[0001] 本发明涉及三维扫描技术， 尤其是一种三维扫描方法及扫描仪。

背景技术

[0002] 近年来出现的手持激光三维扫描仪、 激光三维轮廓传感器等三维测量仪器的原 理均是采用激光和摄像头的组合根据三角测量 法获得物体表面三维数据， 这种 测量原理的应用越来越广泛， 已然成为高精度三维测量领域的主要测量方法 之 一， 被广泛应用在机械、 汽车、 航空、 雕塑、 医疗等行业。

[0003] 这种基于激光和摄像头的三维测量方法中激光 波段常见的有 405nm的紫色激光 、 450nm的蓝色激光、 532nm的绿色激光、 650nm的红色激光等， 不同波段的激 光对三维扫描效果的影响也并不一样。 比如红色激光的散斑现象比较明显从而 影响扫描的精度， 但红色激光比较稳定且对人眼相对安全； 相比之下， 蓝色激 光的散斑现象并不明显， 摄像头识别的精度较高， 从而可以获得很好的扫描结 果， 但蓝色激光对人眼有伤害， 需要佩戴护目镜， 限制了其三维扫描的应用场 合。 因此， 如何选择合适波段的激光器同吋满足不同三维 扫描场合的需求是一 件很棘手的事情。

技术问题

[0004] 为了克服已有手持激光三维扫描仪的仅含有单 一波长、 适用性较差、 成本较高 的不足， 本发明提供了一种具有多个不同波长、 适用性良好、 增加单台扫描仪 的复用性、 提高性价比的含有多个不同波长激光器的三维 扫描方法及扫描仪。 问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法 ， 实现所述三维扫描方法的扫描 仪包括至少两个位置固定的摄像头与至少两个 激光投影器， 所述的至少两个激 光投影器对应至少两种不同波长， 所述两个摄像头的空间位置关系标定已知； 所述三维扫描方法如下：

[0007] 根据两个摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面 的激光轮廓线的 2D图案分别识别 获取高光中心二维线条， 再根据三角法原理和极线约束原理得出空间三 维点云 数据。

[0008] 进一步， 两个摄像头在捕捉被扫描物体表面激光轮廓特 征的同吋识别视野中被 扫描物体表面的固有特征点来获得相对位置的 变化信息， 再利用前后帧吋的位 置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点 云数据拼接在一个坐标系下， 获 得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据， 实现连续扫描。

[0009] 或者是： 利用带位置信号的流水线或直线滑台、 带角度信号的旋转平台上放置 被扫描物体而直接得到扫描仪与被扫描物体相 对位置的变化信息， 再利用前后 帧吋的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维 轮廓线点云数据拼接在一个坐标 系下， 获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据 ， 实现连续扫描。

[0010] 再进一步， 所述三维扫描方法包括以下步骤：

[0011] 1) 事先标定至少两个摄像头分别在不同波长的相 机内参和畸变系数；

[0012] 2) 事先分别两个摄像头的位置关系；

[0013] 3) 扫描前， 根据现场的精度和扫描面幅的需求选择对应波 段激光投影器进行 扫描， 根据设定选择对应波长下的至少两个摄像头标 定内参及畸变系数并输出 给 2D图像激光轮廓线提取器和 3D构造器；

[0014] 4) 扫描吋， 至少两个摄像头同步将捕捉的物体表面激光轮 廓图像输入到 2D图 像激光轮廓线提取器， 并根据所选择的当前波段的至少两个摄像头内 参和畸变 系数分别对二幅图像进行畸变矫正， 并分别根据像素灰度差异提取矫正图像中 线条轮廓的连通区域， 再根据所述连通区域内的灰度重心计算分别获 得亚像素 级的高光中心二维线条集合， 并输出到 3D构造器中； 3D构造器根据所选择的当 前波段的至少两个摄像头的内参、 畸变系数以及两个摄像头的位置关系， 通过 极线约束原理得到三维轮廓点云数据并输出。

