三维扫描系统中激光器功率的控制方法及装置与流程
本发明涉及逆向工程技术领域，尤其涉及一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法及装置。
背景技术：
长久以来，对真实物体几何尺寸的精确测量主要采用游标卡尺、千分尺、角度尺等测量工具的接触式人工测量方式，这种测量方式无法测量形状不规则的物体表面且对于文物古迹等要求非接触的测量对象也存在技术瓶颈。随着相关学科的发展以及新技术新需求的驱动，三维扫描技术应运而生，该技术能够在不接触被测物体的情况下，根据采集到的物体表面信息计算出点云的空间分布，通过一系列的曲面重构方法在计算机中将点云数据整合成被测物体的三角网格模型，该项技术被广泛应用于工业设计领域的辅助制造与检验、医疗领域的手术定位与康复、游戏娱乐领域的实景建模与仿真以及考古领域的遗址保护与复原等。
三维扫描系统主要包括数据采集与模型重构两部分，在数据采集过程中，三维扫描仪由能够投射出一条或多条一字激光线的激光器和双目相机组成，当被扫描对象将照射光线反射进互成一定夹角的双目相机中时，便得到了被扫描对象的一组立体图像对，随着三维扫描仪位置的不断变化，立体图像对的数量不断增多，这些立体图像对分别记录了被扫描对象不同位置、不同角度的图像信息。在模型重构过程中，首先，根据三角测量原理，按照立体图像对获取的先后顺序，计算出每组立体图像对中记录的被扫描对象表面的点云数据，并将所有点云数据统一到相同的坐标系中；然后，将获取的点云数据编织成三角网格并生成三维曲面模型。为了使扫描过程能够实时看到模型重构效果，模型重构与数据采集需同步进行。
根据三角测量原理，被扫描物体表面点云数据由立体图像对中激光线中心的位置计算得到，图像中激光线中心的提取精度越高，计算得到的点云数据越准确，当激光器功率在合理区间时采集到的图像中激光线中心的亮度最高，沿中心向两侧边缘亮度逐渐降低，且激光线中心的高亮度区域宽度很窄，这种成像特点非常利于提取精确的激光线中心位置；当激光器功率过低时，由于激光线的光强低于探测器的灵敏度，采集到的图像中激光线的成像区域与其它区域无明显区别，因此，无法准确提取激光线中心的位置；当激光器功率过高时，由于激光线的光强过高使探测器达到饱和状态，采集到的图像中激光线的成像区域虽然明显区分于其它区域，但是高亮度区域过宽，因此仍无法准确提取激光线中心的位置。由于不同表面颜色和粗糙度的物体对激光线的反射能力各不相同，因此，必须将激光器功率调节到合理范围内才能准确提取激光线中心的位置。由此可以看出，如何将激光器的功率调节到合理的范围是一项亟待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法，能够有效的将激光器的功率调节到合理的范围，进而有效提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。
本发明提供了一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法，包括：
采集所述激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，所述激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
基于所述被扫描物体的图像调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件。
优选地，所述基于所述被扫描物体的图像调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件包括：
基于所述被扫描物体的图像灰度阈值对所述图像进行二值化和连通域识别；
计算所述图像中激光线的有效识别率和饱和率；
基于所述有效识别率和饱和率调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件。
优选地，所述计算所述图像中激光线的有效识别率和饱和率包括：
基于公式
基于公式
优选地，所述方法还包括：
显示所述有效识别率和饱和率。
优选地，所述方法还包括：
显示所述有效子连通域和所述饱和子连通域。
优选地，所述基于所述有效识别率和饱和率调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件包括：
判断所述有效识别率是否大于预设有效识别率阈值，若是，则结束所述激光器功率调节，若否，则：
将所述饱和率与预设饱和率阈值进行比较，当所述饱和率大于等于所述预设饱和率阈值时减小所述激光器功率，当所述饱和率小于所述预设饱和率阈值时增大所述激光器功率。
一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置，包括：
双目相机，用于采集所述激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，所述激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
控制器，用于基于所述被扫描物体的图像调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件。
优选地，所述控制器包括：
识别模块，用于基于所述被扫描物体的图像灰度阈值对所述图像进行二值化和连通域识别；
计算模块，用于计算所述图像中激光线的有效识别率和饱和率；
调节模块，用于基于所述有效识别率和饱和率调节所述激光器的功率，直至所述激光器的功率满足预设条件。
优选地，所述计算模块具体用于：
基于公式
基于公式
优选地，所述装置还包括：
显示器，用于显示所述有效识别率和饱和率。
优选地，所述显示器还用于：
显示所述有效子连通域和所述饱和子连通域。
优选地，所述调节模块包括：
判断单元，用于判断所述有效识别率是否大于预设有效识别率阈值；
结束单元，用于当所述有效识别率大于预设有效识别率阈值时，结束所述激光器功率调节；
比较单元，用于将所述饱和率与预设饱和率阈值进行比较，当所述饱和率大于等于所述预设饱和率阈值时减小所述激光器功率，当所述饱和率小于所述预设饱和率阈值时增大所述激光器功率。
从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法，当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行控制时，首先采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器，然后根据被扫描物体的图像调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。本发明通过对激光器功率的控制使三维扫描系统在扫描不同材质表面物体时均能获得有效的激光线图案，大大提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。与使用固定功率激光器而通过调节曝光时间来控制激光线图案的三维扫描系统相比，由于本发明可以使用较大功率调节范围的激光器，因此，对于高反光的扫描物表面具有更好的适应能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例1的方法流程图；
