镜，保证线激光能在装置前方小于180度视场角区域内重复、连续扫描；

双目相机单元，由两个相机和滤光片组成，两个相机分别位于装置两端，且相互夹角可微调，线激光扫描单元置于两相机中间，微调两相机之间的夹角，使得扫描区域内的激光线均可同时在两个相机内成像。每个相机均装有窄带滤光片，其允许通过光波的中心频率与激光发生器产生的激光频率相同，同时调整相机的曝光参数，使得相机只获取激光线条的图像，滤除环境光线和被扫描物体对激光线条图像的影响。

嵌入式处理单元，由相机数据采集模块、图像数据处理模块以及数据交互模块组成。相机数据采集模块同时向两个相机发出同步采集脉冲，两个相机同时成像并将图像同时传送给数据采集模块；数据采集模块将采集到的两幅图像送给图像数据处理模块，图像数据处理模块由嵌入式处理器DSP和FPGA组合构成，图像的像素点匹配计算量非常大，由FPGA硬件并行实现，得到像素点匹配对后，DSP根据两个相机内、外参数和三角测量原理解算出该像素点的三维坐标；数据交互模块具备多种控制与数据传输接口，用于将获得的三维数据传输给其他设备或接受其他设备的控制指令。

本发明还提出了一种基于线激光的三维数据获取方法，包括以下步骤：

步骤1：对双目相机参数进行标定，具体包括每个相机的内参数以及两个相机之间结构参数的标定；

步骤2：双目相机同时获取带有激光线的立体图像对；

步骤3：对立体图像对进行校正，具体校正过程包括每幅图像自身的畸变校正和图像对之间的极线校正，极线校正使得图像对之间的匹配点只存在于同一行像素点之间；

步骤4：获得立体图像对之间对应点的匹配关系；

步骤5：根据三角测量原理计算得到对应点的三维信息。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种基于线激光的三维数据获取装置和方法，采用了线激光作为图像匹配的结构光，具有与激光扫描仪相同的高精度，同时使用双目视觉***，装置或被扫描物体不再需要高精度的运动扫描装置，大大降低***成本。

2、本发明提供的一种基于线激光的三维数据获取装置和方法，使用基于DSP和FPGA嵌入式处理器作为图像处理单元，不仅具有体积小、功耗低等优点，而且使用FPGA硬件实现计算量非常大的像素点匹配，使得本装置在获得高空间分辨率的三维数据的同时，具备非常好的实时性。

因此，本发明提供的一种基于线激光的三维数据获取装置和方法，具有高精度、高分辨率、高实时性、成本低的优点。

附图说明

图1一种基于线激光的三维数据获取装置的整体结构示意图；

图2一种基于线激光的三维数据获取方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，该装置包括：

线激光扫描单元，由线激光发生器3、线激光安装支架4、六棱镜6、六棱镜安装件5和旋转电机10组成。线激光发生器通过安装支架安装在壳体11上，其安装位置可作平移和旋转微调。本实例中多棱镜采用六棱镜，因此线激光扫描区域的视场角为120度。六棱镜通过安装组件安装在旋转电机上，并由电机带动旋转，本实例中旋转电机采用微型直流电机。微调激光发生器与六棱镜的距离和角度，使得线激光可在装置前方120度视场角范围内重复、连续扫描。

双目相机单元，由安装支架1、相机2、相机7、安装支架8组成。相机2和相机7分别通过各自的安装支架安装在装置的两侧，且两个相机的夹角可微调。线激光扫描单元位于中间，因此投射的扫描激光线区域位于两相机中间区域，调整两个相机的夹角朝向，使得扫描区域内的激光线可同时在两个相机内成像。两个相机均带有窄带滤光片，本实例中采用允许通过光波波长为830正负10nm的窄带滤光片，线激光发生器投射的线激光的波长为830nm，调整两个相机的曝光参数，使得两相机只对视野内的激光线成像，滤除环境光和被扫描物体对图像的影响。双目相机将获得的两幅激光线图像同时传输给嵌入式图像处理单元。

