本發(fā)明涉及三維掃描技術(shù)，尤其是一種三維掃描方法及掃描儀。

背景技術(shù)：

近年來出現(xiàn)的手持激光三維掃描儀、激光三維輪廓傳感器等三維測量儀器的原理均是采用激光和攝像頭的組合根據(jù)三角測量法獲得物體表面三維數(shù)據(jù)，這種測量原理的應(yīng)用越來越廣泛，已然成為高精度三維測量領(lǐng)域的主要測量方法之一，被廣泛應(yīng)用在機械、汽車、航空、雕塑、醫(yī)療等行業(yè)。

這種基于激光和攝像頭的三維測量方法中激光波段常見的有405nm的紫色激光、450nm的藍色激光、532nm的綠色激光、650nm的紅色激光等，不同波段的激光對三維掃描效果的影響也并不一樣。比如紅色激光的散斑現(xiàn)象比較明顯從而影響掃描的精度，但紅色激光比較穩(wěn)定且對人眼相對安全；相比之下，藍色激光的散斑現(xiàn)象并不明顯，攝像頭識別的精度較高，從而可以獲得很好的掃描結(jié)果，但藍色激光對人眼有傷害，需要佩戴護目鏡，限制了其三維掃描的應(yīng)用場合。因此，如何選擇合適波段的激光器同時滿足不同三維掃描場合的需求是一件很棘手的事情。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有手持激光三維掃描儀的僅含有單一波長、適用性較差、成本較高的不足，本發(fā)明提供了一種具有多個不同波長、適用性良好、增加單臺掃描儀的復(fù)用性、提高性價比的含有多個不同波長激光器的三維掃描方法及掃描儀。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種含有多個不同波長激光器的三維掃描方法，實現(xiàn)所述三維掃描方法的掃描儀包括位置固定的一個攝像頭與至少兩個激光投影器，所述的至少兩個激光投影器對應(yīng)至少兩種不同波長，激光投影器所投射的光幕的空間位置與攝像頭的位置關(guān)系均標(biāo)定已知；所述三維掃描方法如下：

根據(jù)攝像頭拍攝的投射到被掃描物體表面的激光輪廓線的2D圖案識別獲取高光中心二維線條，再根據(jù)三角法原理計算得出空間三維點云數(shù)據(jù)。

進一步，利用一個額外的位置關(guān)系已知的攝像頭與原先的攝像頭組成雙目立體相機來捕捉視野中的特征點來獲得相對位置的變化信息，再利用攝像頭捕捉前后幀時的位置變化信息將掃描儀連續(xù)幀獲得三維輪廓線點云數(shù)據(jù)拼接在一個坐標(biāo)系下，獲得被掃描物體完整的表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)掃描。

或者是：利用帶位置信號的流水線或直線滑臺、帶角度信號的旋轉(zhuǎn)平臺上放置被掃描物體而直接得到掃描儀與被掃描物體相對位置的變化信息，再利用攝像頭捕捉前后幀時的位置變化信息將掃描儀連續(xù)幀獲得三維輪廓線點云數(shù)據(jù)拼接在一個坐標(biāo)系下，獲得被掃描物體完整的表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)掃描。

再進一步，所述三維掃描方法包括以下步驟：

1)事先標(biāo)定攝像頭分別在不同波長的相機內(nèi)參和畸變系數(shù)；

2)事先分別標(biāo)定至少兩個激光投影器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置；

3)掃描前，根據(jù)現(xiàn)場的精度和掃描面幅的需求選擇對應(yīng)波段激光投影器進行掃描，根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長下的攝像頭標(biāo)定內(nèi)參及畸變系數(shù)并輸出給2D圖像激光輪廓線提取器和3D構(gòu)造器；根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長的激光器與攝像頭的位置參數(shù)并輸出給3D構(gòu)造器；

