基于机器视觉的远程三维扫描系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器视觉领域，具体涉及一种基于机器视觉的远程三维扫描方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内外越来越引起研究领域的关 注。随着计算机图形学的发展，一些相关技术也相继出现或在原有基础上有了长足进步。虚 拟现实、数字城市、数字博物馆、逆向工程等新名词相继出现并开始进入应用阶段。这些技 术都不可或缺的需要进行三维几何建模，而传统的Aut 〇CAD、3D Max、MAYA等建模工具已经 逐渐不能胜任人们对复杂曲面物体的建模需要，由此三维激光扫描技术应运而生。尤其是 随着逆向工程的发展，寻找一个能够快速获取三维信息的设备成为研究领域的热点。三维 激光扫描技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领 域发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的创新，推动了各个领域工作新方法〇的开展。
[0003] 三维激光扫描是从复杂实体或实景中获取目标的三维数据及模型，主要是获取目 标的线、面、体、空间等三维实测数据并进行高精度的三维逆向建模，它区别于传统的单点 定位测量及点线测绘技术。三维激光扫描技术集光、机、电等各种技术于一身，它是从传统 测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的，是对 多种传统测绘技术的概括及一体化。
[0004] 激光三维扫描仪作为逆向工程中获取三维信息的主要设备，在文物保护、虚拟现 实、影视特技、工业生产、刑事侦查、三维传真和雕塑制作等领域三维扫描技术都己经开始 投入应用。而在某些特殊场合，三维扫描仪还具有独特的、不可替代的作用。比如测量比 较柔软的物体，用传统的接触测量方法，很可能在测量时使物体变形，从而使测量结果不精 确。而许多非接触式的三维扫描仪以激光为测量媒质，不会引起物体表面的变形和损伤。
[0005] 目前，国内外学者研究出大量获取物体三维点云数据的方法和技术，但存在着各 种各样的不足和缺陷：
[0006] 1、扫描条件苛刻，很多三维扫描设备采用主动视觉的方法进行扫描，利用照明光 源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息，根据光线的畸变程度来恢复物体的深度信 息，这种方法对光线的依赖严重，容易受到环境光的影响，需对扫描时的光线环境进行严格 控制，以提高扫描质量，例如：德国Steinbichler公司生产的Coment光学照相系统，它将一 系列栅格化光投射到被测物体表面，需在较暗的环境中工作。
[0007] 2、三维点计算速度慢，基于单幅图像或立体视觉的三维扫描设备，往往需要大量 的计算工作，例如：使用双目摄像机进行三维信息的采集，其原理是双目立体视差法，利用 拍摄到的多组对应的物体图像对，采用对应点的视差来计算物体的立体信息，这些方法都 是利用平行双目获取物体三维信息的，但实际中很难保证双目的平行性，并且计算特征点 和匹配点的算法往往复杂度较高，会占用大量的时间。
[0008] 3、扫描精度低，大多数设备对环境光的鲁棒性不强，使用到的设备本身也存在一 定的误差，若不对系统采取硬件或者软件的措施，很难保证扫描的精度。
[0009] 4、设备结构复杂且造价昂贵，对环境要求较低且扫描性能较好的设备往往会采用 附加的硬件和软件来削弱环境光的影响和提高计算精度，势必会使得三维扫描仪的结构复 杂且价格昂贵，例如Jens Schlemper等提出的可在室外使用的三维扫描设备，体积约为 lm*0. 5m*0. 4m，造价约为80万元。
【发明内容】
[0010] 为了克服上述现有三维扫描设备的缺点和不足，本发明的目的在于构建一套能在 自然环境下使用的、性能良好、精度较高、结构简单且价格低廉的三维扫描设备，和利用该 设备进行三维扫描的方法。本发明基于机器视觉原理，设计了一套三维扫描硬件设备并开 发了一套配套的软件系统，包括图像采集部分、摄像机焦距标定部分、系统标定部分、图像 处理部分和三维点云获取部分，可在自然光下完成对物体的三维扫描工作，精度较高速度 较快。
[0011] 为了实现上述任务，本发明采用的技术方案如下：
[0012] 一种基于机器视觉的远程三维扫描系统，包括摄像机，摄像机设置一对，安装在水 平的支架上，并使两个摄像机的光轴相互平行且平行于水平面；两个摄像机通过交换机连 接至计算机系统；扫描物放置在两个摄像机前方的公共视野区域内，利用激光器匀速扫射 扫描物；该扫描系统还包括标定板和设置在标定板上的标定光源；
[0013] 所述的计算机系统包括依次连接的图像采集模块、摄像机焦距标定模块、系统标 定模块、图像处理模块和三维点云获取模块，其中：