图像嵌入式处理单元9，包括图像采集控制模块、图像处理模块、数据交互模块，这些模块焊接在电路板上并安装在外壳11上。图像采集与控制模块采用IIC(Inter-IntegratedCircuit)接口控制两个相机成像参数；通过脉冲接口同时向两个相机发出同步采集脉冲，保证两个相机同时成像；通过LVDS(Low-VoltageDifferentialSignaling)接口同时接收两个相机发出的图像数据，并传送给图像处理模块。图像处理模块采用基于DSP和FPGA处理单元处理图像数据，DSP处理器采用TI公司的TMS320DM6437，主频可达700MHz，处理能力可达4800MIPS，同时外扩2GbitDDR2SDRAM，128Mb程序FLASH；FPGA模块采用CycloneIVEP4CE115，具备115K片上LE，4Mb片上RAM，266个18*18bit乘法器，4个PLL，同时外扩1GbitDDR2SDRAM，FPGA的程序存储FLASH采用64Mb的EPCS64。本实例中，利用FPGA硬件实现计算量非常大的像素点匹配计算，提高***实时性。数据交互模块包括RS232/485接口、CAN总线接口、以太网接口，用于将获得的三维数据传送给其他设备或接受其他设备的控制命令。

本实施例所公开的一种基于线激光的三维数据获取方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：对双目相机参数进行标定，具体包括每个相机的内参数以及两个相机之间结构参数的标定；

步骤2：双目相机同时获取带有激光线的立体图像对；

步骤3：对立体图像对进行校正，具体校正过程包括每幅图像自身的畸变校正和图像对之间的极线校正，极线校正使得图像对之间的匹配点只存在于同一行像素点之间；

步骤4：获得立体图像对之间对应点的匹配关系；

步骤5：根据三角测量原理计算得到对应点的三维信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于线激光的三维数据获取装置，其特征在于包括：

线激光扫描单元，包括线激光发生器、多棱反射镜和旋转电机，线激光发生器将线激光投射到多棱反射镜上，旋转电机带动多棱反射镜旋转，产生连续、重复扫描的激光线；

双目相机单元，由两个可调夹角的相机组成，同时拍摄视野内的激光线，分别获取各自拍摄到的某一位置的激光线图像，并将图像传送给嵌入式图像处理单元；

嵌入式图像处理单元，包括嵌入式处理器ARM(AdvancedRISCMachines)、DSP(DigitalSignalProcessing)或FPGA(FieldProgrammableGateArray)和数据接口；嵌入式图像处理器利用双目相机的内部和外部参数以及三角测量原理，解算得到激光线上各点三维坐标数据，随着激光线的连续扫描，最终得到扫描区域内所有点的三维数据；数据接口提供与其他设备的数据通讯接口，用于将获得的三维数据传输出去或获取外部设备的控制命令。

2.如权利要求1所述的基于线激光的三维数据获取装置，其特征在于，所述双目相机分别置于装置两端，线激光扫描单元置于装置中间，微调双目相机的夹角，使得扫描区域内的激光线均能同时在两个相机中成像。

3.如权利要求1所述的基于线激光的三维数据获取装置，其特征在于，所述双目相机均安装有窄带滤波片，其中心频率与激光发生器产生的激光频率相同，保证相机只获得激光线的图像，滤除其他光线的干扰。

4.如权利要求1所述的基于线激光的三维数据获取装置，其特征在于，所述多棱反射镜的棱数最少为四棱。

5.如权利要求1所述的基于线激光的三维数据获取装置，其特征在于，所述嵌入式处理器为ARM、DSP或FPGA处理器中的一种或多种组合。

6.一种基于线激光的三维数据获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对双目相机参数进行标定，具体包括每个相机的内参数以及两个相机之间结构参数的标定；

步骤2：双目相机同时获取带有激光线的立体图像对；

步骤3：对立体图像对进行校正，具体校正过程包括每幅图像自身的畸变校正和图像对之间的极线校正，极线校正使得图像对之间的匹配点只存在于同一行像素点之间；

步骤4：获得立体图像对之间对应点的匹配关系；

步骤5：根据三角测量原理计算得到对应点的三维信息。