CN116793257B - 一种三维测量***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及定位技术领域，具体公开了一种三维测量***和方法，通过标定单目相机与激光扫描测距模块的位置参数，用单目相机获取待测目标的图像，同时激光扫描测距模块获取待测目标当前扫描点的深度信息，根据图像点的像素坐标，并结合深度信息以及标定参数得到当前扫描点的三维信息；通过持续扫描获得待测目标的所有点的三维测量信息，输出三维点云图像。本发明的三维测量***避免了扫描式激光雷达测量精度依赖角度测量装置的问题，在二维平面方向达到像素级精度，在深度方向的精度与激光测距模块精度相当。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别是一种三维测量***和方法。
背景技术
激光三维测量已经取得了巨大发展并且出现了多种方法，例如最常见的扫描式激光雷达，但其测量精度高度依赖于高精度角度测量装置，测量精度往往较低，要提高测量精度则需要复杂且昂贵的高精度角度测量装置。浙江大学提出了“一种基于激光与单目视觉融合的像素级目标定位方法”，通过单目相机获取环境图像确定待定位目标的像素坐标，然后激光测距模块采集待定位目标的距离信息，结合单目相机和激光测距模块的相对位置标定参数，得到待定位目标点的三维坐标，实现像素级目标定位。但是该方法仅仅是单点定位的方法，而无法得到三维图像信息。
现有的激光三维扫描测量中，所采用的激光准直扫描光学***，要么结构和功能过于简单，仅适用于光源与准直扫描光学***同步扫描，无法适用于仅光源沿圆弧扫描的情况，例如JP4208209B2、CN103472570A等公开的准直镜头；要么结构过于复杂，且不能调整焦距，不适用于测量领域的精确控制，例如CN113495357A公开的投影物镜及扫描显示装置。
另外，由于光源出光点的摆动影响，传统的点光源准直***如JP4208209B2、JPH112758A和直线光源准直***如CN103472570A、CN108227149A均无法适用。虽然现有技术CN113495357A中公开了一种光源01为弧线的准直投影物镜，但是其镜片多达11片，结构复杂体积大，无论是制造还是与光源之间的装配都存在很大难度。现有的准直扫描光学***往往采用非球面透镜调整边缘光线的准直性，也增加了光学***结构的复杂性。另外，由于激光源与准直光学***对准后会用胶固定，在组装固定的过程中或经过长期使用后，对准性能可能会劣化，而且当环境温度变化时，透镜和镜筒会随着温度发生膨胀，导致准直光学***的参数发生变化，准直性会下降。采用变焦准直镜头，一方面，可以通过调整镜片的位置弥补组装固定过程和长期使用后导致的劣化，也可以通过调整焦距补偿温度漂移。
基于上述问题，本发明提供了一种三维测量***和方法，提出了采用四片球面透镜组成可调焦的准直扫描光学***，简化了整体结构。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了三维测量***和方法，并针对该***和方法设计了配套的准直扫描光学***，不仅避免了扫描式激光雷达三维测量精度依赖高精度角度测量装置的问题，实现在二维平面方向达到像素级精度，在深度方向与激光测距精度相当的精密三维测量，且配套设计的准直扫描光学***适用于仅光源沿圆弧扫描、结构简单且具备调整焦距的功能。
本发明的三维测量***，包括单目相机、激光扫描测距模块和数据处理单元，数据处理单元中包括单目相机与激光扫描测距模块的相对位置标定参数，所述单目相机获取待测目标的图像，所述激光扫描测距模块获取待测目标当前扫描点的深度信息，数据处理单元对所述图像进行处理获得激光扫描测距模块当前扫描点对应的图像点的像素坐标，并结合所述深度信息以及所述标定参数得到激光扫描测距模块当前扫描点的三维信息。通过激光扫描测距模块完整的扫描待测目标的所有点以获得待测目标完整的三维测量信息，并输入三维点云。
所述激光扫描测距模块包括激光源、准直扫描光学***和接收测距单元。所述准直扫描光学***包括从光源侧至投影侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；准直扫描光学***共四片透镜，全部采用球面透镜；在变焦的过程中，第二透镜沿着光轴由光源侧至投影侧移动，同时第三透镜由投影侧至光源侧移动；其中：
第一透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面。
进一步的，准直扫描光学***满足下列条件式：
1.1<f1/EFL<1.2；1.5<f2/EFL<1.6；38<f3/EFL<40；10<f4/EFL<12；10<TTL/EFL<12；