4)掃描時，攝像頭將捕捉的物體表面激光輪廓圖像輸入到2D圖像激光輪廓線提取器中，2D圖像激光輪廓線提取器根據(jù)所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參和畸變系數(shù)對所述二維圖像進行畸變矯正，并根據(jù)像素灰度差異提取矯正圖像中線條輪廓的連通區(qū)域，再根據(jù)所述連通區(qū)域內(nèi)的灰度重心計算獲得亞像素級的高光中心二維線條集合；得到的二維線條集合被輸出到3D構(gòu)造器中，根據(jù)所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參、畸變系數(shù)和選擇的當(dāng)前工作激光與攝像頭的位置標(biāo)定參數(shù)，通過三角法原理得到三維輪廓點云數(shù)據(jù)并輸出。

所述步驟1)中，攝像頭的標(biāo)定方法采用張正友標(biāo)定法獲得攝像頭的焦距、中心偏移量以及徑向畸變和切向畸變系數(shù)。

所述步驟2)中，激光投影器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置的具體標(biāo)定方法利用表面具有已知特征的平板作為標(biāo)定板，攝像頭拍攝投射到標(biāo)定板上的線狀激光獲得一幅二維的激光線圖像，再利用仿射變換原理將二維圖像中的標(biāo)定板“拉伸”為三維坐標(biāo)中真實的尺寸，同時得到攝像頭坐標(biāo)系下的三維激光輪廓線；將掃描儀相對于標(biāo)定板變換多個距離便得到多條攝像頭坐標(biāo)系下三維激光輪廓線，將這些三維輪廓線的點云擬合出的攝像頭坐標(biāo)系下的平面方程即為該激光器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置標(biāo)定參數(shù)。

一種含有多個不同波長激光器的三維掃描儀，所述掃描儀包括至少兩個激光投影器、至少一個用于拍攝投射到被檢測物體表面激光圖案的攝像頭和一個連接攝像頭進行圖像識別及三維重建的計算處理單元；所述的至少兩個激光投影器對應(yīng)至少兩種不同波長，激光投影器所投射的光幕的空間位置與攝像頭的位置關(guān)系均標(biāo)定已知，所述攝像頭的輸出端與所述計算處理單元連接，所述的計算處理單元包括2D圖像激光輪廓線提取器、3D構(gòu)造器、用于選擇標(biāo)定攝像頭在選定波長的內(nèi)參和畸變系數(shù)的第一波段切換判斷器和用于選擇其中一個激光投影器所投影的光面與攝像頭之間的空間位置的第二波段切換判斷器、所述攝像頭的輸出端與所述2D圖像激光輪廓線提取器連接，所述2D圖像激光輪廓線提取器與所述3D構(gòu)造器，所述第一波段切換判斷器分別與所述2D圖像激光輪廓線提取器、3D構(gòu)造器連接，所述第二波段切換判斷器分別與所述3D構(gòu)造器連接。

