CN103206926A - 一种全景三维激光扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全景三维激光扫描装置，该装置一字线激光器的柱透镜的轴线垂直于二次曲面反射镜一的光轴，且一字线激光器的柱透镜的轴线经过二次曲面反射镜一的一个焦点；相机的光轴与二次曲面反射镜二的光轴重合，且相机镜头中心与二次曲面反射镜二的一个焦点重合；计算机控制一字线激光器旋转运动；一字线激光器发出一字激光线经过二次曲面反射镜一投射到物体上，经过漫反射，部分光线经过二次曲面反射镜二投射到相机中，相机传感器获得图像经过图像采集卡输入到计算机中并计算出周围物体的三维位置坐标；该装置向被测的物体主动投射一字线激光图案，简化相机采集的图像与一字激光线中对应点的匹配，从而提高测量结果的准确性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种全景三维激光扫描装置，属于光学测量和计算机视觉领域。
背景技术
全景三维扫描装置是一种可提高360度全景三维信息，该装置弥补了传统三维扫描装置的视野狭小的缺点，可广泛用于三维图形测量、机器人导航、虚拟现实以及监视系统。全景三维扫描仪主要由一个全景投影装置和一个全景相机组成，其中全景相机和全景投影仪的光路主要有透镜和反射镜组成，根据反射镜的不同，光路可以进一步分为满足单点约束和不满足单点约束的光路，满足单点约束的光路的最大优点是所有的光线均通过一个点，这样容易给出该光路系统的数学模型和极线几何约束模型；不满足单点约束的光路很难采用数学模型来表达。为了容易实现精确告诉测量，所述的反射镜镜面形状采用双曲面、抛物面或椭球面；同时，相机、一字线激光器与反射镜的相对位置关系要满足单个视点的条件。1999年，《INTERNATIONAL JOURNAL of COMPUTER VISION》第35卷第2号“A Theory ofSingle-Viewpoint Catadioptric Image Formation”一文中第175～196页中详细地介绍了单视点的模型及要求。
中国专利公开号CN1870759A，公开日2006年11月29日，发明专利《用单个相机提供全景立体图像的设备》，公开了一种三维全景立体成像装置。该装置利用单个相机分别采集两个反射镜反射的全景图像，并搜索出两个反射镜反射图像的对应点，从而确定空间的三维位置信息，该方法可以产生360的全景三维信息，且结构紧凑。但是其不足之处是：由于该方法是被动视觉，当两个反射镜中的图像没有明显的特征（如反射镜四周都是白墙），那么很难找到两个图像中的对应点从而不能确定该点的三位位置信息。因此，该装置全景三维信息的质量很大程度上依赖于周围的环境的图像特征。
发明内容
本发明针对上述被动视觉的问题提供一种基于主动视觉的全景三维激光扫描装置。
为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种全景三维激光扫描装置，其包括一字线激光器、二次曲面反射镜一、二次曲面反射镜二和相机，所述一字线激光器的柱透镜的轴线垂直于二次曲面反射镜一的光轴，且一字线激光器的柱透镜的轴线经过二次曲面反射镜一的一个焦点；所述相机的光轴与二次曲面反射镜二的光轴重合，且相机镜头中心与二次曲面反射镜二的一个焦点重合。
所述一字线激光器由电机承载沿二次曲面反射镜一的光轴方向旋转运动，所述电机由驱动器驱动做旋转运动，所述驱动器由计算机通过运动控制卡控制；一字线激光器发出的一字激光线经过二次曲面反射镜一投射到周围环境中的物体上，经过物体表面的漫反射，部分光线经过二次曲面反射镜二投射到相机中，相机传感器获得图像经过图像采集卡输入到计算机中并计算出周围物体的三维位置坐标。
所述相机的外触发连接于运动控制卡的输入输出端口（IO）上，运动控制卡控制电机每旋转一固定角度后，通过相机的外触发控制相机曝光成像。
所述二次曲面反射镜一和二次曲面反射镜二的镜面为双曲面、抛物面或椭球面，且二次曲面反射镜一和二次曲面反射镜二的光轴相互平行。
本发明采用主动投射激光线是区别现有被动式全景三维装置的创新点之一，即利用一字线激光器向二次曲面反射镜一投射激光线，激光线会被投射到被测量物体表面，被物体表面反射的光线会通过二次曲面反射镜二进入相机；计算机通过分析激光线的形变来重建出被测物体的表面形状。