[0014] 图像采集模块，利用摄像机进行实时图像采集；
[0015] 摄像机焦距标定模块，利用标定板完成摄像机焦距参数的标定；标定板在平行于 摄像机光轴的方向上运动，摄像机在标定板的不同位置拍摄两幅图像，利用两幅图像及位 移距离的几何关系，计算得到摄像机焦距参数；
[0016] 系统标定模块，利用两个摄像机获得的标定板的图像，根据投影关系和反对称矩 阵、罗德里格矩阵性质，求得摄像机的平移旋转矩阵；
[0017] 图像处理模块，在激光器扫射扫描物的过程中，对图像采集模块采集到的两个摄 像机拍摄的图像进行预处理，并利用光条图像上的光强极值点附近所有点的光强信息，实 现两幅图像中光条的提取；
[0018] 三维点云获取模块，利用系统标定模块求得的平移旋转矩阵，可在图像处理模块 提取到的光条中心中，找到变换前后光条中心的匹配点，作为匹配点对；利用匹配点对与两 摄像机光轴中心，及其形成的两直线，计算得到的交点为实际扫描物点的三维点坐标。
[0019] 进一步地，所述的摄像机的分辨率不低于1280X960像素，帧频不低于25fps，在 每一个摄像机的镜头与机身之间均依次加入普通滤光片和窄带滤光片，其中窄带滤光片中 心波长为980nm，直径为18mm，半带宽为5nm，截止波长为400-1100nm，中心波长通透率大于 80% ;普通滤光片直径为18mm，400-760nm截止，800nm-1100nm高透，厚度为2mm，透过率为 92%〇
[0020] 进一步地，所述的标定板包括板体，所述的标定光源采用激光二极管，在板体上呈 十字形分布五个激光二极管，激光二极管中心波长为980nm，功率为lOOmw，工作电压为2V， 工作温度为-10~40 °C，中心波长透过率大于80%。
[0021] 一种基于机器视觉的远程三维扫描方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤一，准备过程
[0023] 打开两个摄像机，判断摄像机的工作状态，当两个摄像机同时正常采集图像时，进 行下一步；两个摄像机分别记为左摄像机和右摄像机；
[0024] 步骤二，摄像机焦距标定
[0025] 分别对两个摄像机焦距进行标定，得到两个摄像机标定后的焦距；
[0026] 步骤三，系统标定
[0027] 利用两个摄像机和标定板，得到两个摄像机的平移旋转矩阵；
[0028] 步骤四，图像处理
[0029] 步骤S401，将扫描物放置在支架前方，使扫描物处于两个摄像机前方的公共视野 区域内，打开激光器，手持或使用步进电机匀速带动激光器以转动的方式匀速扫射扫描物， 使激光器的激光光条垂直打在扫描物上，利用两个摄像机分别获取一副图像，记为左、右光 条图像，利用中值滤波的方法对两幅激光光条图像进行去噪处理；
[0030] 步骤S402,将两幅激光光条图像灰度化，通过下式计算左光条图像中的左光条的 中心位置，以及右光条图像中的右光条的中心位置：
[0031]
[0032] 上式中，I (i)是第i列的光强，列光强最大的位置为￥_沽为在Yniax的左右各取点 的个数；
[0033] 设列光强最大点的灰度为gnax，设自适应阈值t为：
[0034]
[0035] 上式中，e = 10~15,若计算出的光条中心位置C的亮度值大于t，则认为该点为 激光光条中心点，由此可得到两幅光条图像的激光光条的中心位置，记为左光条中心和右 光条中心；
[0036] 步骤五，三维点云获取
[0037] 步骤S501，根据步骤三求得的平移旋转矩阵，计算出左光条中心和右光条中心的 实际三维坐标；遍历左光条中心的每一个点，根据步骤二得到的摄像机焦距标定结果，将左 光条中心的点变换到左摄像机三维坐标系之下，遍历右光条中心的每一个点，将右光条中 心的点变换到右摄像机三维坐标系之下；
[0038] 步骤S502,利用系统标定得到的平移旋转矩阵，计算右光条中心中的点在左光条 中心的对应点，两点构成匹配点对；
[0039] 步骤S503,在所有的匹配点对中，选取一对匹配点对；匹配点对中，右光条中心的 点称为右匹配点，右光条中心的点在左光条中心的对应点称为左匹配点，计算左摄像机光 心点与左匹配点构成的直线，和右摄像机光心点与右匹配点构成的直线；
[0040] 步骤S504,若步骤S503求得的两条直线相交，则交点即为扫描物表面实际三维点 坐标；若两条直线不相交，则取两条直线公垂线的中点作为扫描物表面实际三维点坐标。
[0041] 进一步地，步骤二中摄像机焦距标定的过程包括：
[0042] 步骤S201，将标定板垂直于摄像机光轴方向放置在摄像机的视野之内，打开标定 板的标定光源，调整标定板的位置，记标定光源所在位置为标定点，使标定板中心的标定点 与摄像机捕获到的图像中心重合，保存此时摄像机采集到的图像为标定图像一；
[0043] 步骤S202,记录此时摄像机所在的位置为摄像机位置一，和标定板所在的位置；
[0044] 步骤S20