手持激光三維掃描設備制造技術

一種手持激光三維掃描設備，包括單個工作攝像頭、激光發生器、支座、控制電路板、高亮補光發生器以及軌跡跟蹤掃描處理系統，單個工作攝像頭的光軸與激光發生器發射出激光面相的交點位于攝像頭的最佳景深平面位置，單個工作攝像頭的景深范圍為掃描儀的測量深度范圍，激光發生器的景深范圍涵蓋掃描儀的測量深度范圍，單個工作攝像頭和激光發生器均安裝在支座上，單個工作攝像頭和激光發生器均與控制電路板連接，控制電路板與高亮補光發生器連接，高亮補光發生器放置在單個工作攝像頭鏡頭外圈，控制電路板與軌跡跟蹤掃描處理系統連接。本實用新型專利技術對系統硬件配置的要求較低、掃描范圍較大、移動拼接時的順暢性良好、精度較高、成本較低。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于三維掃描
，涉及一種手持激光三維掃描設備。
技術介紹
目前已有的雙攝像頭手持掃描技術(如加拿大形創有限公司《三維掃描自動參考系統和設備》，專利技術專利申請號:200680014069.3 ;沈陽雅克科技有限公司《一種手持式三維型面信息提取方法及提取儀》，專利技術專利申請號:201010173849.0)均利用經過標定的雙攝像頭分別對被測物體進行圖形采集，并分別提取圖像中的特征標記點進行立體視覺匹配，重構左右攝像頭共同視野內的標記點在儀器坐標系下的三維坐標及拓撲結構，利用這些標記點的拓撲結構與在世界坐標系中已知標記點庫(已知標記點庫可以是先前掃描獲得，也可以是通過其他方法，如攝影測量法，預先掃描得到的標記點集合)進行匹配，如果匹配成功就可以反推出當前儀器的位置及姿態參數。在得出當前儀器的位置姿態信息后可以使用兩種方法來獲得投影到被測物體上激光線的三維坐標:1)可以利用某個攝像頭拍攝的圖像中提取激光輪廓線，并根據已標定好的該攝像頭與線狀激光發生器所發射激光面的位置關系獲得激光輪廓線在儀器坐標系下的三維坐標。2)可以利用兩個攝像頭獲得的兩幅圖像中提取激光輪廓線，采用與處理標記點類似的方法進行立體視覺匹配得到激光輪廓線的三維的坐標值。上述原理描述了兩個攝像頭一次同步曝光采集圖像的處理過程，由于手持激光三維掃描儀進行的是六自由度移動的非接觸式掃描，被測物體表面在攝像頭的視野范圍內連續移動時需要實現儀器不同位置和角度所獲得的物體表面標記點三維拓撲結構與已知標記點庫內的標記點拓撲結構進行連續循環匹配，如果有增加則更新標記點庫。上述激光掃描的方法可以實現以手持方式對被測物體非接觸任意角度的掃描，但由于被掃描的中大型物體(如汽車外輪廓、汽輪機葉片等)可能貼有幾百個甚至上千個標記點，掃描儀每秒幾十次曝光所采集的每一幀圖案中的標記點均需要與已記錄標記點庫中的所有標記點的拓撲結構進行一一匹配:計算當前幀中每個標記點與周圍標記點的拓撲關系(距離和角度)并逐個與標記點庫中的每個標記點進行對比，匹配過程需消耗大量的CPU運算時間。另外為防止圖像運動模糊以及保證激光投影輪廓線在物體表面移動的連貫性，手持掃描的方式對攝像頭的曝光時間和頻率有一定的要求，一般曝光時間為幾毫秒、曝光頻率為幾十赫茲，因此計算機需要在幾毫秒的時間內完成對兩幅圖像的標記點識別、兩幅圖像上識別出的標記點相互匹配獲得共同視野標記點集合的相對三維坐標以及與標記點庫匹配獲得共同視野標記點集合的世界坐標從而計算出儀器的位置和形態，還需要識別激光輪廓線以及輪廓線上的激光點的坐標變換等運算。所以需要有很高配置的計算機作為儀器的運算單元以支持其掃描時的實時運算(目前市場上一款主流手持激光掃描儀配套筆記本電腦的標準配置需要4核8線程CPU以及8G內存，在掃描時其CPU占用率超過95% )，如此高的CPU性能要求制約了其微型化和輕量化，無法使用性能較弱的嵌入式CPU與微型攝像頭作為掃描儀的運算和采集部件，阻礙了該原理的手持三維掃描技術在民用消費領域和智能感知領域的進一步擴展。另外，使用雙攝像頭三維掃描的被測物體表面的有效檢測區域為兩個攝像頭視野重合的部分，限制了其掃描的范圍，特別是在掃描有轉角的被測物體表面時，兩個成一定角度的攝像頭很大程度上被轉角對稱遮擋，從而減少了同一幀獲得的標記點的個數和投射的激光輪廓區域，進而降低了掃描移動拼接的順暢性，影響了標記點拼接的精度和激光輪廓線的出點速度。
技術實現思路
