获取物体三维信息的方法、装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种获取物体三维信息的方法，所述方法包括：将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上；控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像；根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。本发明提供的获取物体三维信息的方法，不需要专门的光栅投影设备来产生结构光，成本低。本发明还提供了一种获取物体三维信息的装置和系统。
【专利说明】获取物体三维信息的方法、装置和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维成像【技术领域】，特别是涉及一种获取物体三维信息的方法、装置和系统。
【背景技术】
[0002]激光打标机需要先获取被打标物体的三维信息，然后才能在被打标物体上准确地进行激光三维打标。传统技术中获取三维信息通常需要借助AutoCAD、3DS MAX等专业三维处理软件人工处理完成，这种方式十分耗时，而且精度易受人为因素影响。另一种获取三维信息的方式是借助接触式测量仪、激光扫描仪等仪器来获取物体模型，这种方式虽然精度上有了提高，但这些设备可能会对被打标物体带来损害，因而限制了其应用的范围。
[0003]近年来，随着计算机视觉技术的发展，出现了基于视觉系统的获取物体三维信息的方法。视觉系统分为主动视觉系统和被动视觉系统。被动视觉系统一般包括位于不同位置的多台摄像机，从而在不同位置拍摄多福物体图像来获得物体的三维信息，基于被动视觉系统的获取物体三维信息的方法，需要找到多个不同图像之间的匹配关系，这一直是计算机视觉领域的一个难题，从而限制了这类方法的应用。主动视觉系统则一般采用结构光的方式，通常包括一台摄像机和一个光栅投影设备，光栅投影设备向物体投射网格等图案，摄像机拍摄得到这些投射的图案在物体表面形成的图像，从而利用特定算法计算获得物体的三维信息。但基于主动视觉系统的获取物体三维信息的方法，需要专门的光栅投影设备，会增加额外的成本，而且利用主动视觉系统获取物体三维信息，将该三维信息传递给激光打标机，再利用激光打标机来打标，操作过于繁琐。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要针对传统的基于主动视觉系统的获取物体三维信息的方法需要专门的光栅投影设备形成结构光，导致成本高的技术问题，提供一种获取物体三维信息的方法、装置和系统。
[0005]一种获取物体三维信息的方法，所述方法包括:
[0006]将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上；
[0007]控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像；
[0008]根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
[0009]一种获取物体三维信息的装置，所述装置包括:
[0010]对焦模块，用于将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上；
[0011]直线扫描模块，用于控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像；[0012]计算模块，用于根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
[0013]一种获取物体三维信息的系统，所述系统包括激光器、激光扫描头、固定视野的相机和控制装置；所述激光扫描头和所述相机分别与所述控制装置连接；
[0014]所述激光器用于产生激光束；
[0015]所述激光扫描头用于在所述控制装置控制下对焦到基准平面上，将所述激光器产生的激光束反射到基准平面上形成光斑，控制所述光斑沿所述基准平面移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描；
[0016]所述相机用于拍摄每条扫描线的图像；
[0017]所述控制装置用于根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
[0018]上述获取物体三维信息的方法、装置和系统，在对焦到基准平面上后，进行多次平行的直线扫描而获得每条扫描线的图像，且由于相机的视野是固定的，这样多幅图像之间的匹配关系是可直接确定的，从而可以根据拍摄获得的多幅图像来计算获得被扫描物体整体的三维信息，不需要专门的光栅投影设备来产生结构光，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为一个实施例中获取物体三维信息的系统的组成结构示意图；
[0020]图2为一个实施例中扫描被扫描物体时各个操作的时序图；
[0021]图3为一个具体实例中相机拍摄获得的4条扫描线的图像；