進一步，所述激光投影器和攝像頭的觸發(fā)端均與用于選擇性觸發(fā)所述相同波長的一只或者多只激光投影器與攝像頭同步工作的同步觸發(fā)單元連接。

再進一步，所述攝像頭上安裝多帶通濾光片，所述的濾光片的帶通波段與所述的至少兩個激光投影器的至少兩種波長對應(yīng)。

更進一步，至少兩個不同波長的激光投影器包括藍色波段的激光投影器和紅色波段的激光投影器。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：將波段較短的激光和波段較長的激光同時安裝在一臺掃描儀中，由于不同波段的光線通過兩種介質(zhì)的折射率存在差異，固定焦距和光圈的攝像頭對不同波段光線的焦點不同，拍攝反射較短波段光線的被攝物體的焦點比反射波長較長光線的被攝物體的焦點更靠近攝像頭。以紅色和藍色兩種波段為例，為得到正確的對焦，藍色物體要比紅色物體更靠近攝像頭，而在攝像頭分辨率不變的情況下，拍攝更近的物體意味著將更小的局部投影在相同面積的感光元器件上，即拍攝的藍色物體的幅面較小，但分辨率較高，而拍攝的紅色物體的幅面較大，但分辨率較低。另外，由于激光是單色光，其照到物體表面反射時會出現(xiàn)干涉出現(xiàn)象，攝像頭捕捉到的被攝物體表面的激光輪廓線上便會出現(xiàn)不均勻分布的顆粒狀光點，即為激光散斑。波段較短的激光的散斑現(xiàn)象要比波段較長的激光弱，攝像頭捕捉到的被攝物體表面的激光輪廓線也就更為銳利，更有利于獲得表面的細節(jié)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：與傳統(tǒng)只含有的單一波長激光的三維掃描儀相比，既能應(yīng)用在高精度測量場合，又可以在普通的三維掃描場合高效安全的使用，可以大大增加單臺掃描儀的復(fù)用性，提高其性價比。

附圖說明

圖1是含有多個不同波長激光器的三維掃描儀的原理圖。

圖2是同步觸發(fā)單元的內(nèi)部工作原理示意圖。

圖3是計算處理單元的原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

實施例1

參照圖1～圖3，一種含有多個不同波長激光器的三維掃描方法，實現(xiàn)所述三維掃描方法的掃描儀包括位置固定的一個攝像頭與至少兩個激光投影器，所述的至少兩個激光投影器對應(yīng)至少兩種不同波長，激光投影器所投射的光幕的空間位置與攝像頭的位置關(guān)系均標(biāo)定已知；所述三維掃描方法如下：

根據(jù)攝像頭拍攝的投射到被掃描物體表面的激光輪廓線的2D圖案識別獲取高光中心二維線條，再根據(jù)三角法原理計算得出空間三維點云數(shù)據(jù)。

進一步，利用一個額外的位置關(guān)系已知的攝像頭與原先的攝像頭組成雙目立體相機來捕捉視野中的特征點來獲得相對位置的變化信息，再利用攝像頭捕捉前后幀時的位置變化信息將掃描儀連續(xù)幀獲得三維輪廓線點云數(shù)據(jù)拼接在一個坐標(biāo)系下，獲得被掃描物體完整的表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)掃描。

或者是：利用帶位置信號的流水線或直線滑臺、帶角度信號的旋轉(zhuǎn)平臺上放置被掃描物體而直接得到掃描儀與被掃描物體相對位置的變化信息，再利用攝像頭捕捉前后幀時的位置變化信息將掃描儀連續(xù)幀獲得三維輪廓線點云數(shù)據(jù)拼接在一個坐標(biāo)系下，獲得被掃描物體完整的表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)掃描。

再進一步，所述三維掃描方法包括以下步驟：

1)事先標(biāo)定攝像頭分別在不同波長的相機內(nèi)參和畸變系數(shù)；

2)事先分別標(biāo)定至少兩個激光投影器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置；

3)掃描前，根據(jù)現(xiàn)場的精度和掃描面幅的需求選擇對應(yīng)波段激光投影器進行掃描，根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長下的攝像頭標(biāo)定內(nèi)參及畸變系數(shù)并輸出給2D圖像激光輪廓線提取器和3D構(gòu)造器；根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長的激光器與攝像頭的位置參數(shù)并輸出給3D構(gòu)造器；

4)掃描時，攝像頭將捕捉的物體表面激光輪廓圖像輸入到2D圖像激光輪廓線提取器中，2D圖像激光輪廓線提取器根據(jù)所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參和畸變系數(shù)對所述二維圖像進行畸變矯正，并根據(jù)像素灰度差異提取矯正圖像中線條輪廓的連通區(qū)域，再根據(jù)所述連通區(qū)域內(nèi)的灰度重心計算獲得亞像素級的高光中心二維線條集合；得到的二維線條集合被輸出到3D構(gòu)造器中，根據(jù)所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參、畸變系數(shù)和選擇的當(dāng)前工作激光與攝像頭的位置標(biāo)定參數(shù)，通過三角法原理得到三維輪廓點云數(shù)據(jù)并輸出。

