CN111833392A - 标记点多角度扫描方法、***及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种标记点多角度扫描方法、***及装置，其中，方法包括：获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对标记点数据进行重建，根据重建得到的标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至标记点平面，计算落入各角度区域中的次数；实时统计落入每个角度区域中的次数，在次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；在扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到全局最优解作为扫描结果输出。本发明能够提高整体标记点拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领域。

Description

标记点多角度扫描方法、***及装置
技术领域
本发明涉及三维扫描仪技术领域，尤其涉及一种标记点多角度扫描方法、***及装置。
背景技术
随着计算机技术、自动化技术以及图像处理技术的进步，基于结构光立体视觉的三维扫描和测量技术迅速地发展起来。结构光立体视觉的基本原理是，利用结构光投影获得被测物体轮廓图像，基于双目视觉原理，经图像匹配后获得物体的局部三维信息，再通过点云拼接和重构获得物体的整体三维模型。结构光三维扫描测量具有速度快、精度高、使用方便的优点，近年来，各类结构光三维扫描测量设备，特别是手持式三维扫描仪发展迅速，并越来越广泛地于机械、汽车、航空、医疗以及文物等行业。
手持式激光三维扫描仪通常包括至少一个激光投影器、至少两个相机以及用于进行三维数字图像处理的计算单元。激光投射到物体表面，两个相机捕捉激光线条并通过对极线原理获得物体的三维数据，再基于特征点进行数据拼接，实现三维扫描和测量功能。手持式激光三维扫描仪具有携带方便、使用自由、精度较高的优点，适用于工业测量领域。
标记点是在手持式激光三维扫描中辅助点云拼接最有效的一种手段，可以极大地提高扫描中点云拼接的效率。通过重建的标记点，可以快速得到连续两帧匹配标记点的转换关系，从而把连续两帧重建的点云通过标记点连续两帧匹配关系拼接转换关系进行拼接。所以标记点重建的精度直接影响标记点匹配转换关系的计算，从而影响重建点云的拼接精度，最终影响整体三维重建模型的精度。
目前标记点的扫描，在单个角度或少量角度扫描情况下，随着扫描的进行，会使扫描的拼接累计误差不断增加，导致最终的扫描结果精度很低，不适用于工业领域。
发明内容
本发明提供的标记点多角度扫描方法、***及装置，其主要目的在于提高整体标记点的拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种标记点多角度扫描方法，包括以下步骤；
获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对所述标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；
根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；
在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至所述标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数；实时统计落入每个角度区域中的次数，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；
在不同视角扫描完成后，将所述标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
作为一种可实施方式，所述根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域，包括以下步骤；
根据所述标记点重建数据中的标记点坐标和标记点向量建立标记点平面方程以确定标记点平面，将标记点平面的法线作为主轴将标记点平面分割成至少两个角度区域。
作为一种可实施方式，所述角度区域的数量为四个。
作为一种可实施方式，本发明提供的所述的标记点多角度扫描方法，还包括以下步骤；
在计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数后，为每个角度区域中标记点的不同点量配置相应的颜色，及每个角度区域标记点的终止点量配置对应的终止颜色。
作为一种可实施方式，所述实时统计落入每个角度区域中的次数，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描，包括以下步骤；
实时统计多角度划分中每个角度区域的次数变化，随着落入每个角度区域的次数变化，将相应的颜色在对应的角度区域的标识点中进行标识，并在以终止颜色标识角度区域的标识点中时，完成扫描。
作为一种可实施方式，所述将所述标记点重建数据进行数据结构转换，包括以下步骤；
利用动态非满八叉树将所述标记点重建数据进行存储。
作为一种可实施方式，所述光束平差法进行全局优化的公式为
Figure BDA0002029453510000021
式中，k为三维空间点个数；n为k个点的成像平面个数；mij表示第i个三维点在第j个成像平面对应的特征点坐标；vij表示点i在成像平面j上是否有投影；Pj表示每个成像平面对应的外参数向量；Mi表示每个三维点的坐标向量；Q(Pj,Mi)是重投影函数，将三维点Mi映射到成像平面；d(x,y)为距离度量函数。
相应的，本发明还提供一种标记点多角度扫描***，包括重建模块、分割模块、统计模块以及优化模块；
所述重建模块，用于获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对所述标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；
所述分割模块，用于根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；
所述统计模块，用于在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至所述标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数；实时统计每个角度区域中的次数变化，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；
所述优化模块，用于在不同视角扫描完成后，将所述标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
相应的，本发明还提供一种标记点多角度扫描装置，包括处理器和存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1～6任一项所述的标记点多角度扫描方法。
