手持激光三维扫描设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于三维扫描技术领域，涉及一种手持激光三维扫描设备。
【背景技术】
[0002]目前已有的双摄像头手持扫描技术(如加拿大形创有限公司《三维扫描自动参考系统和设备》，发明专利申请号:200680014069.3 ;沈阳雅克科技有限公司《一种手持式三维型面信息提取方法及提取仪》，发明专利申请号:201010173849.0)均利用经过标定的双摄像头分别对被测物体进行图形采集，并分别提取图像中的特征标记点进行立体视觉匹配，重构左右摄像头共同视野内的标记点在仪器坐标系下的三维坐标及拓扑结构，利用这些标记点的拓扑结构与在世界坐标系中已知标记点库(已知标记点库可以是先前扫描获得，也可以是通过其他方法，如摄影测量法，预先扫描得到的标记点集合)进行匹配，如果匹配成功就可以反推出当前仪器的位置及姿态参数。在得出当前仪器的位置姿态信息后可以使用两种方法来获得投影到被测物体上激光线的三维坐标:1)可以利用某个摄像头拍摄的图像中提取激光轮廓线，并根据已标定好的该摄像头与线状激光发生器所发射激光面的位置关系获得激光轮廓线在仪器坐标系下的三维坐标。2)可以利用两个摄像头获得的两幅图像中提取激光轮廓线，采用与处理标记点类似的方法进行立体视觉匹配得到激光轮廓线的三维的坐标值。上述原理描述了两个摄像头一次同步曝光采集图像的处理过程，由于手持激光三维扫描仪进行的是六自由度移动的非接触式扫描，被测物体表面在摄像头的视野范围内连续移动时需要实现仪器不同位置和角度所获得的物体表面标记点三维拓扑结构与已知标记点库内的标记点拓扑结构进行连续循环匹配，如果有增加则更新标记点库。
[0003]上述激光扫描的方法可以实现以手持方式对被测物体非接触任意角度的扫描，但由于被扫描的中大型物体(如汽车外轮廓、汽轮机叶片等)可能贴有几百个甚至上千个标记点，扫描仪每秒几十次曝光所采集的每一帧图案中的标记点均需要与已记录标记点库中的所有标记点的拓扑结构进行一一匹配:计算当前帧中每个标记点与周围标记点的拓扑关系(距离和角度)并逐个与标记点库中的每个标记点进行对比，匹配过程需消耗大量的CPU运算时间。另外为防止图像运动模糊以及保证激光投影轮廓线在物体表面移动的连贯性，手持扫描的方式对摄像头的曝光时间和频率有一定的要求，一般曝光时间为几毫秒、曝光频率为几十赫兹，因此计算机需要在几毫秒的时间内完成对两幅图像的标记点识别、两幅图像上识别出的标记点相互匹配获得共同视野标记点集合的相对三维坐标以及与标记点库匹配获得共同视野标记点集合的世界坐标从而计算出仪器的位置和形态，还需要识别激光轮廓线以及轮廓线上的激光点的坐标变换等运算。所以需要有很高配置的计算机作为仪器的运算单元以支持其扫描时的实时运算(目前市场上一款主流手持激光扫描仪配套笔记本电脑的标准配置需要4核8线程CPU以及8G内存，在扫描时其CPU占用率超过95% )，如此高的CPU性能要求制约了其微型化和轻量化，无法使用性能较弱的嵌入式CPU与微型摄像头作为扫描仪的运算和采集部件，阻碍了该原理的手持三维扫描技术在民用消费领域和智能感知领域的进一步扩展。
[0004]另外，使用双摄像头三维扫描的被测物体表面的有效检测区域为两个摄像头视野重合的部分，限制了其扫描的范围，特别是在扫描有转角的被测物体表面时，两个成一定角度的摄像头很大程度上被转角对称遮挡，从而减少了同一帧获得的标记点的个数和投射的激光轮廓区域，进而降低了扫描移动拼接的顺畅性，影响了标记点拼接的精度和激光轮廓线的出点速度。
【发明内容】
[0005]为了克服已有双摄像头手持扫描设备的对系统硬件配置的要求较高、扫描范围较小、移动拼接时的顺畅性较差、精度较低的不足，本实用新型提供了一种对系统硬件配置的要求较低、扫描范围较大、移动拼接时的顺畅性良好、精度较高、成本较低的手持激光三维扫描设备。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种手持激光三维扫描设备，包括单个工作摄像头、激光发生器、支座、控制电路板、高亮补光发生器以及用于根据获得视频图像后进行标记点轨迹跟踪的轨迹跟踪扫描处理系统，所述单个工作摄像头的光轴与激光发生器发射出激光面的交点位于摄像头的最佳景深平面位置，所述单个工作摄像头的景深范围为扫描仪的测量深度范围，所述激光发生器的景深范围涵盖扫描仪的测量深度范围，所述单个工作摄像头和激光发生器均安装在所述支座上，所述单个工作摄像头和激光发生器均与所述控制电路板连接，所述控制电路板与所述高亮补光发生器连接，所述高亮补光发生器放置在单个工作摄像头镜头外圈，所述控制电路板与所述轨迹跟踪扫描处理系统连接。
