手持式线激光源3D扫描系统.pdf

第2 1 卷第6 期2 0 0 1 年1 2 月应用激光 P P L j E DL A S E RV o l2 i N o 6D c c e m 6 e r2 0 0手持式线激光源3 D 扫描系统+熊汉伟“2张湘伟3(1 浙江大学人工智能研究所杭州3 1 0 0 2 7)(2 汕头大学机械电子系汕头5 1 5 0 6 3)(3 广东工业大学提要以手持式线激光源为工具采用摄像方式，实现一种简便、易行的3 D 表面快速反求建模方法，避免了复杂的光学系统、机电控制系统设计。只需在线激光源扫掠物体表面的同时连续摄像，通过对光条图象序列进行处理得到物体的3 D 模型文中给出了复杂形体的建模实例效果基本满意。关t 词线光源计算机视觉反求工程AS i m p l e3 DS c a n n e rU s i n gaH a n d H e l dL a s e rS o u r c eX i o n gH a n w e i，Z h a n gX i a n g w e i(5 h a n t o uU n i v e r s i v，S h a n t o u5 1 5 0 6 3)A b s t r a c tAs i m p l em e t h o dt or e c o n s t r u c tt h e3 ns h a p eo fo b j e c t si sp r e s e n t e dI td i f f e r sf r o mo t h e re o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e dl i g h t i n ga p p r o a c hi nt h a ti tn e e d n ta n yc o m p u l e rc o n tr o l l e dd e v i c et Oa d j u s tt h el i g h t i n gp l a no ft h el a s e rs o u r c e I ns c a n n i n gp r o c e s s，t h eo p e r a t o rh o l d sal i n el a s e rs o u r c ea n df r e e l ym o v ei tt oe a s tl i g h ts t r i p so v e rt h eo b j e c t a n dad i g i t a lv i d e oc a m e r ai su s e dt or e c o r d e dt h es c e n e T h e3 Ds h a p eo ft h eo b j e c tcanb ee x l r a c t e df r o mt h el i g h t i n gs tr i p s E x p e r i m e n to nac o m p l e xs h a p ei sp r e s e n t e d，a n dr e s u l ti ss a t i s f i e da n dc a nb eu s e di n1 h ef i e l do fc o m p u t e ra n i m a t i o n K e yw o r d s3 Ds c a n，s t r u c t u r e dl i g h t i n g，c o m p u t e rv i s i o n，r e v e r s ee n g i n e e r i n g目前随着C A D C A M、虚拟现实、计算机动画等技术在各个领域的深入应用，快速几何建模显得越来越重要。传统几何模型的建立是基于实体的功能和外形由设计师在C A D 软件中构造，这是正向工程。对飞机、汽车、工艺美术品等复杂形体，必须通过对事先制造出的模型以及实物进行数字化来得到；以物理模型为依据的几何模型的设计方法，即反求工程。三坐标测量机(C M M)是反求工程中使用广泛的传统设备，但速度慢、效率低，价格昂贵。*国家自然科学基金资助项目(5 9 9 7 5 0 5 7，5 9 6 7 5 0 3 93 0 0 1 年7 月2 5 日收稿应用光学原理的现代三维形状测量方法正占据主导地位，其中结构光测量法的原理是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后摄取光条图象，通过图象处理的方法得到整幅图象上象素的三维坐标，这种方法速度快、实时性强“。