其中，EFL为准直扫描光学***的总焦距，TTL表示准直扫描光学***在光轴上的总长，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。
进一步的，准直扫描光学***满足下列条件式：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.6；4<(R3-R4)/(R3+R4)<6；
-1<(R5-R6)/(R5+R6)<1；-1<(R7-R8)/(R7+R8)<-1；
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
进一步的，准直扫描光学***优选满足下列条件式：
0.02<D1/TTL<0.03；0.02<D3/TTL<0.025；
0.03<D5/TTL<0.04；0.02<D7/TTL<0.025；
其中，D1表示第一透镜在光轴上的厚度，D3表示第二透镜在光轴上的厚度，D5表示第三透镜在光轴上的厚度，D7表示第四透镜在光轴上的厚度。
进一步的，准直扫描光学***优选满足下列条件式：
0.005<D2/TTL<0.02；0.03<D4/TTL<0.15；0.01<D6/TTL<0.12；
其中，D2表示第一透镜和第二透镜在光轴上的间隔，D4表示第二透镜和第三透镜在光轴上的间隔，D6表示第三透镜和第四透镜在光轴上的间隔。
进一步的，准直扫描光学***优选满足下列条件式：
-0.1≤R0/EFL≤-0.05；其中，R0为激光源扫描路径的曲率半径。
进一步的，准直扫描光学***优选满足下列条件式：
15°≤FOV≤20°；其中，FOV为准直扫描光学***的全视场角。
本发明还公开了一种三维测量方法，包括：
步骤一：安装单目相机和激光扫描测距模块，对单目相机与激光扫描测距模块的相对位置进行标定，获取二者的空间位置关系，得到标定参数；
步骤二：数据处理单元获取所述标定参数，单目相机获取待测目标的图像；
步骤三：数据处理单元对所述图像进行处理，并获取图像中的一个图像点的像素坐标，并根据所述图像点获得待测目标上的真实点；
步骤四：将激光扫描测距模块对准待测目标的所述真实点，测得所述真实点的距离，所述距离为对应图像点的深度信息；
步骤五：通过所述图像点的所述像素坐标和所述深度信息，结合所述标定参数得到所述真实点的三维信息；
步骤六：驱动准直扫描光学***扫描所述待测目标的下一个点，重复上述步骤三至步骤五，直至准直扫描光学***扫描结束，将待测目标的所有点的三维信息进行处理，输出三维点云。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的激光与单目视觉融合的三维测量***和方法，不仅避免了扫描式激光雷达三维测量精度依赖高精度角度测量装置的问题，实现在二维平面方向达到像素级精度，在深度方向与激光测距精度相当的精密三维测量，最终获得三维点云图像；
2、本发明的准直扫描光学***适用于仅光源沿圆弧扫描的***，结构简单且具备调整焦距的功能，能够抵消装配误差和温度漂移。
附图说明
图1是本发明的三维测量***。
图2是本发明采用的准直扫描光学***的光学结构图。
图3是本发明采用的准直扫描光学***在不同变焦状态的示例性光学结构图，其中（a）、（b）、（c）分别表示不同变焦位置的图。
图4是准直扫描光学***的出光面（即最后一个透镜像侧面）的光迹图。
其中，1、单目相机，2、激光源，3、准直扫描光学***，4、虚弧线，5、待测目标，0、光源面，L1、第一透镜，L2、第二透镜，L3、第三透镜，L4、第四透镜，S0-S8依次表示从光源面到最后一个透镜像侧面的各个表面的序号，半视场HFOV分别取0°、-8°和10°。
具体实施方式
下面结合图1-图4详细说明本发明的三维测量***和方法。
如图1所示为本发明的三维测量***，包括单目相机1、激光扫描测距模块和数据处理单元，数据处理单元中包括单目相机1与激光扫描测距模块的相对位置标定参数，所述单目相机获取待测目标5的图像，所述激光扫描测距模块获取待测目标5当前扫描点的深度信息，数据处理单元对所述图像进行处理获得激光扫描测距模块当前扫描点对应的图像点的像素坐标，并结合所述深度信息以及所述标定参数得到激光扫描测距模块当前扫描点的三维信息。所述三维信息为在相机坐标系下的三维坐标点信息。通过激光扫描测距模块完整的扫描待测目标5的所有点以获得待测目标5完整的三维测量信息，并输入三维点云。