图2为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例2的方法流程图；
图3为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例3的方法流程图；
图4为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例1的结构示意图；
图5为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例2的结构示意图；
图6为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例1的流程图，所述方法包括：
s101、采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
s102、基于被扫描物体的图像调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。
在调节的过程中重复上述步骤s101和步骤s102，直至经过调节后的激光器的功率满足预设条件，即达到能够使三维扫描系统的扫描结果更加准确的状态。需要说明的是，在重复执行上述步骤s101和步骤s102的过程中，步骤s101中的激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
综上所述，在上述实施例中，当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行控制时，首先采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器，然后根据被扫描物体的图像调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。本发明通过对激光器功率的控制使三维扫描系统在扫描不同材质表面物体时均能获得有效的激光线图案，大大提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。与使用固定功率激光器而通过调节曝光时间来控制激光线图案的三维扫描系统相比，由于本发明可以使用较大功率调节范围的激光器，因此，对于高反光的扫描物表面具有更好的适应能力。
如图2所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例2的流程图，所述方法包括：
s201、采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
s202、基于被扫描物体的图像灰度阈值对图像进行二值化和连通域识别；
s203、计算图像中激光线的有效识别率和饱和率；
s204、基于有效识别率和饱和率调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。
在对激光器的功率进行调节时，可以通过被扫描物体的图像灰度阈值对被扫描物体的图像进行二值化和连通域识别，同时计算出图像中激光线的有效识别率和饱和率，根据计算出的有效识别率和饱和率调节激光器的功率，在调节的过程中重复上述步骤s201～步骤s204，直至激光器的功率满足预设条件。需要说明的是，在重复执行上述步骤s201～步骤s204的过程中，步骤s201中的激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的有效识别率时，可以通过公式
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的饱和率时，可以基于公式
如图3所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制方法实施例3的流程图，所述方法包括：
s301、采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
s302、基于被扫描物体的图像灰度阈值对图像进行二值化和连通域识别；
s303、计算图像中激光线的有效识别率和饱和率；
在对激光器的功率进行调节时，可以通过被扫描物体的图像灰度阈值对被扫描物体的图像进行二值化和连通域识别，同时计算出图像中激光线的有效识别率和饱和率。
s304、显示有效识别率和饱和率；
当计算出有效识别率和饱和率后，还可以进一步将有效识别率和饱和率进行显示，以便操作人员能够直观的观察到有效识别率值和饱和率值。
s305、判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值，若是，进入s306，若否，则进入s307：
当计算出图像中激光线的有效识别率后，进一步对有效识别率进行判断，判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值。需要说明的是，在判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值时，可以进行自动判断，也可以是操作人员通过显示出的有效识别率进行人为的判断。
s306、结束所述激光器功率调节；
当判断有效识别率大于预设有效识别率阈值时，表明此时激光器的功率满足预设条件，此时可结束对激光器的功率调节。
s307、将饱和率与预设饱和率阈值进行比较，当饱和率大于等于所述预设饱和率阈值时减小所述激光器功率，当所述饱和率小于所述预设饱和率阈值时增大所述激光器功率。
当判断有效识别率小于等于预设有效识别率阈值时，进一步将计算出的饱和率与预设饱和率阈值进行比较。需要说明的是，在比较饱和率和预设饱和率阈值时，可以进行自动比较，也可以是操作人员通过显示出的饱和率进行人为的判断。
当饱和率大于等于预设饱和率阈值时，此时将激光器的功率减小，当饱和率小于预设饱和率阈值时，此时将激光器的功率增加。需要说明的是，在减小激光器的功率或增加激光器的功率时，可以进行自动调节，也可以通过操作人员进行手动调节。
需要说明的是，在上述调节激光器功率的过程中，重复执行上述步骤s301～步骤s307，直至经过调节后的激光器的功率满足预设条件。在重复执行上述步骤s301～步骤s307的过程中，步骤s301中的激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的有效识别率时，可以通过公式
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的饱和率时，可以基于公式
具体的，在上述实施例中，还可以将有效子连通域和饱和子连通域在图像中用不同的颜色标记出来并将标记后的图像进行显示，操作人员根据观察到的着色区域判断激光器功率是否需要调节，并根据观察到的结果对激光器的功率进行调节。
综上所述，本发明通过对激光器功率的控制使三维扫描系统在扫描不同材质表面物体时均能获得有效的激光线图案，大大提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。与使用固定功率激光器而通过调节曝光时间来控制激光线图案的三维扫描系统相比，由于本发明可以使用较大功率调节范围的激光器，因此，对于高反光的扫描物表面具有更好的适应能力。
