一種適用于自然環境的激光三維掃描設備及方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于自然環境的激光三維掃描設備及方法，包括導軌滑槽、兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊，兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊位于導軌滑槽上，激光調制模塊位于第一紅外CCD攝像機和第二紅外CCD攝像機的中間，所述激光調制模塊上設有激光出射光孔，所述激光調制模塊包括光斑激光發射器和兩組步進電機驅動的反光鏡，第一反光鏡和第二反光鏡之間的距離為5cm。本發明具有生產成本低、制作簡單的特點，適合推廣應用。
【專利說明】一種適用于自然環境的激光三維掃描設備及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光三維掃描【技術領域】，涉及一種適用于自然環境的激光三維掃描設備及方法。
【背景技術】
[0002]激光三維掃描技術是近年來出現的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域也有了很多的嘗試、應用和探索。
[0003]在自然光照條件下使用激光三維掃描設備，會受到太陽光、大氣等外界因素的影響。已經生產出的一些三維掃描設備，如車載三維激光掃描儀已經可以解決這一問題，但成本過高。為了降低設備成本，保證激光三維掃描設備可在自然光照條件下使用，解決CCD/CMOS圖像中激光和自然光的精確區分問題，需要對激光波段進行選擇。選擇激光波段時要綜合考慮自然環境中太陽光的影響、大氣對光譜吸收造成的衰減、CCD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制這四個問題。
[0004]現有的適合于室外自然環境使用的激光三維掃描系統較少。我們在SCI數據庫中檢索了 2007年至2013年的相關文獻6篇。現有技術一是采用脈沖激光的飛行時間法來達到數據獲取的目標。該技術要通過計算機主頻時鐘精確控制激光脈沖的發射并記錄從發射到接收到反射信號的時間差，以此來測算光點的三維信息。因為計算機主頻時鐘頻率約為2GHz左右，所以測量精度(誤差)約為150_。為提高測量精度而提高時鐘頻率時，成本大幅增加，體積較為龐大。另外，這種設備所需的光電轉換傳感單元要求苛刻，造價高。以該原理方法制作的設備適合于對距離較遠的物體進行測量，對近距離小物體的測量則難以得到詳細細節信息?，F有技術存在以下缺陷:
[0005](I)成本高,體積龐大,不易攜帶。
[0006](2)技術實現不易控制。
[0007](3)分辨率較低，不能測量較小物體或效果較差。
【發明內容】
[0008]為了克服現有技術中的缺陷，解決上述技術問題，本發明提供一種適用于自然環境的激光三維掃描設備及方法，該設備大幅度降低設備成本，同時保證適用于自然環境的激光三維掃描設備能夠在自然光條件下使用，需要對激光波段進行選擇。
[0009]其技術方案如下:
[0010]一種適用于自然環境的激光三維掃描設備，包括導軌滑槽1、兩個紅外CXD攝像機和激光調制模塊4，兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊4位于導軌滑槽I上，激光調制模塊4位于第一紅外CXD攝像機2和第二紅外CXD攝像機3的中間，所述激光調制模塊4上設有激光出射光孔5，所述激光調制模塊4包括光斑激光發射器6和兩組步進電機驅動的反光鏡，第一反光鏡7和第二反光鏡8之間的距離為5cm。
[0011]優選地，兩個紅外CXD攝像機平行放置，間隔距離為50cm。
[0012]優選地，所述激光發射器6為3A級1064nm激光發射器。
[0013]優選地，所述激光出射光孔5的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
[0014]一種適用于自然環境的激光三維掃描方法，包括以下步驟:
[0015]I)先將激光調制模塊確定在支架的中間位置。激光調制模塊中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉。激光點經第二組鏡面反射后在相機成像上會形成直線型的李薩如(JulesAntoine Lissajous)圖形。第二組反光鏡旋轉30周/秒(10800° /秒)，第一組反光鏡只做很小幅度(約1/30° /秒)的轉動，以保證掃描動作在空間較小的的跨度。