所述激光扫描测距模块包括激光源2、准直扫描光学***3和接收测距单元。现有激光扫描主要有透射式和反射式，反射式扫描通过旋转反射镜单元实现被测视场的扫描，透射式扫描包括两种方式：仅摆动光源或光源与准直光学***一起摆动。光源与准直光学***一起摆动对准直光学***的性能要求较低，但是由于要同时摆动光源和准直光学***，摆动装置体积大、能耗高，且控制精度要求更高；仅摆动光源的方案，摆动装置体积大幅减小，更容易精确控制且能耗低，但对准直光学***的要求较高。因此本发明优选采用仅摆动光源的方式。图1中虚弧线4表示激光源2的出光点的摆动路径，简称激光源扫描路径。由于光源出光点沿虚弧线4摆动，传统的点光源准直***均无法适用；为配套本发明的使用需求，专门进行了光学设计提出了共采用四片球面透镜组成可调焦的准直扫描光学***，简化了整体结构。
图2是本发明采用的准直扫描光学***的光学结构图，其包括从光源侧至投影侧依序排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，S0为光源面0表面的序号。此外，由第一透镜的物侧面作为光阑面，可以进一步简化结构；当然，也可以单独增加一个额外的光阑。准直扫描光学***共四片透镜，全部采用球面；在变焦的过程中，第二透镜L2沿着光轴由光源侧至投影侧移动，同时第三透镜L3由投影侧至光源侧移动；其中：
第一透镜L1为正透镜，物侧面S1为凹面，像侧面S2为凹面；
第二透镜L2为正透镜，物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面；
第三透镜L3为正透镜，物侧面S5为凹面，像侧面S6为凹面；
第四透镜L4为正透镜，物侧面S7为凹面，像侧面S8为凹面。
本实施例的准直扫描光学***，满足下列条件式（1）：
1.1<f1/EFL<1.2；1.5<f2/EFL<1.6；38<f3/EFL<40；10<f4/EFL<12；10<TTL/EFL<12 （1）
其中，EFL为准直扫描光学***的总焦距；TTL表示准直扫描光学***在光轴上的总长，即第一透镜L1物侧面S1至第四透镜L4像侧面S8的距离；f1表示第一透镜L1的焦距，f2表示第二透镜L2的焦距，f3表示第三透镜L3的焦距，f4表示第四透镜L4的焦距。
条件式（1）通过选择***的基础结构，合理分配各透镜的光焦度和面型，使得***容易形成准直变焦***，如果焦距和面型分配不合理，将难以实现准直的情况下进行变焦，而且使得***无法仅通过球面透镜就完成准直变焦。同时限定总长和总焦距的比值，使得***小型化，简化结构。
本实施例的准直扫描光学***，满足下列条件式（2）：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.6；4<(R3-R4)/(R3+R4)<6；
-1<(R5-R6)/(R5+R6)<1；
-1<(R7-R8)/(R7+R8)<-1； （2）
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径；并且，将(R1-R2)/(R1+R2)定义为第一透镜的面型因子，将(R3-R4)/(R3+R4)定义为第二透镜的面型因子，将(R5-R6)/(R5+R6)定义为第三透镜的面型因子，将(R7-R8)/(R7+R8)定义为第四透镜的面型因子。
条件式（2）通过进一步限定各透镜的面型因子，使得***在变焦的同时能够保持较大的视场角。
本实施例的准直扫描光学***，优选满足下列条件式(3)：
0.02<D1/TTL<0.03；0.02<D3/TTL<0.025；
0.03<D5/TTL<0.04；
0.02<D7/TTL<0.025 （3）
其中，D1表示第一透镜L1在光轴上的厚度，D3表示第二透镜L2在光轴上的厚度，D5表示第三透镜L3在光轴上的厚度，D7表示第四透镜L4在光轴上的厚度。
条件式（3）通过进一步限定各透镜的厚度分配，使得***容易获得更小的整体体积。
本实施例的准直扫描光学***，优选满足下列条件式(4)：
0.005<D2/TTL<0.02；0.03<D4/TTL<0.15；0.01<D6/TTL<0.12 （4）
其中，D2表示第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的间隔，即S2至S3在光轴上的间隔；D4表示第二透镜L2和第三透镜L3在光轴上的间隔，即S4至S5在光轴上的间隔；D6表示第三透镜L3和第四透镜L4在光轴上的间隔，即S6至S7在光轴上的间隔。通过合理限制变焦透镜的移动距离，保证***变焦时良好的准直性能。
本实施例的准直扫描光学***，优选满足下列条件式(5)：
-0.1≤R0/EFL≤-0.05 （5）
其中，R0为激光源扫描路径的曲率半径。通过合理设置激光源扫描路径的曲率半径与总焦距的比值，使得***容易适配扫描激光源。
