基于未知環(huán)境檢測的3d激光掃描儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機及光學轉(zhuǎn)臺；待測物體放置在光學轉(zhuǎn)臺上，單片機用于控制光學轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度；線性紅外激光器照射待測物體，攝像頭拍攝待測物體上的激光光點；從攝像頭拍攝的畫面中計算出激光光點的坐標信息，根據(jù)激光光點的坐標信息進行激光三角測距計算激光光點到激光器的距離，最后獲取激光光點的3D坐標，得到物體的全局點云坐標點。本發(fā)明在勘測地形場景時使用線性紅外激光器，擴大了使用范圍和提升了掃描的精度，能應用在復雜環(huán)境條件下的勘測。
【專利說明】
基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及3D激光技術，具體涉及基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀。
【背景技術】
[0002]目前現(xiàn)有技術使用2D激光雷達進行改造和kinect來實現(xiàn)場景的掃描。Kinect是由微軟開發(fā)的一個周邊設備。有三個鏡頭，中間的鏡頭是RGB彩色攝影機，用來采集彩色圖像。左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝影機所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應器，用來采集深度數(shù)據(jù)(場景中物體到攝像頭的距離)。2011年微軟研究院為了實現(xiàn)Kinect的三維重建，推出了Kinect Fus1n項目。相比于簡單的三維點云拼接，該項目支持GPU加速，快速便捷。
[0003]2D激光雷達雖然在相同的激光器輸出功率下掃描距離更遠，但由于需要控制額外自由度的轉(zhuǎn)軸，其誤差可能較大，同時掃描速度也略低。這類激光雷達產(chǎn)品目前在各類實驗室、工業(yè)應用場景中出現(xiàn)的比較多。而對于kinect來說，它的成像分辨率和測距精度相比激光雷達而言低了不少，同時無法在室外使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術使用場景受限、掃描精度低的問題，本發(fā)明提出基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀，在勘測地形場景時使用線性紅外激光器，擴大了使用范圍和提升了掃描的精度，能應用在復雜環(huán)境條件下的勘測。
[0005]本發(fā)明采用如下技術方案來實現(xiàn):基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機及光學轉(zhuǎn)臺；待測物體放置在光學轉(zhuǎn)臺上，單片機用于控制光學轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度;線性紅外激光器照射待測物體，攝像頭拍攝待測物體上的激光光點；從攝像頭拍攝的畫面中計算出激光光點的坐標信息，根據(jù)激光光點的坐標信息進行激光三角測距計算激光光點到激光器的距離，最后獲取激光光點的3D坐標，得到物體的全局點云坐標點。
[0006]優(yōu)選地，所述激光光點的坐標信息計算方法為:首先識別并確定激光光點，然后確定激光光點中心的精確位置，作為激光光點的坐標。
[0007]優(yōu)選地，所述激光光點到激光器距離由如下公式求得:
[0008]q = fs/x
[0009]d = q/sin(0)
[0010]其中，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點距離，f表示攝像頭的焦距，X是待測物體上激光光點在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0012]激光掃描儀通過三角形測距法建構(gòu)出3D圖形:通過一字線性激光器和光學轉(zhuǎn)臺，以及單片機STM32等硬件設備，對待測物發(fā)射出一字線性激光。掃描儀的攝像頭和激光器可以測量待測物的表面到激光的距離，找到激光的光斑兩點，通過一系列的校準和參數(shù)調(diào)整，通過測距獲得點云數(shù)據(jù)，將這些點云數(shù)據(jù)導入計算機，實時顯示出其三維結(jié)構(gòu)，也可以通過軟件重建轉(zhuǎn)換成3D模型。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明3D激光掃描儀的控制結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為三角測距原理；
[0015]圖3示意了 3D測距原理；
[0016]圖4為3D點坐標的計算。
【具體實施方式】
[0017]為了更加清楚地描述本發(fā)明，以下結(jié)合具體的實施例和附圖，對本發(fā)明技術方案進行清楚、完整的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0018]實施例
[0019]參見圖1，本發(fā)明基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀主要包括紅外激光器、攝像頭、單片機及光學轉(zhuǎn)臺。攝像頭上設有紅外濾光片，待測物體放置在光學轉(zhuǎn)臺上，單片機用于控制光學轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。