该装置可以提供360度物体的扫描，且便于搜索相机和一字线激光器中对应的点。通过激光线的投射，该扫描装置可以不依赖于物体表面的纹理与颜色，获得精确的物体表面的三维形状。
同时，该装置向被测的物体主动投射一字线激光图案，大大简化了相机采集的图像与一字激光线中对应点的匹配，从而大大提高了测量结果的准确性和鲁棒性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明全景三维激光扫描装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明全景三维激光扫描装置包括近红外（800nm）一字线激光器1、二次曲面反射镜一2、二次曲面反射镜二3和相机4，二次曲面反射镜一2、二次曲面反射镜二3均采用抛物线曲面反射镜，或为双曲面、椭球面反射镜；而相机4采用近红外相机。
上述一字线激光器1的柱透镜的轴线垂直于二次曲面反射镜一2的光轴，且一字线激光器1的柱透镜的轴线经过二次曲面反射镜一2的一个焦点。
所述相机4的光轴与二次曲面反射镜二3的光轴重合，且相机4镜头中心与二次曲面反射镜二3的一个焦点重合。
所述一字线激光器1由电机5承载沿二次曲面反射镜一2的光轴方向旋转运动，所述电机5由驱动器6驱动做旋转运动，所述驱动器6由计算机7通过运动控制卡8控制；所述电机5、驱动器6、计算机7及运动控制卡8分别采用四通步进电机、四通步进电机驱动器、工业控制计算机及四通运动控制卡。
一字线激光器1发出的一字激光线的光经过二次曲面反射镜一2投射到周围环境中的物体上，经过物体表面的漫反射，部分光线经过二次曲面反射镜二3投射到相机4中，相机4传感器获得图像经过图像采集卡9（图像采集卡9采用Matrox图像采集卡）输入到计算机7中并计算出周围物体的三维位置坐标。
工业控制计算机通过运动控制卡控制驱动器6；驱动器6驱动步进电机进行旋转运动，一字线激光器1绕抛物线曲面反射镜（即二次曲面反射镜一2）的光轴方向做旋转运动，步进电机每旋转1度停止一下；发射出的一字激光线的光经过抛物线曲面反射镜投射到周围环境中的物体上，经过物体表面的漫反射，部分光线经过抛物线曲面反射镜（即二次曲面反射镜二3）投射到相机4中，相机4传感器获得图像经过Matrox图像采集卡输入到计算机7，根据步进电机旋转的角度以及一字线激光器1的形变程度，并计算出周围物体的三维位置坐标。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种全景三维激光扫描装置，其特征在于包括一字线激光器（1）、二次曲面反射镜一（2）、二次曲面反射镜二（3）和相机（4），所述一字线激光器（1）的柱透镜的轴线垂直于二次曲面反射镜一（2）的光轴，且一字线激光器（1）的柱透镜的轴线经过二次曲面反射镜一（2）的一个焦点；所述相机（4）的光轴与二次曲面反射镜二（3）的光轴重合，且相机（4）镜头中心与二次曲面反射镜二（3）的一个焦点重合；所述一字线激光器（1）由电机（5）承载沿二次曲面反射镜一（2）光轴方向旋转运动，所述电机（5）由驱动器（6）驱动做旋转运动，所述驱动器（6）由计算机（7）通过运动控制卡（8）控制；一字线激光器（1）发出的一字激光线经过二次曲面反射镜一（2）投射到周围环境中的物体上，经过物体表面的漫反射，部分光线经过二次曲面反射镜二（3）投射到相机（4）中，相机传感器获得图像经过图像采集卡（9）输入到计算机（7）中并计算出周围物体的三维位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种全景三维激光扫描装置，其特征在于：所述相机（4）的外触发连接于运动控制卡（8）的输入输出端口上，运动控制卡（8）控制电机每旋转一固定角度后，通过相机（5）的外触发控制相机（4）曝光成像。
3.根据权利要求1所述的一种全景三维激光扫描装置，其特征在于：所述二次曲面反射镜一（2）和二次曲面反射镜二（3）的镜面为双曲面、抛物面或椭球面，且二次曲面反射镜一（2）和二次曲面反射镜二（3）的光轴相互平行。
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