本实施例的准直扫描光学***，优选满足下列条件式(6)：
15°≤FOV≤20° （6）
条件式（5）对视场角进行限制，使得投影的准直光束能够具有更大的扫描范围，应用场景更广。
表1示出准直扫描光学***的一组具体数据，***的物方孔径NA设为0.1。
[表1] （长度单位：mm）
表面S8的距离（厚度）T是根据实际投射距离需要自由设定的。
图3是本发明采用的准直扫描光学***在不同变焦状态的示例性光学结构图，其中（a）、（b）、（c）分别表示不同变焦位置的图。变焦过程中，第二透镜L2沿着光轴由光源侧至投影侧移动，同时第三透镜L3由投影侧至光源侧移动，仅中间两个透镜移动，而第一透镜L1和第四透镜L4固定，使得变焦的时候整个光学***的总长能够保持不变。具体变焦数据参见表2。
[表2] （长度单位：mm）
从上表2可以看到，随着第二透镜L2和第三透镜L3的移动，***的总焦距先变小，然后再变大，因此在进行焦距调整的时候，对于同样的焦距值，会存在两个透镜的位置与之对应，可以根据需要任选其中一个即可，因此更容易调整。
表3和表4为本实施例的部分光学条件式参数。
[表3] （长度单位：mm）
[表4]（长度单位：mm）
各标记的含义如下：NA为准直扫描光学***的物方孔径，EFL为准直扫描光学***的总焦距；TTL表示准直扫描光学***在光轴上的总长，即第一透镜L1物侧面S1至第四透镜L4像侧面S8的距离；FOV为准直扫描光学***的全视场角，HFOV为半视场角；f1-f4分别表示第一透镜L1至第四透镜L4各自的焦距；D1表示第一透镜L1在光轴上的厚度，D3表示第二透镜L2在光轴上的厚度，D5表示第三透镜L3在光轴上的厚度，D7表示第四透镜L4在光轴上的厚度；D2表示第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的间隔，即S2至S3在光轴上的间隔，D4表示第二透镜L2和第三透镜L3在光轴上的间隔，即S4至S5在光轴上的间隔，D6表示第三透镜L3和第四透镜L4在光轴上的间隔，即S6至S7在光轴上的间隔，T表示投射距离；R0为激光源扫描路径的曲率半径，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径；并且，将(R1-R2)/(R1+R2)定义为第一透镜的面型因子，将(R3-R4)/(R3+R4)定义为第二透镜的面型因子，将(R5-R6)/(R5+R6)定义为第三透镜的面型因子，将(R7-R8)/(R7+R8)定义为第四透镜的面型因子。
图4是准直扫描光学***的出光面（即最后一个透镜像侧面）的光迹图，半视场角分别是0°、-8°和10°。可以看到三个半视场对应的光线在出光面的光斑非常均匀。
本发明还公开了一种三维测量方法，包括：
步骤一：安装单目相机1和激光扫描测距模块，对单目相机1与激光扫描测距模块的相对位置进行标定，获取二者的空间位置关系，得到标定参数；
步骤二：数据处理单元获取所述标定参数，单目相机1获取待测目标5的图像；
步骤三：数据处理单元对所述图像进行处理，并获取图像中的一个图像点的像素坐标，并根据所述图像点获得待测目标5上的真实点；
步骤四：将激光扫描测距模块对准待测目标的所述真实点，测得所述真实点的距离，所述距离为对应图像点的深度信息；
步骤五：通过所述图像点的所述像素坐标和所述深度信息，结合所述标定参数得到所述真实点的三维信息；
步骤六：驱动准直扫描光学***扫描所述待测目标的下一个点，重复上述步骤三至步骤五，直至准直扫描光学***扫描结束，将待测目标的所有点的三维信息进行处理，输出三维点云。
所述方法的步骤二中，单目相机1可以一次获取待测目标5的完整图像，然后激光扫描测距模块对图像上的每个点进行扫描获得深度信息，这样可以节约图像拍摄时间和存储空间；也可以对待测目标5的每个真实点进行一次拍摄，获取一幅图像，然后以图像的中心点作为像素点获取深度信息，这样的好处是单目相机1由于存在边缘相差，用图像的中心点作为像素点能够提高坐标的测量精度，使得三维测量整体的精度得到大幅提升，而且所需要的单目相机的分辨率以及视场角都可以相对降低，但是每次拍摄都需要花费时间而且占用存储空间。
本发明的激光与单目视觉融合的三维测量***和方法，不仅避免了扫描式激光雷达三维测量精度依赖高精度角度测量装置的问题，实现在二维平面方向达到像素级精度，在深度方向与激光测距精度相当的精密三维测量，且配套设计的准直扫描光学***适用于仅光源沿圆弧扫描、结构简单且具备调整焦距的功能。
上述实施例只是便于描述和理解所做，容易理解的是，本领域的技术人员可以在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行修改和变型。