[0020]在掃描的過程中從攝像頭拍攝的畫面中計算出激光光點的坐標信息，過程如下:識別并確定激光光點，排除干擾;然后確定光點中心的精確位置，作為光點的坐標。為此，本實施例配合曝光率控制，增加激光器發(fā)射功率，從而足以使得畫面中僅保留激光光點，例如使用200mw功率的激光器。本實施例還在攝像頭上加裝紅外濾光片，通過使用濾光片的做法，僅保留激光器發(fā)射波長的光線進入，從而可以在一定程度上避免光線干擾。激光器采用一字線性紅外激光器，配合紅外濾光片，可以有效濾除來自諸如日光燈等的干擾。
[0021]由于采用加裝濾光片和增加激光器功率的方式來識別激光光點，排除干擾，所以在一般狀態(tài)下，可以通過求出攝像頭畫面中最亮點的方式獲取激光光點。對于確定光點中心的精確位置，則可采用簡單的線性插值和求質(zhì)心的手段。
[0022]計算出光點的坐標信息后，進行激光三角測距，計算激光光點到激光器的距離。隨著待測物與激光器距離的不同，激光光點在攝影頭畫面中的位置亦有所不同。激光光點、攝影機與激光器本身構(gòu)成一個三角形。在這個三角形中，激光器與攝像頭的距離，以及激光器在三角形中的角度，是已知的條件。通過攝影頭畫面中激光光點的位置，我們可以決定出攝影頭位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，并可計算出待測物與激光器之間的距離。三角測距的原理如圖2所示，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點距離，f表示攝像頭的焦距。在這些參數(shù)已知后，激光光點到激光器距離可由如下公式求得:
[0023]q = fs/x (I)
[0024]d = q/sin(0) (2)
[°°25] X是待測物體上激光光點在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。
[0026]對線狀激光器進行測距的問題，可以轉(zhuǎn)化為前面單點激光測距的計算問題。對于圖3中的激光線條，算法將按照Y軸依次計算出當前Y軸高度下，激光光斑的X坐標值px。并嘗試通過先前的算法求出該點的距離。
[0027]計算出激光光點到激光器的距離后，可以獲取這個激光光點的3D坐標，從而構(gòu)造環(huán)境的3D點云。具體方式如下:
[0028]由于使用掃描的方法，所得到的坐標計算要加上當前的旋轉(zhuǎn)角度:
[0029]x = d*cos(9)*sin(a+X);
[0030]y = d*cos(9)*cos(a+X);
[0031]z = d*sin(0)；
[0032](X，y，z)為當前點的3D坐標，α、Θ對應圖4坐標的計算，而λ是光學轉(zhuǎn)臺當前旋轉(zhuǎn)的角度。
[0033]本發(fā)明工作時，先打開一字線性激光器，將待測物體放在光學轉(zhuǎn)臺上，通過單片機STM32來設定光學轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)速度和方向，最終角度設為180°，以0.5°的角增量，順時針旋轉(zhuǎn)。然后將激光照射待測物體，打開攝像頭，查找待測物上的激光光點。通過三角測距測出物體上每條線到激光器的實際距離，并根據(jù)實際距離獲得3D坐標，由此可以得到物體的全局點云坐標點。將這些點云數(shù)據(jù)導入計算機，實時顯示出其三維結(jié)構(gòu)，也可以通過軟件重建轉(zhuǎn)換成3D模型。
[0034]本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.基于未知環(huán)境檢測的3D激光掃描儀，其特征在于，包括線性紅外激光器、攝像頭、單片機及光學轉(zhuǎn)臺；待測物體放置在光學轉(zhuǎn)臺上，單片機用于控制光學轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度;線性紅外激光器照射待測物體，攝像頭拍攝待測物體上的激光光點；從攝像頭拍攝的畫面中計算出激光光點的坐標信息，根據(jù)激光光點的坐標信息進行激光三角測距計算激光光點到激光器的距離，最后獲取激光光點的3D坐標，得到物體的全局點云坐標點。2.根據(jù)權利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述攝像頭上設有紅外濾光片。3.根據(jù)權利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述線性紅外激光器的功率為200mwo4.根據(jù)權利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述激光光點的坐標信息計算方法為:首先識別并確定激光光點，然后確定激光光點中心的精確位置，作為激光光點的坐標。5.根據(jù)權利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述激光光點到激光器距離由如下公式求得:q = fs/xd = q/sin(0) 其中，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點距離，f表示攝像頭的焦距，X是待測物體上激光光點在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。6.根據(jù)權利要求1所述的3D激光掃描儀，其特征在于，所述光學轉(zhuǎn)臺以0.5°的角增量順時針旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號】G01B11/00GK105953742SQ201610285667
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月30日
【發(fā)明人】何元烈, 張偉, 陳佳騰, 曾碧
【申請人】廣東工業(yè)大學