[0022]图4为一个实施例中激光扫描头的组成结构示意图；
[0023]图5为一个实施例中采用如图4所示的激光扫描头控制投射到基准平面上的光斑移动的原理示意图；
[0024]图6为一个实施例中获取物体三维信息的方法的流程示意图；
[0025]图7为一个实施例中控制激光扫描头发出的激光束在基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像的步骤的流程示意图；
[0026]图8为一个实施例中获取物体三维信息的装置的结构框图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]如图1所示，在一个实施例中，提供了一种获取物体三维信息的系统，该系统包括激光器、激光扫描头、固定视野的相机和控制装置，且激光扫描头和相机分别与控制装置连接。其中激光器用于产生激光束；激光器产生的激光束发射给激光扫描头，激光扫描头将激光束反射到基准平面上。固定视野的相机是指该相机的拍摄区域是固定的，且该相机的视野覆盖放置于基准平面上的被扫描物体。控制装置为具有信息处理能力的装置，可控制激光扫描头和相机的工作，并可对相机拍摄的图像进行处理，该控制装置可为计算机。下面详细说明系统中各个组成元件的功能。
[0029]激光扫描头可为激光扫描方头，用于在控制装置控制下对焦到基准平面上，将激光器产生的激光束反射到基准平面上形成光斑，控制光斑沿基准平面移动，以覆盖放置于基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描。
[0030]具体地，激光扫描头用于将激光器产生的激光束反射到基准平面上从而进行扫描。基准平面在扫描时作为参考平面，可为包括在该系统中或者附加的工作台表面，该基准平面可为水平面。将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上，使得当激光扫描头将激光束反射到基准平面上时，在基准平面上形成一个轮廓清晰的光斑，从而便于后续进行精确的激光扫描。
[0031]激光扫描头发出的激光束是激光器产生而发射给激光扫描头，由激光扫描头反射到基准平面上。经过对焦后，激光扫描头发出的激光束可在基准平面上形成清晰的光斑。被扫描物体放置在基准平面上，激光扫描头用于通过转动或平移来移动光斑的位置，从而实现对被扫描物体进行覆盖式扫描，且扫描的图案为多条平行的直线，并利用固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像。这里的覆盖被扫描物体进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，是指扫描的多条平行直线构成的区域能够完全覆盖被扫描物体所在的空间。这里的平行的直线扫描是指当不存在被扫描物体时，光斑在经过基准平面上相应的位置时的路径是一条条平行直线。当存在被扫描物体时，光斑在移动中经过被扫描物体时，扫描的直线发生形变，相机用于拍摄每条扫描线的图像，从而捕捉到这种形变，作为计算被扫描物体的三维信息的重要依据。
[0032]控制装置用于根据拍摄的多幅图像计算获得被扫描物体的三维信息。具体地，相机拍摄的每幅图像各自包括一条扫描线的影像，控制装置用于根据这多幅图像，利用激光三角测量法来计算被扫描物体的三维信息。三维信息是指表示被扫描物体在空间中的形状的信息，可以是被扫描物体的各个离散化的点的空间坐标。激光扫描头用于在被扫描物体上方用激光束以一定的角度照射，使得激光束在被扫描物体表面发生反射或者散射，相机用于在另一个角度对该反射或散射的激光束进行汇聚成像。被扫描物体上激光束照射所产生的激光束光斑的位置发生变化，反射或散射的激光束的角度也会变化，导致在相机的图像传感器上捕捉到的光斑影像的位置也会发生变化，且捕捉的光斑影像在图像中的位置与光斑在被扫描物体上的位置是对应的，从而可利用这种对应关系，根据拍摄获得的多幅图像来计算被扫描物体的三维信息。
[0033]上述获取物体三维信息的系统，在对焦到基准平面上后，进行多次平行的直线扫描而获得每条扫描线的图像，且由于相机的视野是固定的，这样多幅图像之间的匹配关系是可直接确定的，从而可以根据拍摄获得的多幅图像来计算获得被扫描物体整体的三维信息，不需要专门的光栅投影设备来产生结构光，成本低。
[0034]在一个实施例中，控制装置还用于控制相机开启快门后，控制激光扫描头将激光器产生的激光束反射到基准平面上形成光斑，使光斑沿基准屏幕上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描，控制相机关闭快门，获得一条扫描线的图像。
[0035]具体参照图2所示的扫描被扫描物体的时序图。相机的视野固定不变，最好在无光环境下开启相机的快门，相机开始曝光。然后再控制激光扫描头发出的激光束在基准平面上所形成的光斑沿第一预设方向移动。且该光斑在移动过程中跨越被扫描物体，具体从基准平面上开始，经过被扫描物体后再落在基准平面上。再关闭相机的快门，结束该次曝光。这样相机的图像传感器就捕捉到了发生形变的扫描线的影像，获得一条扫描线的图像。扫描一条直线所需的扫描时间根据相机的曝光时间确定,具体该扫描时间在相机的曝光时间之内。
