CN204902785U - 具备快速标定功能的手持式激光三维扫描*** - Google Patents

具备快速标定功能的手持式激光三维扫描*** Download PDF

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Abstract

一种具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，包括手持式激光三维扫描仪，手持式激光三维扫描仪包括两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器，手持式激光三维扫描***还包括用于对扫描仪进行快速标定的标定板，标定板为一块表面贴有若干相对坐标位置已知的标记点的板；手持式三维扫描仪还包括用于通过两个及以上摄像头同步获取的多幅扫描仪处于标定板上方不同角度和位置的标定板图像，再对两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器相互的空间位置进行标定的快速标定控制模块，快速标定控制模块分别与摄像头、激光投影器连接。本实用新型提供了一种简化标定操作、降低标定成本的具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***。

Description

具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***
技术领域
本实用新型涉及一种手持式激光三维扫描***。
背景技术
手持激光三维扫描技术以其抗干扰能力强、检测精度高、使用简便等优点逐步被用在各种工业、考古、医疗、教学等领域。相比白光投影原理的三维扫描仪，激光三维扫描仪可以从每一组同步帧图像中提取物体表面特征计算得到被扫描物体的一部分表面点云，以及由于激光投影的光强更大因而允许捕捉其图像的摄像头可以以不产生运动模糊的快门时间进行曝光，因此更能适合用手持的方式在不断连续移动的状态下进行扫描。另外，由于激光的波段的单一性，通过在摄像头前加装带通滤光镜可以很大程度上去除环境光线对其扫描过程的影响，使其适用于室外自然光环境下的物体表面轮廓的三维扫描。
手持激光三维扫描仪目前的最高精度可以达到10-2mm级，由于其扫描精度是建立在内部两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器的相互位置在出厂前已经标定已知，并在使用过程中一直保持不变的基础上。但由于运输、存取、扫描等过程操作中不可避免的振动或冲击会导致扫描仪内部的摄像头及激光投影器之间的位置关系有微小的变化，这种微小的位置和角度的变化会在摄像头获得的图像中得到的体现，导致扫描结果数据出现误差。由于目前的手持激光三维扫描仪器不随机器配备标定附件，因此为消除这种误差，就必须将仪器返厂标定，大大影响了手持激光三维扫描仪影响的正常使用，也使得平时扫描时的精度无法得到保证。
发明内容
为了克服已有手持式激光三维扫描***的标定操作麻烦、标定成本高的不足，本实用新型提供了一种简化标定操作、降低标定成本的具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，包括手持式激光三维扫描仪，所述手持式激光三维扫描仪包括两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器，所述手持式激光三维扫描***还包括用于对所述扫描仪进行快速标定的标定板，所述标定板为一块表面贴有若干相对坐标位置已知的标记点的板；所述手持式三维扫描仪还包括用于通过两个及以上摄像头同步获取的多幅扫描仪处于标定板上方不同角度和位置的标定板图像，再对两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器相互的空间位置进行标定的快速标定控制模块，所述快速标定控制模块分别与所述摄像头、激光投影器连接。
进一步，所述手持式激光三维扫描***还包括人机交互模块，所述快速标定控制模块与所述人机交互模块连接。
再进一步，所述标定板为一块表面非镜面、热变形系数较低的便携硬质平板。
更进一步，所述标定板中，若干标记点以规则或者不规则的拓扑次序排布在该硬质板的表面，且各个标记点的相对坐标位置已知。
本实用新型的技术构思为：手持激光扫描仪的出厂标定的过程主要由以下三个主要步骤组成：1)对将要被组装进仪器的摄像头的内参进行单独标定，获得每台摄像头的畸变系数、焦距及光心偏移等参数；2)对仪器内安装固定好的至少两摄像头的外参进行标定，获得其相互间的位置坐标；3)对仪器内安装固定好的至少一个激光投影器的位置进行标定，获得其与仪器内部的摄像头的位置坐标。由于摄像头上的内参是其镜头的内部固有参数，在出厂后基本不会改变，而较容易变化的是摄像头和激光投影器相互之间的位置关系，这是由于摄像头和激光投影器均是通过螺丝等机械方式固定在共同的骨架上，这种固定方式很容易受外部振动或冲击的影响而导致细微的变形和位移，从而影响最终的扫描精度。考虑到以上因素，仪器出厂后的快速标定就显得十分有意义。仪器出厂后的标定是在使用现场由用户完成，因此须避免复杂的标定流程和标定辅助器件，并应尽量在很短的时间内完成标定过程。本发明所提出的手持激光三维扫描仪的快速标定功能只须针对摄像头和激光投影器的位置进行标定，即步骤2)、3)，并有人机界面进行标定位置的提示，标定辅件则仅需要一块成本低廉的标定板，从而显著简化了扫描仪的标定过程，保证了仪器在长期的使用过程中精度的稳定性。
本实用新型的有益效果主要表现在：简化标定操作、降低标定成本。
附图说明
图1是具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***的示意图。
图2是标定板的示意图。