為了克服已有雙攝像頭手持掃描設備的對系統硬件配置的要求較高、掃描范圍較小、移動拼接時的順暢性較差、精度較低的不足，本技術提供了一種對系統硬件配置的要求較低、掃描范圍較大、移動拼接時的順暢性良好、精度較高、成本較低的手持激光三維掃描設備。本技術解決其技術問題所采用的技術方案是:一種手持激光三維掃描設備，包括單個工作攝像頭、激光發生器、支座、控制電路板、高亮補光發生器以及用于根據獲得視頻圖像后進行標記點軌跡跟蹤的軌跡跟蹤掃描處理系統，所述單個工作攝像頭的光軸與激光發生器發射出激光面的交點位于攝像頭的最佳景深平面位置，所述單個工作攝像頭的景深范圍為掃描儀的測量深度范圍，所述激光發生器的景深范圍涵蓋掃描儀的測量深度范圍，所述單個工作攝像頭和激光發生器均安裝在所述支座上，所述單個工作攝像頭和激光發生器均與所述控制電路板連接，所述控制電路板與所述高亮補光發生器連接，所述高亮補光發生器放置在單個工作攝像頭鏡頭外圈，所述控制電路板與所述軌跡跟蹤掃描處理系統連接。優選的，所述控制電路板包括主控芯片、?目號隔尚電路、激光驅動電路、尚殼補光驅動電路和數據交換電路，主控芯片與數據交換電路連接，所述數據交換電路的輸出端與所述軌跡跟蹤掃描處理系統連接，所述數據交換電路的輸入端與單個工作攝像頭連接，所述主控芯片與單個工作攝像頭之間經過信號隔離電路進行連接；所述主控芯片通過信號隔離電路與激光驅動電路連接，所述激光驅動電路與激光發生器連接，所述主控芯片通過信號隔離電路與高亮補光驅動電路連接，所述高亮補光驅動電路與高亮補光發生器連接。進一步，所述控制電路板還包括用于同時觸發單個工作攝像頭和激光器的同步觸發控制模塊，所述同步出發控制模塊與所述單個工作攝像頭、激光發生器連接。所述掃描設備還包括輔助攝像頭，所述輔助攝像頭安裝在所述支座上，所述輔助攝像頭與所述控制電路板連接，所述輔助攝像頭的光軸與激光發生器發射出激光面的交點位于攝像頭的最佳景深平面位置，所述輔助攝像頭的景深范圍為掃描儀的測量深度范圍，所述高亮補光發生器放置在輔助攝像頭的鏡頭外圈。本技術的技術構思為:如圖2中a部分所示，由于本技術在掃描時只使用一個攝像頭與激光器組合13進行圖像采集，因此的測量范圍11比需要兩個或以上攝像頭進行三維掃描的系統14的測量范圍12更大，相應的同一幀得到的圖像中被測物體表面的有效標記點個數也更多，這將有助于提高前后幀標記點拼接的成功概率和拼接精度。尤其在掃描物體轉角處時，如圖2中b部分所示，由于物體轉角處存在視角遮擋，雙攝像頭測量范圍19內部的標記點18個數少于單攝像頭掃描時測量范圍17內的標記點16的數目，而如果一次圖像采集獲得標記點數目少于3個時將無法與標記點庫中的標記點拓撲結構進行匹配，也就無法獲得當前儀器位置和形態的RT轉換矩陣。此時用戶需要調整儀器位置和角度將視野，重新對準之前掃描拼接成功的被測物體表面區域得到儀器的RT轉換矩陣后，使用不同視角重新掃描；或者暫停掃描，重新在無法掃描的區域增加新的標記點后再進行重新掃描。這種情況將會很大程度上降低雙攝像頭方式掃描過程的連貫性和出點速度，同時雙攝像頭較小的共同視野導致數量較少的標記點，會不同程度的降低拼接精度。本技術所采用的單攝像頭標記點跟蹤方法可顯著避免此種情況的發生，使掃描過程更為流暢，掃描拼接精度也因為有更多參與拼接的標記點而得到有效的提高。本技術在掃描時利用單個工作攝像頭進行圖像獲取，因此在原始視頻數據傳輸環節相比雙攝像頭或多攝像頭方式減少占用一半以上的傳輸帶寬，這在高分辨率攝像頭(如500萬像素30幀/秒攝像頭需要的傳輸帶寬為1200Mbps)用于高精度三維掃描上顯得尤為重要。在圖形圖像識別環節本技術也只需本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種手持激光三維掃描設備，其特征在于：所述設備包括單個工作攝像頭、激光發生器、支座、控制電路板、高亮補光發生器以及用于根據獲得視頻圖像后進行標記點軌跡跟蹤的軌跡跟蹤掃描處理系統，所述單個工作攝像頭的光軸與激光發生器發射出激光面相交，交點位于攝像頭的最佳景深平面位置，所述單個工作攝像頭的景深范圍為掃描儀的測量深度范圍，所述激光發生器的景深范圍涵蓋掃描儀的測量深度范圍，所述單個工作攝像頭和激光發生器均安裝在所述支座上，所述單個工作攝像頭和激光發生器均與所述控制電路板連接，所述控制電路板與所述高亮補光發生器連接，所述高亮補光發生器放置在攝像頭鏡頭外圈，所述控制電路板與所述軌跡跟蹤掃描處理系統連接。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭俊，王江峰，陳尚儉，
申請(專利權)人：杭州鼎熱科技有限公司，
類型：新型
國別省市：浙江;33