[0015] 所述步骤 1) 中， 摄像头的标定方法采用张正友标定法获得摄像 头的焦距、 中 心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。

[0016] 所述步骤 2) 中， 标定方法采用立体标定法。 [0017] 一种含有多个不同波长激光器的三维扫描仪， 所述扫描仪包括至少两个激光投 影器、 至少两个用于拍摄投射到被检测物体表面激光 图案的摄像头和一个连接 摄像头进行图像识别及三维重建的计算处理单 元； 所述至少两个激光投影器对 应至少两种不同波长， 所述至少两个激光投影器位置固定， 所述两个摄像头的 空间位置关系标定已知， 所述至少两个摄像头的输出端与所述计算处理 单元连 接， 所述的计算处理单元包括 2D图像激光轮廓线提取器、 3D构造器和用于选择 标定至少两个摄像头在选定波长的内参和畸变 系数的波段切换判断器， 所述至 少两个摄像头的输出端与所述 2D图像激光轮廓线提取器连接， 所述 2D图像激光 轮廓线提取器与所述 3D构造器， 所述波段切换判断器分别与所述 2D图像激光轮 廓线提取器、 3D构造器连接。

[0018] 进一步， 所述激光投影器和摄像头的触发端均与用于选 择性触发所述相同波长 的一只或者多只激光投影器与摄像头同步工作 的同步触发单元连接。

[0019] 再进一步， 所述摄像头上安装多带通滤光片， 所述的滤光片的带通波段与所述 的至少两个激光投影器的至少两种波长对应。

[0020] 更进一步， 至少两个不同波长的激光投影器包括蓝色波段 的激光投影器和红色 波段的激光投影器。

[0021] 本发明的技术构思为： 将波段较短的激光和波段较长的激光同吋安装 在一台扫 描仪中， 由于不同波段的光线通过两种介质的折射率存 在差异， 固定焦距和光 圈的摄像头对不同波段光线的焦点不同， 拍摄反射较短波段光线的被摄物体的 焦点比反射波长较长光线的被摄物体的焦点更 靠近摄像头。 以红色和蓝色两种 波段为例， 为得到正确的对焦， 蓝色物体要比红色物体更靠近摄像头， 而在摄 像头分辨率不变的情况下， 拍摄更近的物体意味着将更小的局部投影在相 同面 积的感光元器件上， 即拍摄的蓝色物体的幅面较小， 但分辨率较高， 而拍摄的 红色物体的幅面较大， 但分辨率较低。 另外， 由于激光是单色光， 其照到物体 表面反射吋会出现干涉出现象， 摄像头捕捉到的被摄物体表面的激光轮廓线上 便会出现不均匀分布的颗粒状光点， 即为激光散斑。 波段较短的激光的散斑现 象要比波段较长的激光弱， 摄像头捕捉到的被摄物体表面的激光轮廓线也 就更 为锐利， 更有利于获得表面的细节。 发明的有益效果

有益效果

[0022] 本发明的有益效果主要表现在： 与传统只含有的单一波长激光的三维扫描仪相 比， 既能应用在高精度测量场合， 又可以在普通的三维扫描场合高效安全的使 用， 可以大大增加单台扫描仪的复用性， 提高其性价比。

对附图的简要说明

附图说明

[0023] 图 1是含有多个不同波长激光器的三维扫描仪的� �理图。

[0024] 图 2是同步触发单元的内部工作原理示意图。

[0025] 图 3是计算处理单元的原理图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0027] 实施例 1

[0028] 参照图 1〜图 3， 一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法 ， 实现所述三维 扫描方法的扫描仪包括至少两个位置固定的摄 像头与至少两个激光投影器， 所 述的至少两个激光投影器对应至少两种不同波 长， 所述两个摄像头的空间位置 关系标定已知； 所述三维扫描方法如下：