单相机结构光条法具有设备配置简单，光条图象信息提取方便算法易于实现等优点。但与其他结构光法一样，现有的单相机结构光条法不能回避光源标定及扫描控制两个问题，增加了测量系统的成本，降低了使用便利性。本文以手持式线激光源为工具实现了一种新的单相机结构光条法，无需光源标定和精一3 6 9 一1蛐冲州硎 万方数据确的扫描控制，易于普及，能快速完成反求建模任务。典型的单相机结构光条测量系统与多相机系统相比，单相机系统不仅成本低，而且还避免了匹配难题；与结构光网格比单光条图象更容易处理，因此单相机结构光条法开始受到人们重视。图l 所示为一个典型的单相机结构光条系统0 1。移动方向-图1 一个典型的单相机结构光条系统系统包括投影设备一线激光源，数据采集设备一相机，扫描控制设备一机电控制平台。测量前，除标定相机内外参数外，线激光源的焦点位置、光平面方向也必须标定好。测量时，线光源产生一个光平面投射到被测物体表面而形成一条光带，此光带即结构光截面和被测物体的交线，它反映了被测物体表面在光平面内的截面几何信息，由光源标定信息可知光带所在的空间平面方程。成像后，光带图象经提取、细化其中心线上各象素由相机标定参数，可以确定空间一直线方程。直线、平面方程联立即可确定光带上点的空间坐标。为得到全面的表面形状信息，要通过特定的扫描机制，变化投射光带在物体表面的位置；图中所示系统，是通过移动物体本身予以实现，另外还可以通过控制光源的投射方向来实现。无论那种扫描机制，精密的机电控制部件是不可缺少的。这无疑增加了系一3 7 0 一统的实现难度和成本。为此，本文提出一种大为简化的结构光测量方法。手持式线激光源结构光测量系统简化的测量系统，利用手持式线激光源，人为在待测物体表面投射光带，由数字式摄像机连续摄像，记录光带位置，通过光带投影本身所含信息，完成光源标定及光带空间坐标计算。】原理图2 手持式结构光测量系统原理系统组成如图2 所示。待测特体置于L 型台座上，台座由水平和垂直的两个平面构成如桌子和墙壁这两个平面起参考作用。测量时，手持线激光源移动，使投射光带缓慢扫掠物体表面，同时数字式摄像机连续摄像。光源投射时。注意两点：为精度着想，光平面与相机主轴的夹角不能太小；必须在两个参考平面上均形成光带，并且保证相机可以捕捉到参考平面上的光带。除此之外，对系统再无其他要求。测量前，按常规方法标定相机时，分别在两个参考平面选取3 个以上的点，作为标定参考点，这样在计算出相机内外参数的同时，也给出两个平面的方程。如前所述，光带上点的空间位置，由相应投影象素生成的空间直线和光带所在的光平面确定；只要相机事先标定，由相机中心出发通过某一象素的空问直线可以完全求出。在线激光源 万方数据扫掠物体表面过程中，光平面的位置、方向均是变化的，需对每幅图象分别计算。按上面要求。线激光源在某一刻投射到物体表匾的光带，成像后由3 部分组成：垂直面投影段、水平面投影段和物体表面投影段，其中前两者是直线段，是光平面与参考平面交线的像。光平面与垂直参考面的交线，必位于相机中心和垂直面投影段张成的平面上，根据先前的标定信息，可确定交线方程。光平面与水平面的交线也可同样得到。这两条交线就确定了光平面。因此光带上点的位置坐标可以计算。2 数学描述图3 相机坐标系与世界坐标系如图3 所示放置方格图案，利用T s a i 1 算法进行相机标定，建立世界坐标、相机坐标、图象坐标以及象素坐标问的转换关系。两个参考面分别是世界坐标系下Y。=0，Z。一0 的平面。世界坐标系与相机坐标系之间关系为x：LZ。1限，划L1其中R，t 分别是旋转矩阵与平移矢量。相机坐标系与图象坐标系之间关系由投影矩阵确定：。0：0 虱巨(2)飘V 船其中d x，d y 是单位象索在x 轴、Y 轴方向物理尺这样空间一点到其投影象素间的变换公式Hr to五”l。0：厂x w：阵f 4)其中a。一U d x，a，=f d y。为推导方便，建立如下定义的归一图象坐标投影关系简化z 仕|i ；渊以下计算都转化到相机坐标系进行，图象坐标采用归一化坐标系。0，Z。=0 由式(1)可转化为相机坐标系下表示来，经细化后t 得到光带中心线。参考平面一般踪光带中心线。根据连续关系分离出参考平面上的光带用最小二乘法拟合出直线方程，z。L 三u 下1标门l】叫坐uv 象。旧I 卧一种1，ll，jE罔馘为严k一 万方数据并通过方程(5)转化为图象平面上表示。吒图4成像过程中光带及其投影间的几何对应关系，1：8 l o T+b l Y+q 一0(9)，。