所述步驟1)中，攝像頭的標(biāo)定方法采用張正友標(biāo)定法獲得攝像頭的焦距、中心偏移量以及徑向畸變和切向畸變系數(shù)。

所述步驟2)中，激光投影器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置的具體標(biāo)定方法利用表面具有已知特征的平板作為標(biāo)定板，攝像頭拍攝投射到標(biāo)定板上的線狀激光獲得一幅二維的激光線圖像，再利用仿射變換原理將二維圖像中的標(biāo)定板“拉伸”為三維坐標(biāo)中真實的尺寸，同時得到攝像頭坐標(biāo)系下的三維激光輪廓線；將掃描儀相對于標(biāo)定板變換多個距離便得到多條攝像頭坐標(biāo)系下三維激光輪廓線，將這些三維輪廓線的點云擬合出的攝像頭坐標(biāo)系下的平面方程即為該激光器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置標(biāo)定參數(shù)。

以一個攝像頭與紅色波段和藍色波段兩個的線狀激光投影器為例來具體闡述本方案獲得物體表面三維輪廓數(shù)據(jù)的實現(xiàn)原理。如圖1所示，波段1激光投影器為紅色線狀激光器，波段2激光投影器為藍色線狀激光器；同步觸發(fā)單元同時連接一個攝像頭的外觸發(fā)接口以及兩個激光投影器的驅(qū)動控制接口并對攝像頭和當(dāng)前工作波段的激光投影器進行同步觸發(fā)；攝像頭實時捕捉的圖像發(fā)送給計算處理單元進行立體視覺三維重建計算并輸出最終的三維點云。具體實現(xiàn)方式如圖3所示，步驟如下：

步驟1.事先標(biāo)定攝像頭分別在波長1和波長2(波長1和波長2分別為1號激光器和2號激光器的波長)的相機內(nèi)參和畸變系數(shù)，并保存在系統(tǒng)的計算處理單元中。攝像頭的標(biāo)定方法可以采用目前廣泛采用的張正友標(biāo)定法獲得攝像頭的焦距、中心偏移量以及徑向畸變和切向畸變系數(shù)。

步驟2.事先分別標(biāo)定1號激光器和2號激光器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置，并將標(biāo)定好的1號及2號激光標(biāo)定參數(shù)保存在系統(tǒng)的計算處理單元中。激光投影器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置的具體標(biāo)定方法可以優(yōu)選利用表面具有已知特征的平板作為標(biāo)定板，攝像頭拍攝投射到標(biāo)定板上的線狀激光獲得一幅二維的激光線圖像，再利用仿射變換原理將二維圖像中的標(biāo)定板“拉伸”為三維坐標(biāo)中真實的尺寸，同時得到攝像頭坐標(biāo)系下的三維激光輪廓線。將掃描儀相對于標(biāo)定板變換多個距離便可得到多條攝像頭坐標(biāo)系下三維激光輪廓線，將這些三維輪廓線的點云擬合出的攝像頭坐標(biāo)系下的平面方程即為該激光器所投射的光面與攝像頭之間的空間位置標(biāo)定參數(shù)。

步驟3.掃描前，根據(jù)現(xiàn)場的精度和掃描面幅的需求選擇紅色波段或者藍光波段進行掃描，并記錄在波段切換判斷器中。第一波段切換判斷器根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長下的攝像頭標(biāo)定內(nèi)參及畸變系數(shù)并輸出給2D圖像激光輪廓線提取器和3D構(gòu)造器；第二波段切換判斷器根據(jù)設(shè)定選擇對應(yīng)波長的激光器與攝像頭的位置參數(shù)并輸出給3D構(gòu)造器。