[0036]控制装置还用于重复执行控制激光扫描头将光斑沿基准平面上与第一预设方向垂直的第二预设方向位移预设距离，再次开启相机的快门，控制光斑沿第一预设方向或沿与第一预设方向相反的方向进行跨越被扫描物体的单条扫描直线，关闭相机的快门，获得另一条扫描线的图像；直至已进行的多条直线扫描覆盖被扫描物体。
[0037]具体地，在相机上一次曝光结束之后，预留图像处理的时间，以对获得的扫描线的图像进行处理，比如存储、图像增强等。同时控制装置用于控制激光扫描头转动或平移从而控制光斑沿基准平面上与第一预设方向垂直的第二预设方向位移预设距离，然后再次开启相机快门，相机开始曝光。然后再控制激光扫描头发出的激光束在基准平面上所形成的光斑沿第一预设方向或沿与第一预设方向相反的方向移动，且该光斑在移动过程中跨越被扫描物体，具体从基准平面上某点开始，经过被扫描物体后再落在基准平面上。再关闭相机的快门，结束该次曝光。这样相机的图像传感器就捕捉到了发生形变的扫描线的影像，获得另一条扫描线的图像。光斑可在进行相邻两次直线扫描时分别朝相反的方向移动光斑，这样光斑不需要在每次直线扫描结束后返回原来位置，扫描效率高。
[0038]重复执行将光斑位移预设距离到获得另一条扫描线的图像的功能，直至已进行的多条直线扫描覆盖被扫描物体。可通过被扫描物体的长度来计算需要扫描的直线条数，通过判断已进行的直线扫描的条数是否达到计算出的直线条数来判断已进行的多条直线扫描是否已覆盖被扫描物体。比如若被扫描物体长度为X (mm)，预设距离为I (mm)，则至少要扫描X条平行直线才能覆盖被扫描物体。这里被扫描物体的长度是指被扫描物体的沿基准平面上与第一预设方向垂直的第二预设方向上的最大长度。图3为一个具体实例中相机拍摄获得的多条扫描线中其中4条的图像，综合这些图像可以计算获得被扫描物体的三维信息。
[0039]参考图4，在一个实施例中，激光扫描头包括固定有第一反射镜的第一光束偏转器、固定有第二反射镜的第二光束偏转器和平面聚焦镜(F-Theta镜)。第一光束偏转器连带第一反射镜可绕第一光束偏转器的转轴转动，第二光束偏转器连带第二反射镜可绕第二光束偏转器的转轴转动。其中，第一光束偏转器用于通过第一反射镜而将激光器发来的激光束反射到第二光束偏转器的第二反射镜，第二光束偏转器用于通过第二反射镜将反射的激光束经由平面聚焦镜而反射到基准平面上形成光斑。控制装置还用于控制第一光束偏转器和/或第二光束偏转器转动，使光斑沿基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描。
[0040]本实施例中激光扫描头采用的是二维振镜式扫描系统，包括第一光束偏转器、第二光束偏转器和平面聚焦镜，三者构成物镜前扫描系统。每个光束偏转器各自带有一个微小的反射镜片，分别为第一反射镜和第二反射镜，这两个反射镜片的不同偏转方式就可以在基准平面上扫出不同的图案。为了满足工艺要求，该激光扫描头还包括聚焦系统，以获得理想的聚焦光斑大小和激光束功率密度。其中物镜前扫描是指激光器发射的激光束被扩束、准直后，先经光束偏转器偏转。然后由平面聚焦镜将激光束聚焦到基准平面上。
[0041]具体参照图5来说明第一光束偏转器和/或第二光束偏转器转动控制光斑移动的原理。激光束以一定入射角照射到第一反射镜上经第一反射镜反射到第二反射镜，然后经过第二反射镜反射投射到基准平面上的某一点P (X，y)，X、y分别为该点在基于基准平面而建立的坐标系中的X轴坐标和Y轴坐标。第一反射镜的偏转会导致投射到基准平面上的光斑沿X轴移动，而第二反射镜的偏转会导致投射到基准平面上的光斑沿Y轴移动。设U第一反射镜的偏转角，9y为第二反射镜的偏转角。当θχ、0y均为0时，则光斑会打在基准平面的原点位置(0，0)，这时候以聚焦镜为计算光程的起始点，以打在基准平面上的光斑为计算光程的终端，则计算光程为L = d+e，其中d为第二反射镜到基准平面的垂直距离，e为第一反射镜到第二反射镜的距离，则由如下公式:
[0042]tan Θ y = y/d (I)
[0043]
【权利要求】
1.一种获取物体三维信息的方法，所述方法包括: 将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上； 控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像； 根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像，包括: 开启固定视野的相机的快门后，控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描，关闭所述相机的快门，获得一条扫描线的图像； 重复执行控制所述光斑沿所述基准平面上与所述第一预设方向垂直的第二预设方向位移预设距离，再次开启所述相机的快门，控制所述光斑沿所述第一预设方向或沿与所述第一预设方向相反的方向进行跨越被扫描物体的单条扫描直线，关闭所述相机的快门，获得另一条扫描线的图像的步骤；直至已进行的多条直线扫描覆盖所述被扫描物体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光扫描头包括固定有第一反射镜的第一光束偏转器、固 