：0 2 工4-b z y+屯=0(1 0)光平面在竖直参考面上投影厶是z。确定的视平面与竖直参考面的交线，可写为半一百Y-Y o Z 百-Z o(1 1)尸1Q 1R 17其中只(墨，Y o，z。)是两条参考面上光带的交点。(P，Q，R，)7 是交线的方向矢量，可由视平面与竖直参考平面法向矢量的叉乘确定盱I l x 匮巧一一百。可其中阡I l X 囡这样光平面的法向矢量为陶(1 2)(1 3)(1 4)设P(X，Y，z)为物体表面光带上一点，在图象上投影为P(x，y)。由相机中心0。出发过P 点的射线与光平面交于P 点。射线0。P 方程为X x Y y=z 1，可改写为参数形式x=x t，Y y t，Z t(1 5)点P，P o 均在光平面上，故它们连线与光平面法向矢量垂直一3 7 2 一P xo p I 一y。l l B【一0(表示标量乘)L 一Z JL c J由此求得t A X 百o i-k B Y 万。矿+C Z o将t 值带人方程(1 5)即可求出物体表面点的空间坐标。3 系统流程完整的表面测量系统流程如图5 所示。翌!璺!m m 标定H 鬈尊豁恤器畿茬H 未铬H 袭嚣篙。1。J。一一L 1 1 1。一厂霄H 一毒甄H 丽藩一差意剁图5 系统流程图本文方法中扫描线移动并无精确的数量规律，不能用常见的等值轮廓线法由各光带信息提取表面模型。为此将计算出各条光带，分别进行平面由面拟合后，再匀化为空间离散点集，采用d s h a p e 算法，进行空间三角剖分，得到物体表面的三角形网格。为获取完整的物体表面模型，需进行多方位扫描。假设物体“底部”是平的，只需将物体固定于一个可标定的转动平台上，在不同的转动位置，进行扫描。将各次扫描结果归并，即可完成整个物体表面的几何建模任务。数据以V R M I。格式输出，可在其他造型软件中进一步处理。图6 线激光扫描的玩具熊实例对上述方法，用较复杂形体进行了试验。图 万方数据6 所示为用作试验的玩具熊和线激光投射的光带。图7 是某一位置下的激光扫描结果，由17 2帧图象提取的光带中心线叠加而成。图8 是最终的3 D 重建结果。虽然目前缺乏合适的比较数据，不能进行误差分析，但从视觉效果上看，还令人满意。图7 固定位置下激光扫描结果结论为满足虚拟现实、计算机动画、网上商品展示等方面的需要，提供快速、简便的实物几何建模手段显得十分迫切。以手持式线激光为工具结合计算机视觉技术，可以实现一套配置简单、使用方便的结构光测量系统，完成3 D 表面的重构。本文介绍了测量系统的基本原理，并给出了测量实例，效果令人满意。参考文献 1 B o u g u e tJY，D o c t o r a lT h e s i s D e p a r t m e n to fC o m p u t e rS c i e n c e C a l i f o r n i al n s t i u t eo fT e c h n o l o g y，1 9 9 0 2 王岩等，现代计算机，1 9 9 9，7(1)4 3 G r a d l e yC O p t i c a lE n g i n e e r i n g，19 9 3，3 2(9)，2 1 9 l 4 T s a iRY I E E EJR o b o t i c sA u t o m a t i o n，l9 8 7，3(4)3 2 3 5 马颂德等，计算机视觉一计算理论与算法基础北京，科学出版社，1 9 9 8 6 Muc k eEP D o c t o r a lT h e s i s D e p a r t m e n to fC o m p u t e rS c i e n c e，U n i v e r s i t yo f l h n o i s S e p t e m b e r，1 9 9 3母8 重构出的3 D 模型1 l 耕1 h 1 _ 1 q l n 州m+1 m 1 1 n 州1 1 州m 1 l q】“n 1 1 n l q 1 H n l 1 n 1 1T 1 1 州m 1 1“n“_ n 1+1、H 1 1 l 刊1 1 1 1 m M m _ m+1 1 H 1 1 h 州、1 1 1 H 斟m 1 1 i 制1 1 1 m 州n 1)】1 1(上接第3 7 7 页)从图4、图5 可知：该系统使得光束尺寸减小其主要原因是圆孔光阑限制了光束尺寸。进一步计算后表明，如果光阑的尺寸较大，可以让所有的光束通过，那么光束尺寸将会变大。