步驟4.掃描時，攝像頭將捕捉的物體表面激光輪廓圖像輸入到計算處理單元的2D圖像激光輪廓線提取器中，2D圖像激光輪廓線提取器根據(jù)第一波段切換判斷器所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參和畸變系數(shù)對所述二維圖像進行畸變矯正，并根據(jù)像素灰度差異提取矯正圖像中線條輪廓的連通區(qū)域，再根據(jù)所述連通區(qū)域內(nèi)的灰度重心計算獲得亞像素級的高光中心二維線條集合。得到的二維線條集合被輸出到3D構(gòu)造器中，根據(jù)第一波段切換判斷器所選擇的當(dāng)前波段的攝像頭內(nèi)參、畸變系數(shù)和第二波段切換判斷器選擇的當(dāng)前工作激光與攝像頭的位置標(biāo)定參數(shù)，通過三角法原理得到三維輪廓點云數(shù)據(jù)并輸出。

實施例2

參照圖1～圖3，一種含有多個不同波長激光器的三維掃描儀，所述掃描儀包括至少兩個激光投影器、至少一個用于拍攝投射到被檢測物體表面激光圖案的攝像頭和一個連接攝像頭進行圖像識別及三維重建的計算處理單元；所述的至少兩個激光投影器對應(yīng)至少兩種不同波長，激光投影器所投射的光幕的空間位置與攝像頭的位置關(guān)系均標(biāo)定已知，所述攝像頭的輸出端與所述計算處理單元連接，所述的計算處理單元包括2D圖像激光輪廓線提取器、3D構(gòu)造器、用于選擇標(biāo)定攝像頭在選定波長的內(nèi)參和畸變系數(shù)的第一波段切換判斷器和用于選擇其中一個激光投影器所投影的光面與攝像頭之間的空間位置的第二波段切換判斷器、所述攝像頭的輸出端與所述2D圖像激光輪廓線提取器連接，所述2D圖像激光輪廓線提取器與所述3D構(gòu)造器，所述第一波段切換判斷器分別與所述2D圖像激光輪廓線提取器、3D構(gòu)造器連接，所述第二波段切換判斷器分別與所述3D構(gòu)造器連接。

進一步，所述激光投影器和攝像頭的觸發(fā)端均與用于選擇性觸發(fā)所述相同波長的一只或者多只激光投影器與攝像頭同步工作的同步觸發(fā)單元連接。

再進一步，所述攝像頭上安裝多帶通濾光片，所述的濾光片的帶通波段與所述的至少兩個激光投影器的至少兩種波長對應(yīng)。

更進一步，至少兩個不同波長的激光投影器包括藍色波段的激光投影器和紅色波段的激光投影器。

以配備紅藍兩種波段線狀激光投影器的三維掃描儀為例來對本發(fā)明的系統(tǒng)及原理進行闡述。本發(fā)明的工作原理如圖1所示，波段1激光投影器為紅色線狀激光器，波段2激光投影器為藍色線狀激光器；同步觸發(fā)單元同時連接一個或兩個攝像頭的外觸發(fā)接口以及兩個激光投影器的驅(qū)動接口并對攝像頭及一個當(dāng)前工作波段的激光投影器進行同步觸發(fā)；攝像頭實時捕捉的圖像發(fā)送給計算處理單元進行立體視覺三維重建計算并輸出最終的三維點云。

所述的同步觸發(fā)單元內(nèi)部可以由微控制單元MCU控制工作節(jié)拍，并將同步控制信號通過隔離器件OC輸出到功率器件MOS來最終控制激光投影器LASER1/LASER2和攝像頭CAMERA的同步工作。MCU的固件根據(jù)用戶的選擇來確定在某一時刻是同步觸發(fā)波段1紅光的LASER1和CAMERA1(及CAMERA2)同步工作還是波段2藍光的LASER2和CAMERA1(及CAMERA2)同步工作。

當(dāng)然，如果進行連續(xù)掃描，則MCU根據(jù)設(shè)定的幀率來循環(huán)同步觸發(fā)激光和攝像頭，攝像頭連續(xù)將捕捉的圖片輸入計算處理單元進行三維立體視覺三維重建計算，最后持續(xù)輸出三維點云數(shù)據(jù)。