[0029] 根据两个摄像头拍摄的投射到被扫描物体表面 的激光轮廓线的 2D图案分别识别 获取高光中心二维线条， 再根据三角法原理和极线约束原理得出空间三 维点云 数据。

[0030] 进一步， 两个摄像头在捕捉被扫描物体表面激光轮廓特 征的同吋识别视野中被 扫描物体表面的固有特征点来获得相对位置的 变化信息， 再利用前后帧吋的位 置变化信息将扫描仪连续帧获得三维轮廓线点 云数据拼接在一个坐标系下， 获 得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据， 实现连续扫描。

[0031] 或者是： 利用带位置信号的流水线或直线滑台、 带角度信号的旋转平台上放置 被扫描物体而直接得到扫描仪与被扫描物体相 对位置的变化信息， 再利用前后 帧吋的位置变化信息将扫描仪连续帧获得三维 轮廓线点云数据拼接在一个坐标 系下， 获得被扫描物体完整的表面三维轮廓点云数据 ， 实现连续扫描。

[0032] 再进一步， 所述三维扫描方法包括以下步骤：

[0033] 1) 事先标定至少两个摄像头分别在不同波长的相 机内参和畸变系数；

[0034] 2) 事先分别两个摄像头的位置关系；

[0035] 3) 扫描前， 根据现场的精度和扫描面幅的需求选择对应波 段激光投影器进行 扫描， 根据设定选择对应波长下的至少两个摄像头标 定内参及畸变系数并输出 给 2D图像激光轮廓线提取器和 3D构造器；

[0036] 4) 扫描吋， 至少两个摄像头同步将捕捉的物体表面激光轮 廓图像输入到 2D图 像激光轮廓线提取器， 并根据所选择的当前波段的至少两个摄像头内 参和畸变 系数分别对二幅图像进行畸变矫正， 并分别根据像素灰度差异提取矫正图像中 线条轮廓的连通区域， 再根据所述连通区域内的灰度重心计算分别获 得亚像素 级的高光中心二维线条集合， 并输出到 3D构造器中； 3D构造器根据所选择的当 前波段的至少两个摄像头的内参、 畸变系数以及两个摄像头的位置关系， 通过 极线约束原理得到三维轮廓点云数据并输出。

[0037] 所述步骤 1) 中， 摄像头的标定方法采用张正友标定法获得摄像 头的焦距、 中 心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。

[0038] 所述步骤 2) 中， 标定方法采用立体标定法。

[0039] 以两个摄像头与一个红色波段和一个蓝色波段 两个的线状激光投影器为例来具 体阐述本方案的实现原理。 如图 1所示， 波段 1激光投影器为红色线状激光器， 波段 2激光投影器为蓝色线状激光器； 同步触发单元同吋连接两个摄像头的外触 发接口以及两个激光投影器的驱动控制接口并 对摄像头和当前工作波段的激光 投影器进行同步触发； 摄像头实吋捕捉的图像发送给计算处理单元进 行立体视 觉三维重建计算并输出最终的三维点云。 具体实现方式如图 3所示， 步骤如下：

[0040] 步骤 1 . 事先标定 1号摄像头和 2号摄像头分别在波长 1和波长 2 (波长 1和波长 2 分别为 1号激光器和 2号激光器的波长） 的相机内参和畸变系数， 并保存在系统 的计算处理单元中。 摄像头的标定方法可以采用目前广泛采用的张 正友标定法 获得摄像头的焦距、 中心偏移量以及径向畸变和切向畸变系数。 [0041] 步骤 2. 事先标定两个摄像头的位置关系， 标定方法可以采用比常见的立体标 定法， 标定的结果保存在 3D构造器中。

[0042] 步骤 3. 扫描前， 根据现场的精度和扫描面幅的需求选择红色波 段激光器或者 蓝光波段激光器进行扫描， 并记录在波段切换判断器中。 波段切换判断器根据 设定选择对应的波长下的两个摄像头标定内参 及畸变系数并输出给 2D图像激光 轮廓线提取器和 3D构造器。