图3是标定摄像头位置的操作示意图，其中(a)的位置为前方偏下，(b)的位置为正前方，(c)的位置为前方偏上，(d)的位置为前方偏左，(e)的位置为前方偏右。
图4是标定激光投影器位置的操作示意图。
图5是多个位置激光投影器标定结果的拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图5，一种具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，包括手持式激光三维扫描仪1，所述手持式激光三维扫描仪1包括两个及以上摄像头2和一个及以上激光投影器3，所述手持式激光三维扫描***还包括用于对所述扫描仪进行快速标定的标定板4，所述标定板4为一块表面贴有若干相对坐标位置已知的标记点的板；所述手持式三维扫描仪1还包括用于通过两个及以上摄像头同步获取的多幅扫描仪处于标定板上方不同角度和位置的标定板图像，再对两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器相互的空间位置进行标定的快速标定控制模块5，所述快速标定控制模块5分别与所述摄像头2、激光投影器3连接。
进一步，所述手持式激光三维扫描***还包括人机交互模块6，所述快速标定控制模块5与所述人机交互模块6连接。
再进一步，所述标定板4为一块表面非镜面、热变形系数较低的便携硬质平板。其中，热变形系数较低的定义为：小于6μm/m.℃。
更进一步，所述标定板4中，若干标记点以规则或者不规则的拓扑次序排布在该硬质板的表面，且各个标记点的相对坐标位置已知。
本实施例的标定板的一种实现形式如图2所示：采用一块边长为二三十厘米的矩形平板玻璃片，其上粘贴或喷涂背景颜色后贴上标记点，标定板上标记点以一种大体4×4行列形式排布；标定板放置在一个大小合适的扁平盒子中用于对其进行保护。
快速标定模块的标定功能主要分为对摄像头位置的标定和对激光投影器位置的标定两部分。
在对仪器摄像头位置进行标定时，快速标定控制模块同步获得两个及以上摄像头所拍摄的所述标定板的图像(该标定板上的标记点需全部或者部分出现在每一幅图像中)，根据每幅图像中的标记点与真实标记点的对应关系，结合出厂前已知的标定板上标记点的拓扑位置的真实标记点坐标，采用相对定向、后方交汇或者前方交汇等测量学方法，获得摄像头的外参，即两个及以上镜头相互间的位置关系，完成快速标定中的一次镜头位置标定。
进一步，上述一次镜头位置标定的步骤虽然已经可以获得仪器摄像头的外参，但单凭一个位置的拍摄很可能由于角度过偏或者抖动而产生的运动模糊导致计算的精度不高，从而影响标定效果。因此本发明所述***通过多个角度对标定板进行拍摄，比如前方偏下、正前方、前方偏上、前方偏左、前方偏右等位置，分别如图3中(a)～(e)所示。所述的快速标定控制模块根据手持式激光三维扫描仪在相对于标定板的多个角度位置所获取的标定板上标记点的坐标进行求平均处理，以提高摄像头的外参的精度。
在对仪器激光投影器位置进行标定时快速标定控制模块根据手持式激光三维扫描仪中已标定好位置的两个及以上摄像头所拍摄的激光投影器投影到标定板上的图案，识别出每一幅图像上的激光轮廓线，并利用对极线约束原理，获得激光投影轮廓线的点云坐标。
进一步，仪器在两个及以上距离位置投射激光投影图案到标定板上，得到两条及以上激光投影轮廓线的点云坐标，快速标定控制模块将多次测量的激光轮廓线点云转换到同一坐标系下，并拟合出激光面，完成快速标定中激光投影器的位置标定。如图4所示，用户手持扫描仪变换其与标定板之间的距离，由近到远在b1到b3号位置进行图像采集，激光投影器在标定板上投出a1～a3号激光投影轮廓线，快速标定控制模块在仪器距离变换过程中将摄像头采集的多条激光轮廓线点云转换到同一坐标系下，得到如图5所示的c1～c3号三维空间线段，最后拟合出激光面，从而得到激光投影器与摄像头之间的位置坐标。当然，在实际操作的一次激光投影器位置标定过程中用户缓慢的将扫描仪由近到远靠近标定板或者由远到近离开标定板，***可以在几十个位置对激光器的投影图案进行采集，从而得到同一坐标系下的几十个近似共面的线段轮廓点云，这样可以拟合出较为精确的激光面，实现激光投影器的位置标定。

Claims (4)

1.一种具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，包括手持式激光三维扫描仪，所述手持式激光三维扫描仪包括两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器，其特征在于：所述手持式激光三维扫描***还包括用于对所述扫描仪进行快速标定的标定板，所述标定板为一块表面贴有若干相对坐标位置已知的标记点的板；所述手持式三维扫描仪还包括用于通过两个及以上摄像头同步获取的多幅扫描仪处于标定板上方不同角度和位置的标定板图像，再对两个及以上摄像头和一个及以上激光投影器相互的空间位置进行标定的快速标定控制模块，所述快速标定控制模块分别与所述摄像头、激光投影器连接。
2.如权利要求1所述的具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，其特征在于：所述手持式激光三维扫描***还包括人机交互模块，所述快速标定控制模块与所述人机交互模块连接。
3.如权利要求1或2所述的具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，其特征在于：所述标定板为一块表面非镜面、热变形系数较低的便携硬质平板。
4.如权利要求1或2所述的具备快速标定功能的手持式激光三维扫描***，其特征在于：所述标定板中，若干标记点以规则或者不规则的拓扑次序排布在该硬质板的表面，且各个标记点的相对坐标位置已知。
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