Claims (7)
1.一种三维测量***，包括单目相机（1）、激光扫描测距模块和数据处理单元，其特征在于：所述激光扫描测距模块包括激光源（2）、准直扫描光学***（3）和接收测距单元；数据处理单元中包括单目相机（1）与激光扫描测距模块的相对位置标定参数，所述单目相机（1）获取待测目标的图像，所述激光扫描测距模块获取待测目标当前扫描点的深度信息，数据处理单元对所述图像进行处理获得激光扫描测距模块当前扫描点对应的图像点的像素坐标，并结合所述深度信息以及所述标定参数得到激光扫描测距模块当前扫描点的三维信息；通过激光扫描测距模块完整的扫描待测目标的所有点以获得待测目标完整的三维测量信息，并输入三维点云；
所述准直扫描光学***（3）包括从光源侧至投影侧的依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；准直扫描光学***（3）共四片透镜，全部采用球面透镜；在变焦的过程中，第二透镜沿着光轴由光源侧至投影侧移动，同时第三透镜由投影侧至光源侧移动；其中：
第一透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
1.1<f1/EFL<1.2；1.5<f2/EFL<1.6；38<f3/EFL<40；10<f4/EFL<12；10<TTL/EFL<12；
其中，EFL为准直扫描光学***的总焦距，TTL表示准直扫描光学***在光轴上的总长，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的三维测量***，其特征在于：所述准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.6；4<(R3-R4)/(R3+R4)<6；
-1<(R5-R6)/(R5+R6)<1；-1<(R7-R8)/(R7+R8)< -1；
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的三维测量***，其特征在于：所述准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
0.02<D1/TTL<0.03；0.02<D3/TTL<0.025；
0.03<D5/TTL<0.04；0.02<D7/TTL<0.025；
其中，D1表示第一透镜在光轴上的厚度，D3表示第二透镜在光轴上的厚度，D5表示第三透镜在光轴上的厚度，D7表示第四透镜在光轴上的厚度。
4.根据权利要求1所述的三维测量***，其特征在于：所述准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
0.005<D2/TTL<0.02；0.03<D4/TTL<0.15；0.01<D6/TTL<0.12；
其中，D2表示第一透镜和第二透镜在光轴上的间隔，D4表示第二透镜和第三透镜在光轴上的间隔，D6表示第三透镜和第四透镜在光轴上的间隔。
5.根据权利要求1所述的三维测量***，其特征在于：所述准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
-0.1≤R0/EFL≤-0.05；
其中，R0为激光源扫描路径的曲率半径。
6. 根据权利要求1所述的三维测量***，其特征在于：所述准直扫描光学***（3）满足下列条件式：
15°≤FOV≤20°
其中，FOV为准直扫描光学***的全视场角。
7.一种三维测量方法，采用权利要求1-6任一项所述的三维测量***，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：安装单目相机（1）和激光扫描测距模块，对单目相机（1）与激光扫描测距模块的相对位置进行标定，获取二者的空间位置关系，得到标定参数；
步骤二：数据处理单元获取所述标定参数，单目相机（1）获取待测目标的图像；
步骤三：数据处理单元对所述图像进行处理，并获取图像中的一个图像点的像素坐标，并根据所述图像点获得待测目标上的真实点；
步骤四：将激光扫描测距模块对准待测目标的所述真实点，测得所述真实点的距离，所述距离为对应图像点的深度信息；
步骤五：通过所述图像点的所述像素坐标和所述深度信息，结合所述标定参数得到所述真实点的三维信息；
步骤六：驱动准直扫描光学***（3）扫描所述待测目标的下一个点，重复上述步骤三至步骤五，直至准直扫描光学***（3）扫描结束，将待测目标的所有点的三维信息进行处理，输出三维点云。
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