[0043] 步骤 4. 扫描吋， 1号摄像头和 2号摄像头同步将捕捉的物体表面激光轮廓图� � 1 和物体表面激光轮廓图像 2输入到计算处理单元中的 2D图像激光轮廓线提取器， 并根据波段切换判断器所选择的当前波段的 1号摄像头和 2号摄像头内参和畸变 系数分别对二幅图像进行畸变矫正， 并分别根据像素灰度差异提取矫正图像中 线条轮廓的连通区域， 再根据所述连通区域内的灰度重心计算分别获 得亚像素 级的高光中心二维线条集合 1和二维线条集合 2， 并输出到 3D构造器中。 3D构造 器根据波段切换判断器所选择的当前波段的 1号摄像头和 2号摄像头的内参、 畸 变系数以及两个摄像头的位置关系， 通过极线约束原理得到三维轮廓点云数据 并输出。

[0044] 实施例 2

[0045] 参照图 1〜图 3， 一种含有多个不同波长激光器的三维扫描仪， 所述扫描仪包括 至少两个激光投影器、 至少两个用于拍摄投射到被检测物体表面激光 图案的摄 像头和一个连接摄像头进行图像识别及三维重 建的计算处理单元； 所述至少两 个激光投影器对应至少两种不同波长， 所述至少两个激光投影器位置固定， 所 述两个摄像头的空间位置关系标定已知， 所述至少两个摄像头的输出端与所述 计算处理单元连接， 所述的计算处理单元包括 2D图像激光轮廓线提取器、 3D构 造器和用于选择标定至少两个摄像头在选定波 长的内参和畸变系数的波段切换 判断器， 所述至少两个摄像头的输出端与所述 2D图像激光轮廓线提取器连接， 所述 2D图像激光轮廓线提取器与所述 3D构造器， 所述波段切换判断器分别与所 述 2D图像激光轮廓线提取器、 3D构造器连接。

[0046] 进一步， 所述激光投影器和摄像头的触发端均与用于选 择性触发所述相同波长 的一只或者多只激光投影器与摄像头同步工作 的同步触发单元连接。 [0047] 再进一步， 所述摄像头上安装多带通滤光片， 所述的滤光片的带通波段与所述 的至少两个激光投影器的至少两种波长对应。

[0048] 更进一步， 至少两个不同波长的激光投影器包括蓝色波段 的激光投影器和红色 波段的激光投影器。

[0049] 以配备红蓝两种波段线状激光投影器的三维扫 描仪为例来对本发明的系统及原 理进行阐述。 本发明的工作原理如图 1所示， 波段 1激光投影器为红色线状激光 器， 波段 2激光投影器为蓝色线状激光器； 同步触发单元同吋连接两个摄像头的 外触发接口以及两个激光投影器的驱动接口并 对两个摄像头及一个当前工作波 段的激光投影器进行同步触发； 摄像头实吋捕捉的图像发送给计算处理单元进 行立体视觉三维重建计算并输出最终的三维点 云。

[0050] 所述的同步触发单元内部可以由微控制单元 MCU控制工作节拍， 并将同步控 制信号通过隔离器件 OC输出到功率器件 MOS来最终控制激光投影器 LASER1/LA SER2和摄像头 CAMERA的同步工作。 MCU的固件根据用户的选择来确定在某一 吋刻是同步触发波段 1红光的 LASERl和 CAMERAl (及 CAMERA2) 同步工作还 是波段 2蓝光的 LASER2和 CAMERAl (及 CAMERA2) 同步工作。

[0051] 当然， 如果进行连续扫描， 则 MCU根据设定的帧率来循环同步触发激光和摄 像头， 摄像头连续将捕捉的图片输入计算处理单元进 行三维立体视觉三维重建 计算， 最后持续输出三维点云数据。