[0016]2)根據掃描物體的距離和掃描范圍調節兩個紅外CCD相機的相對與激光調制模塊的位置。距離短且范圍小時，兩個紅外CCD相機距離激光調制模塊較近。相反地，距離遠且范圍大時，兩個紅外CCD相機距離激光調制模塊較遠。兩個紅外CCD相機中分別安裝了1064nm土 IOnm的窄帶濾光片。
[0017]3)利用張正友算法或者三角法原理標定兩個紅外CCD相機的內部參數和外部參數(包含有相對位置和姿態的信息)。將相對位置和姿態信息作為固定參數存儲。
[0018]4)掃描過程中，提取兩幅圖像中的激光點信號，結合兩紅外C⑶相機的相對位置和姿態信息，利用視差原理計算出相對應點的三維坐標值。該方法可達到2000P/S的掃描速率。
[0019]本發明的有益效果:本發明選擇激光波段時要綜合考慮自然環境中太陽光的影響、大氣對光譜吸收造成的衰減、(XD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制這四個問題。
[0020]I)太陽光譜能量密度計算。在自然光照條件下使用適用于自然環境的激光三維掃描設備，受自然環境影響最大的因素來自于太陽。太陽光譜特征表現為表面溫度5778K的黑體輻射，通過普朗克公式計算其能量密度。為保證冗余度需計算能量密度最大值，此處選取日地最短距離為1.471xl08km。取太陽半徑為6.963xl05km時，以太陽中心為中心，日地距離為半徑的球體表面積與太陽表面積的比為:4.463xl04。
[0021]2)選取受大氣影響較小的激光波段。選擇激光波段時，還需考慮空氣中各組成成分(氮，氧，二氧化碳，稀有氣體，水蒸氣，其它氣體和雜質)對光的吸收引起的衰減作用。雖然這種衰減會同時影響太陽光和激光，但是為保證儀器設備能在苛刻條件下正常工作，一般取不受大氣影響或受影響較小的波段以保持其穩定性。
[0022]3)選取適用的(XD/CM0S。在自然環境下使用(XD/CM0S時，為在某激光器的工作波段獲得有效的敏感度、提高信噪比和對比度，最好選擇對該波段響應敏感的CCD/CM0S來使用。如果還不能有效消除自然環境光的影響，則須使用濾光片濾除該工作波段以外的光。一般使用窄帶濾波片，半帶寬選±10nm，效果較佳。
[0023]4)依據激光器安全性限制選取激光波段。激光的安全性也是影響其譜段選擇的一個重要因素。原因是在可見譜段光子撞擊生物機體時會引起電子遷移而破壞機體細胞，在紅外譜段僅僅會引起原子間化學鍵的震動或扭曲而產生熱，危害較小。
[0024]5)設計相應的激光運動控制系統。分別使用線狀光條激光和圓形光斑激光完成掃描，通過比較得出使用圓形光斑激光完成掃描是可行的方案。具體需要在水平方向和垂直方向上做間隔式周期性轉動來實現掃描。
[0025]6)構建設備成本低。通過對激光波段的選擇，實現了適用于自然環境的激光三維掃描設備在自然光下的使用，大幅度降低了設備成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明適用于自然環境的激光三維掃描設備的結構示意圖；
[0027]圖2是激光調制模塊工作示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
[0029]參照圖1-圖2，一種適用于自然環境的激光三維掃描設備，包括導軌滑槽1、兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊4，兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊4位于導軌滑槽I上，激光調制模塊4位于第一紅外CXD攝像機2和第二紅外CXD攝像機3的中間，所述激光調制模塊4上設有激光出射光孔5，所述激光調制模塊4包括激光發射器6和兩組步進電機驅動的反光鏡，第一反光鏡7和第二反光鏡8之間的距離為5cm。兩個紅外CXD攝像機平行放置，間隔距離為50cm。所述激光發射器6為3A級1064nm激光發射器。兩個紅外C⑶攝像機平行放置，間隔距離為50cm，在兩個攝像機之間，激光出射光孔5中心距離兩攝像機鏡頭中心各約25cm處。所述激光出射光孔5的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
[0030]圖2顯示了本掃描設備激光調制模塊的結構和工作原理示意圖。第一反光鏡7的步進電機繞水平軸以每秒約2”的速度旋轉。第二反光鏡8的步進電機繞垂直軸以每秒約30轉的速度旋轉。在第二反光鏡8和④直線狀李薩如圖形9之間，有圖1中⑤所示的激光出射孔。經調制后的激光圖形為所示的直線狀李薩如圖形9。
[0031]I)構建方法:
[0032]采用雙目視覺原理，在兩個紅外相機中可以得到反射激光點的視差圖像。通過處理這兩幅圖像，獲得被測物體表面的三維坐標信息。為能在自然環境下使用，在紅外相機內部加裝980 ± IOnm的窄帶濾波片。