[0008]优选的，所述控制电路板包括主控芯片、?目号隔尚电路、激光驱动电路、尚壳补光驱动电路和数据交换电路，主控芯片与数据交换电路连接，所述数据交换电路的输出端与所述轨迹跟踪扫描处理系统连接，所述数据交换电路的输入端与单个工作摄像头连接，所述主控芯片与单个工作摄像头之间经过信号隔离电路进行连接；所述主控芯片通过信号隔离电路与激光驱动电路连接，所述激光驱动电路与激光发生器连接，所述主控芯片通过信号隔离电路与高亮补光驱动电路连接，所述高亮补光驱动电路与高亮补光发生器连接。
[0009]进一步，所述控制电路板还包括用于同时触发单个工作摄像头和激光器的同步触发控制模块，所述同步出发控制模块与所述单个工作摄像头、激光发生器连接。
[0010]所述扫描设备还包括辅助摄像头，所述辅助摄像头安装在所述支座上，所述辅助摄像头与所述控制电路板连接，所述辅助摄像头的光轴与激光发生器发射出激光面的交点位于摄像头的最佳景深平面位置，所述辅助摄像头的景深范围为扫描仪的测量深度范围，所述高亮补光发生器放置在辅助摄像头的镜头外圈。
[0011]本实用新型的技术构思为:如图2中a部分所示，由于本实用新型在扫描时只使用一个摄像头与激光器组合13进行图像采集，因此的测量范围11比需要两个或以上摄像头进行三维扫描的系统14的测量范围12更大，相应的同一帧得到的图像中被测物体表面的有效标记点个数也更多，这将有助于提高前后帧标记点拼接的成功概率和拼接精度。尤其在扫描物体转角处时，如图2中b部分所示，由于物体转角处存在视角遮挡，双摄像头测量范围19内部的标记点18个数少于单摄像头扫描时测量范围17内的标记点16的数目，而如果一次图像采集获得标记点数目少于3个时将无法与标记点库中的标记点拓扑结构进行匹配，也就无法获得当前仪器位置和形态的RT转换矩阵。此时用户需要调整仪器位置和角度将视野，重新对准之前扫描拼接成功的被测物体表面区域得到仪器的RT转换矩阵后，使用不同视角重新扫描；或者暂停扫描，重新在无法扫描的区域增加新的标记点后再进行重新扫描。这种情况将会很大程度上降低双摄像头方式扫描过程的连贯性和出点速度，同时双摄像头较小的共同视野导致数量较少的标记点，会不同程度的降低拼接精度。本实用新型所采用的单摄像头标记点跟踪方法可显著避免此种情况的发生，使扫描过程更为流畅，扫描拼接精度也因为有更多参与拼接的标记点而得到有效的提高。
[0012]本实用新型在扫描时利用单个工作摄像头进行图像获取，因此在原始视频数据传输环节相比双摄像头或多摄像头方式减少占用一半以上的传输带宽，这在高分辨率摄像头(如500万像素30帧/秒摄像头需要的传输带宽为1200Mbps)用于高精度三维扫描上显得尤为重要。在图形图像识别环节本实用新型也只需对一幅图像的标记点进行跟踪识别，而且标记点轨迹跟踪算法的时间复杂度要远小于将相对三维坐标系中的标记点拓扑结构与世界坐标系下的标记点库中的标记点拓扑结构进行两两匹配的双目扫描拼接算法。
[0013]本实用新型的有益效果主要表现在:单摄像头标记点跟踪匹配方式相比传统的双摄像头标记点拼接匹配方式占用更少的CPU时间，特别是库中标记点较多的情况下更为显著，所以本实用新型所述的扫描系统可以采用更低端的CPU(如嵌入式CPU)以及像素更高、刷新频率更快的摄像头，获得更快的扫描速度和结果呈现，使得手持激光三维扫描技术可以在更多领域得到应用。
【附图说明】
[0014]图1为手持激光三维扫描设备的原理图。
[0015]图2为单摄像头扫描系统与双摄像头扫描系统的扫描测量范围比较，其中，(a)为单摄像头扫描系统的扫描平面区域；(b)为双摄像头扫描系统的扫描平面区域；(C)为单摄像头扫描系统的扫描三维区域；(d)为双摄像头扫描系统的扫描三维区域。
[0016]图3为本实用新型摄像头与激光发生器的触发时序说明图。
[0017]图4为本实用新型模块互联示意图。
[0018]图5为本实用新型的控制电路板的实现框图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0020]参照