作为一种可实施方式，本发明提供的所述的标记点多角度扫描装置，还包括扫描仪；
所述处理器与所述扫描仪电连接；
所述扫描仪至少包括两个相机；所述扫描仪自带光源，能够同时照亮所述被扫描标记点。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明提供的标记点多角度扫描方法、***及装置，以标记点重建数据建立标记点平面，并分割标记点平面得到至少两个角度区域，以多个角度区域识别不同角度的扫描，降低应用难度；且在扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出；从而提高整体标记点拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领域。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的标记点多角度扫描方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一中的标记点多角度扫描的布局示意图；
图3为本发明实施例一中标记点多角度扫描的颜色标识示意图；
图4为本发明实施例一中标记点平面分割的示意图；
图5为本发明实施例四提供的标记点多角度扫描***的结构示意图。
图中：1、图像获取装置；2、被扫描标记点；3、角度区域；100、重建模块；200、分割模块；300、统计模块；400、优化模块。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
请参阅图1、图2以及图3，本发明实施例一提供的标记点多角度扫描方法，包括以下步骤；
S100、获取被扫描标记点2在不同视角下的标记点数据，并对标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；
S200、根据标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域3；
S300、在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域3中的次数；实时统计落入每个角度区域3中的次数，在每个角度区域3中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；
S400、在不同视角扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
需要说明的是，控制扫描仪的图像获取装置1获取标记点数据，图像获取装置1是扫描仪的一部分，图像获取装置1包括至少两个相机同步扫描，通过对极线原理控制至少两个相机同步扫描。相机的数量至少为两个，也可以为三个、四个或者更多。在工作时，这些相机均进行同步扫描。也就是说可以利用两个相机同步扫描获得标记点数据。标记点数据包括不限于：标记点中心点坐标、标记点法向、标记点半径以及标记点在两相机图像中椭圆的编号等。在二维图像中可以利用图像中像素边缘梯度亚像素提取法提取标记点边缘，并利用椭圆拟合方法得出标记点中心的图像位置，得到两幅图像中各自识别出的标记点的二维坐标后，根据对极线原理重建出当前摄像头共同视野下的标记点的三维坐标以及向量。
于本实施例中，可以利用数据重建工具对标记点数据进行重建，得到标记点重建数据。标记点重建数据可以包括标记点坐标和标记点向量。再根据标记点坐标和标记点向量确定的标记点平面，并对标记点平面分割成至少两个角度区域3。分不同角度区域3来对整个扫描过程和结果进行独立计算，以降低扫描计算的总的累计误差。且能够在后续标识中分不同角度区域3来分别用户理解和应用。比如，在某个区域中，扫描仪仪器的中心落入各角度区域3中的次数到达预设阈值时，表明该区域的扫描已经完成，那么只需要对其他区域进行重点扫描即可。扫描仪仪器的中心可以为扫描仪在自身坐标系下的中心。
在不同视角扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，转换成特定的数据结构，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化。可以利用动态非满八叉树将标记点重建数据进行存储，将标记点重建数据转化为八叉树的数据结构。于本实施例中，数据结构可以为struct MKTP，具体的转换可以利用程序实现，比如：
Figure BDA0002029453510000051
从多角度扫描标记点，为每个标记点增加了多组条件约束，利用光束平差法最后对已扫描完成的标记点进行全局优化，从而提高整体标记点的拼接精度，以提高后续三维扫描点云的重建精度，使得扫描更好地应用于工业测量领域。
本发明提供的标记点多角度扫描方法、***及装置，以标记点重建数据建立标记点平面，并分割标记点平面得到至少两个角度区域3，以多个角度区域3识别不同角度的扫描，降低应用难度；且在扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出；从而提高整体标记点拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领域。
进一步的，光束平差法进行全局优化的公式为
Figure BDA0002029453510000061
式中，k为三维空间点个数；n为k个点的成像平面个数；mij表示第i个三维点在第j个成像平面对应的特征点坐标；vij表示点i在成像平面j上是否有投影；Pj表示每个成像平面对应的外参数向量；Mi表示每个三维点的坐标向量；Q(Pj,Mi)是重投影函数，将三维点Mi映射到成像平面；d(x,y)为距离度量函数，一般为欧式距离函数。
进一步的，步骤S200包括以下步骤；
根据标记点重建数据中的标记点坐标和标记点向量建立标记点平面方程以确定标记点平面，将标记点平面的法线作为主轴将标记点平面分割成至少两个角度区域3。
于本实施例中，标记点坐标可以为(Px，Py，Pz)。标记点向量可以为(Nx，Ny，Nz)。那么根据标记点重建数据中的标记点坐标和标记点向量建立的标记点平面方程即为Nx(X-Px)+Ny(Y-Py)+Nz(Z-Pz)＝0。依据该标记点平面方程即可确定标记点平面；且将标记点平面的法线作为主轴将标记点平面分割成至少两个角度区域3；角度区域3的数量可以两个、三个、四个以及其他数量。于其他实施例中，角度区域3的数量为四个。
为了便于用户的使用和理解，本发明实施例二提供的标记点多角度扫描方法，在实施例一的基础上，还包括以下步骤；
在计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域3中的次数后，为每个角度区域3中标记点的不同点量配置相应的颜色，及每个角度区域3标记点的终止点量配置对应的终止颜色。
那么相应的，步骤S400包括以下步骤；
实时统计多角度划分中每个角度区域3的次数变化，随着落入每个角度区域3的次数变化，将相应的颜色在对应的角度区域3的标识点中进行标识，并在以终止颜色标识角度区域3的标识点中时，完成扫描。