[0033]在兩個紅外相機之間安裝了激光調制模塊。該模塊包括光斑激光發射器和兩組步進電機驅動的鏡面。假設激光線處于水平姿態，其中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉。激光點經第二組鏡面反射后在相機成像上會形成直線型的李薩如(Jules Antoine Lissajous)圖形。第二組反光鏡旋轉30周/秒(10800° /秒)，第一組反光鏡只做很小幅度(約1/30° /秒)的轉動，以保證掃描動作在空間較小的跨度。
[0034]激光投射到被測物體上后，會在兩個紅外相機內形成光條圖像。通過自主開發的配套軟件，可匹配光條圖像點對，之后再依據視差計算獲得相應的三維坐標信息。
[0035]2)開發環境:
[0036]a.C++:計算機編程語目。[0037]b.WindowsAP1:操作系統應用程序編程接口。
[0038]c.0penCV:開源計算機視覺庫。主要用來圖像捕獲，以及進行圖像處理
[0039]d.Microsoft Visual C++6.0Express Edition:編程 IDE。
[0040]3)具體實現:
[0041]a.選擇出適合自然光條件下使用的激光波段。
[0042]綜合多個影響激光在自然光條件下使用的因素的分析，在選擇可適用于復雜自然環境的激光發射器時，依照:
[0043]I必須滿足安全標準
[0044]II發射的能量密度要大于太陽光在該波段的輻射
[0045]III盡可能提高激光在(XD/CM0S成像系統中的對比度和信噪比
[0046]IV盡可能避免大氣吸收造成的衰減
[0047]等原則，一般選擇近紅外波段，并按N1064nm>N980nm>N808nm(其中用Nxnm來表示波長為X rim處的適用系數)的排序為優先選擇順序。但是由于808nm處的(XD/CM0S成像通常會有程度不一的“泛紅”現象，所以一般不選擇該波段；由表1可知，980nm在掃描時間很長時，也存在功率超標的可能；1064nm是出個波段中唯一)滿足各項限制條件的最好選擇。
[0048]表1典型激光波段的發射極限及相應波長太陽能量密度的對比
[0049]
【權利要求】
1.一種適用于自然環境的激光三維掃描設備，其特征在于，包括導軌滑槽、兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊，兩個紅外CCD攝像機和激光調制模塊位于導軌滑槽上，激光調制模塊位于第一紅外CXD攝像機和第二紅外CXD攝像機的中間，所述激光調制模塊上設有激光出射光孔，所述激光調制模塊包括光斑激光發射器和兩組步進電機驅動的反光鏡，第一反光鏡和第二反光鏡之間的距離為5cm。
2.根據權利要求1所述的適用于自然環境的激光三維掃描設備，其特征在于，，兩個紅外(XD攝像機平行放置，間隔距離為50cm。
3.根據權利要求1所述的適用于自然環境的激光三維掃描設備，其特征在于，所述激光發射器為3A級1064nm激光發射器。
4.根據權利要求1所述的適用于自然環境的激光三維掃描設備，其特征在于，所述激光出射光孔的直徑為3.6cm，形狀為夾角90°的圓錐狀。
5.一種適用于自然環境的激光三維掃描方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)先將激光調制模塊確定在支架的中間位置，激光調制模塊中第一組反光鏡繞水平軸線低速旋轉，第二組反光鏡繞垂直軸線高速旋轉；激光點經第二組鏡面反射后在相機成像上會形成直線型的李薩如圖形；第二組反光鏡旋轉30周/秒，第一組反光鏡只做1/30° /秒的轉動； 2)根據掃描物體的距離和掃描范圍調節兩個紅外CCD相機的相對與激光調制模塊的位置；距離短且范圍小時，兩個紅外CCD相機距離激光調制模塊較近；相反地，距離遠且范圍大時，兩個紅外CCD相機距離激光調制模塊較遠；兩個紅外CCD相機中分別安裝了1064nm±10nm的窄帶濾光片； 3)利用張正友算法或者三角法原理標定兩個紅外CCD相機的內部參數和外部參數；將相對位置和姿態信息作為固定參數存儲； 4)掃描過程中，提取兩幅圖像中的激光點信號，結合兩紅外CCD相機的相對位置和姿態信息，利用視差原理計算出相對應點的三維坐標值；該方法可達到2000P/S的掃描速率。
【文檔編號】G01B11/00GK103954214SQ201410163414
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】張志毅, 耿楠, 胡少軍, 何東健 申請人:西北農林科技大學
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