如图4所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例1的结构示意图，所述装置包括：
双目相机401，用于采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
控制器402，用于基于被扫描物体的图像调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。
然后根据生成的被扫描物体的图像对激光器的功率进行调节，在调节的过程中重复上述步骤采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，直至经过调节后的激光器的功率满足预设条件，即达到能够使三维扫描系统的扫描结果更加准确的状态。需要说明的是，在上述重复调节激光器功率的过程中，激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
综上所述，在上述实施例中，当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行控制时，首先采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器，然后根据被扫描物体的图像调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。
本发明通过对激光器功率的控制使三维扫描系统在扫描不同材质表面物体时均能获得有效的激光线图案，大大提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。与使用固定功率激光器而通过调节曝光时间来控制激光线图案的三维扫描系统相比，由于本发明可以使用较大功率调节范围的激光器，因此，对于高反光的扫描物表面具有更好的适应能力。
如图5所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例2的结构示意图，所述装置包括：
双目相机501，用于采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
识别模块502，用于基于被扫描物体的图像灰度阈值对图像进行二值化和连通域识别；
计算模块503，用于计算图像中激光线的有效识别率和饱和率；
调节模块504，用于基于有效识别率和饱和率调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。
在对激光器的功率进行调节时，可以通过被扫描物体的图像灰度阈值对被扫描物体的图像进行二值化和连通域识别，同时计算出图像中激光线的有效识别率和饱和率，根据计算出的有效识别率和饱和率调节激光器的功率，直至激光器的功率满足预设条件。需要说明的是，在上述重复调节激光器功率的过程中，激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的有效识别率时，可以通过公式
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的饱和率时，可以基于公式
如图6所示，为本发明公开的一种三维扫描系统中激光器功率的控制装置实施例3的结构示意图，所述装置包括：
双目相机601，用于采集激光器投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像，激光器为能够投射出至少一条一字激光线的激光器；
当需要对三维扫描系统中的激光器的功率进行调节控制时，首先设定一个激光器功率的初始值，然后采集激光器工作时投射到被扫描物体上的反射光生成所述被扫描物体的图像。需要说明的是，激光器为能够投射出一条或多条一字激光线的激光器。
识别模块602，用于基于被扫描物体的图像灰度阈值对图像进行二值化和连通域识别；
计算模块603，用于计算图像中激光线的有效识别率和饱和率；
在对激光器的功率进行调节时，可以通过被扫描物体的图像灰度阈值对被扫描物体的图像进行二值化和连通域识别，同时计算出图像中激光线的有效识别率和饱和率。
显示器604，用于显示有效识别率和饱和率；
当计算出有效识别率和饱和率后，还可以进一步将有效识别率和饱和率进行显示，以便操作人员能够直观的观察到有效识别率值和饱和率值。
判断单元605，用于判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值；
当计算出图像中激光线的有效识别率后，进一步对有效识别率进行判断，判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值。需要说明的是，在判断有效识别率是否大于预设有效识别率阈值时，可以进行自动判断，也可以是操作人员通过显示出的有效识别率进行人为的判断。
结束单元606，用于当有效识别率大于预设有效识别率阈值时，结束所述激光器功率调节；
当判断有效识别率大于预设有效识别率阈值时，表明此时激光器的功率满足预设条件，此时可结束对激光器的功率调节。
比较单元607，用于当有效识别率小于等于预设有效识别率阈值时，将饱和率与预设饱和率阈值进行比较，当饱和率大于等于所述预设饱和率阈值时减小所述激光器功率，当所述饱和率小于所述预设饱和率阈值时增大所述激光器功率。
当判断有效识别率小于等于预设有效识别率阈值时，进一步将计算出的饱和率与预设饱和率阈值进行比较。需要说明的是，在比较饱和率和预设饱和率阈值时，可以进行自动比较，也可以是操作人员通过显示出的饱和率进行人为的判断。
当饱和率大于等于预设饱和率阈值时，此时将激光器的功率减小，当饱和率小于预设饱和率阈值时，此时将激光器的功率增加。需要说明的是，在减小激光器的功率或增加激光器的功率时，可以进行自动调节，也可以通过操作人员进行手动调节。需要说明的是，在上述重复调节激光器功率的过程中，激光器功率的初始值，除第一次为操作人员设定的功率初始值外，以后的激光器功率的初始值为上一次功率调节后得到的激光器的功率值。
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的有效识别率时，可以通过公式
具体的，在上述实施例中，在计算图像中激光线的饱和率时，可以基于公式
具体的，在上述实施例中，还可以将有效子连通域和饱和子连通域在图像中用不同的颜色标记出来并将标记后的图像进行显示，操作人员根据观察到的着色区域判断激光器功率是否需要调节，并根据观察到的结果对激光器的功率进行调节。
综上所述，本发明通过对激光器功率的控制使三维扫描系统在扫描不同材质表面物体时均能获得有效的激光线图案，大大提高了三维扫描系统对扫描环境的适应能力。与使用固定功率激光器而通过调节曝光时间来控制激光线图案的三维扫描系统相比，由于本发明可以使用较大功率调节范围的激光器，因此，对于高反光的扫描物表面具有更好的适应能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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