另外，去除光阑的限制作用后，我们在第2 个透镜的后焦面上获得了理想的像，这是由于假定d，=f 1 的必然结果“】。结论(1)利用标量衍射理论导出的公式和F F T方法，可以对相干光学系统中光场的空间分布进行空间追踪模拟；(2)光学系统内部的光阑等限制元件，对观铡平面上特别是像平面上的光场分布有较大的影响。参考文献 1 吴晓雯，“模拟软件用于激光谐振腔设计”，激光与光电子进展，2 6 1 3 1 N o2 2 5 2 J W G o o d m a n，I n t r o d u c t i o nt oF o u r i e rO p t i c s，M c G r&w H l l l，N e wY o r k，1 9 8 8 3 苏显渝等著信息光学科学出版社，北京，1 9 9 9 年9 月 4 E OB r i g h a m T h eF a s tF o u r i e rT r a n s f o r m，P r e n t i c e H a l lI n c，19 7 4C s J D G a s k i l l，L i n e a rS y s t e m s，F o u r i e rT r a n s f o r m s，a n dO p t i c s，J o h nW i l e y8 LS o n s，1 9 7 83 7 3 万方数据手持式线激光源3D扫描系统手持式线激光源3D扫描系统作者：熊汉伟，张湘伟作者单位：熊汉伟(浙江大学人工智能研究所,杭州,310027汕头大学机械电子系,汕头,515063)，张湘伟(广东工业大学,广州,510090)刊名：应用激光英文刊名：APPLIED LASER年，卷(期)：2001,21(6)被引用次数：6次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.查看详情 19992.王岩 查看详情 1999(01)3.Gradley C 查看详情 1993(09)4.Tsai R Y 查看详情 1987(04)5.马颂德 计算机视觉-计算理论与算法基础 19986.M ucke E P Department of Computer Science 1993 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.熊汉伟.张洪.张湘伟.Xiong Hanwei.Zhang Hong.Zhang Xiangwei 基于双目立体视觉的手持式线激光3D扫描方法期刊论文-应用激光2009,29(3)2.上海福斐科技发展有限公司.Shanghai Forever Tech&D Co.Ltd Rexcan 激光三维扫描仪期刊论文-航空制造技术2010(2)3.叶巧玲.张明.YE Qiao-ling.ZHANG Ming 3D激光扫描系统在路面功能检测中的应用期刊论文-山西建筑2007,33(12)4.戴瑞华 SolidWorks ScanTo3D和NextEngine桌上型3D扫描仪期刊论文-CAD/CAM与制造业信息化2007(2)5.张秋红 非接触式层叠纸张精密计数系统的研究学位论文20096.施德杭.李孟超.孙刘杰.SHI Dehang.LI Mengchao.SUN Liujie 反射光纸张边缘检测系统设计期刊论文-光学仪器2008,30(2)7.胡名雨 基于纹理的纸张计数研究学位论文20088.李毅.阮秋琦 应用纹理分析的纸张计数算法期刊论文-中国图象图形学报A辑2004,9(9)9.苗良.平西建.MIAO Liang.PING Xi-jian 基于纹理特征的纸张计数算法研究期刊论文-信息工程大学学报2005,6(4)10.施德杭.孙刘杰 印后纸张在线光电计数器系统设计会议论文-2007 引证文献(6条)引证文献(6条)1.熊汉伟.张洪.张湘伟 基于双目立体视觉的手持式线激光3D扫描方法期刊论文-应用激光 2009(3)2.陈远.赵志敏.陈震 激光雷达和CCD外部标定方法的改进及其应用研究期刊论文-应用激光 2008(3)3.张洪.熊汉伟.王金明.张湘伟 线激光、遮挡轮廓结合的雕塑形体3D扫描方法研究期刊论文-应用激光 2008(2)4.陆国栋.顾铭秋.王剑.徐文鹏 基于脚部三维扫描的鞋楦建模方法研究期刊论文-机械 2005(4)5.王剑 鞋楦CAD中定制鞋楦造型和修改技术研究及应用学位论文硕士 20046.张湘伟.成思源.熊汉伟 基于照片的实体建模方法的现状及展望期刊论文-机械工程学报 2003(11)本文链接：http:/