定有第二反射镜的第二光束偏转器和平面聚焦镜；所述控制所述激光束在所述基准平面上所形成的光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描，包括: 通过所述第一光束偏转器的第一反射镜而将激光器发来的激光束反射到所述第二光束偏转器的第二反射镜，使所述第二反射镜将所述反射的激光束经由所述平面聚焦镜而反射到所述基准平面上形成光斑； 控制所述第一光束偏转器和/或所述第二光束偏转器转动，使所述光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法应用于激光打标机。
5.一种获取物体三维信息的装置，其特征在于，所述装置包括: 对焦模块，用于将激光扫描头的焦点对焦到基准平面上； 直线扫描模块，用于控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描，并通过固定视野的相机拍摄每条扫描线的图像； 计算模块，用于根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述直线扫描模块用于开启固定视野的相机的快门后，控制所述激光扫描头发出的激光束在所述基准平面上所形成的光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描，关闭所述相机的快门，获得一条扫描线的图像； 所述直线扫描模块还用于重复执行控制所述光斑沿所述基准平面上与所述第一预设方向垂直的第二预设方向位移预设距离，再次开启所述相机的快门，控制所述光斑沿所述第一预设方向或沿与所述第一预设方向相反的方向进行跨越被扫描物体的单条扫描直线，关闭所述相机的快门，获得另一条扫描线的图像；直至已进行的多条直线扫描覆盖所述被扫描物体。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激光扫描头包括固定有第一反射镜的第一光束偏转器、固定有第二反射镜的第二光束偏转器和平面聚焦镜；所述第一光束偏转器用于通过第一反射镜而将激光器发来的激光束反射到所述第二光束偏转器的第二反射镜，使所述第二反射镜将所述反射的激光束经由所述平面聚焦镜而反射到所述基准平面上形成光斑； 所述直线扫描模块还用于控制所述第一光束偏转器和/或所述第二光束偏转器转动，使所述光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描。
8.一种获取物体三维信息的系统，其特征在于，所述系统包括激光器、激光扫描头、固定视野的相机和 控制装置；所述激光扫描头和所述相机分别与所述控制装置连接； 所述激光器用于产生激光束； 所述激光扫描头用于在所述控制装置控制下对焦到基准平面上，将所述激光器产生的激光束反射到基准平面上形成光斑，控制所述光斑沿所述基准平面移动，以覆盖放置于所述基准平面上的被扫描物体而进行相对于所述基准平面平行的多条平行直线扫描； 所述相机用于拍摄每条扫描线的图像； 所述控制装置用于根据拍摄的多幅图像计算获得所述被扫描物体的三维信息。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制装置还用于控制所述相机开启快门后，控制所述激光扫描头将所述激光器产生的激光束反射到所述基准平面上形成光斑，使所述光斑沿所述基准屏幕上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描，控制所述相机关闭快门，获得一条扫描线的图像； 所述控制装置还用于重复执行控制所述激光扫描头将所述光斑沿所述基准平面上与所述第一预设方向垂直的第二预设方向位移预设距离，再次开启所述相机的快门，控制所述光斑沿所述第一预设方向或沿与所述第一预设方向相反的方向进行跨越被扫描物体的单条扫描直线，关闭所述相机的快门，获得另一条扫描线的图像；直至已进行的多条直线扫描覆盖所述被扫描物体。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述激光扫描头包括固定有第一反射镜的第一光束偏转器、固定有第二反射镜的第二光束偏转器和平面聚焦镜；所述第一光束偏转器用于通过第一反射镜而将激光器发来的激光束反射到所述第二光束偏转器的第二反射镜，所述第二光束偏转器用于通过第二反射镜将所述反射的激光束经由所述平面聚焦镜而反射到所述基准平面上形成光斑； 所述控制装置还用于控制所述第一光束偏转器和/或所述第二光束偏转器转动，使所述光斑沿所述基准平面上的第一预设方向进行跨越被扫描物体的单条直线扫描。
【文档编号】G01B11/24GK104006762SQ201410243525
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】舒远, 李玉廷, 王光能, 闫静, 米野, 丁兵, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司, 深圳市大族电机科技有限公司