可以随着的落入次数总数的增多，对应配置的颜色可以从浅色往深色；且配置特定的颜色为终止颜色。用户只需要观察颜色即可知道是否完成扫描，颜色越深代表约靠近扫描完成；而看到划分的某角度区域3标记点显示终止颜色时，即为该划分的角度区域3扫描完成。当然，也可以是只设置终止颜色，对扫描过程中点量变化的颜色不进行配置，比如配置黑色为终止颜色，当显示黑色时，即为扫描完成如图4所示。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种标记点多角度扫描***，该***的实施可参照上述方法的过程实现，重复之处不再冗述。
如图5所示，是本发明实施例三提供的标记点多角度扫描***的结构示意图，包括重建模块100、分割模块200、统计模块300以及优化模块400；重建模块100用于获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；分割模块200用于根据标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；统计模块300用于在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数；实时统计落入每个角度区域中的次数，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；优化模块400用于在不同视角扫描完成后，将标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
本发明提供的标记点多角度扫描***，提高整体标记点的拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种标记点多角度扫描装置，该装置的实施可参照上述方法的过程实现，重复之处不再冗述。
本发明实施例四提供的标记点多角度扫描装置，包括处理器和存储器；存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行实施例一和实施例二提供的标记点多角度扫描方法。
本发明提供的标记点多角度扫描装置，提高整体标记点的拼接精度，使得激光扫描更好地应用于工业测量领。
进一步的，本发明提供的标记点多角度扫描装置，在处理器和存储器的基础上，还包括扫描仪；处理器与扫描仪电连接；扫描仪至少包括两个相机；扫描仪自带光源，能够同时照亮被扫描标记点2。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种标记点多角度扫描方法，其特征在于，包括以下步骤；
获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对所述标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；
根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；
在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至所述标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数；实时统计落入每个角度区域中的次数，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；
在不同视角扫描完成后，将所述标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
2.如权利要求1所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，所述根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域，包括以下步骤；
根据所述标记点重建数据中的标记点坐标和标记点向量建立标记点平面方程以确定标记点平面，将标记点平面的法线作为主轴将标记点平面分割成至少两个角度区域。
3.如权利要求2所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，所述角度区域的数量为四个。
4.如权利要求1-3任一项所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，还包括以下步骤；
在计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数后，为每个角度区域中标记点的不同点量配置相应的颜色，及每个角度区域标记点的终止点量配置对应的终止颜色。
5.如权利要求4所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，所述实时统计落入每个角度区域中的次数，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描，包括以下步骤；
实时统计多角度划分中每个角度区域的次数变化，随着落入每个角度区域的次数变化，将相应的颜色在对应的角度区域的标识点中进行标识，并在以终止颜色标识角度区域的标识点中时，完成扫描。
6.如权利要求4所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，所述将所述标记点重建数据进行数据结构转换，包括以下步骤；
利用动态非满八叉树将所述标记点重建数据进行存储。
7.如权利要求4所述的标记点多角度扫描方法，其特征在于，所述光束平差法进行全局优化的公式为
Figure FDA0002029453500000021
式中，k为三维空间点个数；n为k个点的成像平面个数；mij表示第i个三维点在第j个成像平面对应的特征点坐标；vij表示点i在成像平面j上是否有投影；Pj表示每个成像平面对应的外参数向量；Mi表示每个三维点的坐标向量；Q(Pj,Mi)是重投影函数，将三维点Mi映射到成像平面；d(x,y)为距离度量函数。
8.一种标记点多角度扫描***，其特征在于，包括重建模块、分割模块、统计模块以及优化模块；
所述重建模块，用于获取被扫描标记点在不同视角下的标记点数据，并对所述标记点数据进行重建，得到标记点重建数据；
所述分割模块，用于根据所述标记点重建数据确定标记点平面，并将标记点平面分割成至少两个角度区域；
所述统计模块，用于在不同视角不断扫描过程中，将每次扫描的扫描仪仪器的中心投影至所述标记点平面，计算扫描仪仪器的中心落入各角度区域中的次数；实时统计每个角度区域中的次数变化，在每个角度区域中次数满足对应角度的预设阈值时完成扫描；
所述优化模块，用于在不同视角扫描完成后，将所述标记点重建数据进行数据结构转换，并利用光束平差法对转换后的标记点重建数据进行全局优化，将得到的每个视角下标记点的全局最优解作为扫描结果输出。
9.一种标记点多角度扫描装置，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1～7任一项所述的标记点多角度扫描方法。
10.根据权利要求9所述的标记点多角度扫描装置，其特征在于，还包括扫描仪；
所述处理器与所述扫描仪电连接；
所述扫描仪至少包括两个相机；所述扫描仪自带光源，能够同时照亮所述被扫描标记点。
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