一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法，包括导轨滑槽、两个红外CCD摄像机和激光调制�？椋礁龊焱釩CD摄像机和激光调制�？槲挥诘脊旎凵希す獾髦颇？槲挥诘谝缓焱釩CD摄像机和第二红外CCD摄像机的中间，所述激光调制�？樯仙栌屑す獬錾涔饪祝黾す獾髦颇？榘ü獍呒す夥⑸淦骱土阶椴浇缁姆垂饩担谝环垂饩岛偷诙垂饩抵涞木嗬胛�5cm。本发明具有生产成本低、制作简单的特点，适合推广应用。
【专利说明】一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光三维扫描【技术领域】，涉及一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法。
【背景技术】
[0002]激光三维扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。
[0003]在自然光照条件下使用激光三维扫描设备，会受到太阳光、大气等外界因素的影响。已经生产出的一些三维扫描设备，如车载三维激光扫描仪已经可以解决这一问题，但成本过高。为了降低设备成本，保证激光三维扫描设备可在自然光照条件下使用，解决CCD/CMOS图像中激光和自然光的精确区分问题，需要对激光波段进行选择。选择激光波段时要综合考虑自然环境中太阳光的影响、大气对光谱吸收造成的衰减、CCD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制这四个问题。
[0004]现有的适合于室外自然环境使用的激光三维扫描系统较少。我们在SCI数据库中检索了 2007年至2013年的相关文献6篇。现有技术一是采用脉冲激光的飞行时间法来达到数据获取的目标。该技术要通过计算机主频时钟精确控制激光脉冲的发射并记录从发射到接收到反射信号的时间差，以此来测算光点的三维信息。因为计算机主频时钟频率约为2GHz左右，所以测量精度(误差)约为150_。为提高测量精度而提高时钟频率时，成本大幅增加，体积较为庞大。另外，这种设备所需的光电转换传感单元要求苛刻，造价高。以该原理方法制作的设备适合于对距离较远的物体进行测量，对近距离小物体的测量则难以得到详细细节信息。现有技术存在以下缺陷:
[0005](I)成本高,体积庞大,不易携带。
[0006](2)技术实现不易控制。
[0007](3)分辨率较低，不能测量较小物体或效果较差。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，本发明提供一种适用于自然环境的激光三维扫描设备及方法，该设备大幅度降低设备成本，同时保证适用于自然环境的激光三维扫描设备能够在自然光条件下使用，需要对激光波段进行选择。
[0009]其技术方案如下:
[0010]一种适用于自然环境的激光三维扫描设备，包括导轨滑槽1、两个红外CXD摄像机和激光调制模块4，两个红外CCD摄像机和激光调制�？�4位于导轨滑槽I上，激光调制�？�4位于第一红外CXD摄像机2和第二红外CXD摄像机3的中间，所述激光调制�？�4上设有激光出射光孔5，所述激光调制�？�4包括光斑激光发射器6和两组步进电机驱动的反光镜，第一反光镜7和第二反光镜8之间的距离为5cm。
[0011]优选地，两个红外CXD摄像机平行放置，间隔距离为50cm。
[0012]优选地，所述激光发射器6为3A级1064nm激光发射器。
[0013]优选地，所述激光出射光孔5的直径为3.6cm，形状为夹角90°的圆锥状。
[0014]一种适用于自然环境的激光三维扫描方法，包括以下步骤:
[0015]I)先将激光调制�？槿范ㄔ谥Ъ艿闹屑湮恢谩＜す獾髦颇？橹械谝蛔榉垂饩等扑街嵯叩退傩诙榉垂饩等拼怪敝嵯吒咚傩�。激光点经第二组镜面反射后在相机成像上会形成直线型的李萨如(JulesAntoine Lissajous)图形。第二组反光镜旋转30周/秒(10800° /秒)，第一组反光镜只做很小幅度(约1/30° /秒)的转动，以保证扫描动作在空间较小的的跨度。
[0016]2)根据扫描物体的距离和扫描范围调节两个红外CCD相机的相对与激光调制�？榈奈恢�。距离短且范围小时，两个红外CCD相机距离激光调制模块较近。相反地，距离远且范围大时，两个红外CCD相机距离激光调制模块较远。两个红外CCD相机中分别安装了1064nm土 IOnm的窄带滤光片。
[0017]3)利用张正友算法或者三角法原理标定两个红外CCD相机的内部参数和外部参数(包含有相对位置和姿态的信息)。将相对位置和姿态信息作为固定参数存储。
[0018]4)扫描过程中，提取两幅图像中的激光点信号，结合两红外C⑶相机的相对位置和姿态信息，利用视差原理计算出相对应点的三维坐标值。该方法可达到2000P/S的扫描速率。
[0019]本发明的有益效果:本发明选择激光波段时要综合考虑自然环境中太阳光的影响、大气对光谱吸收造成的衰减、(XD/CM0S的敏感特性和激光器的安全性限制这四个问题。
[0020]I)太阳光谱能量密度计算。在自然光照条件下使用适用于自然环境的激光三维扫描设备，受自然环境影响最大的因素来自于太阳。太阳光谱特征表现为表面温度5778K的黑体辐射，通过普朗克公式计算其能量密度。为保证冗余度需计算能量密度最大值，此处选取日地最短距离为1.471xl08km。取太阳半径为6.963xl05km时，以太阳中心为中心，日地距离为半径的球体表面积与太阳表面积的比为:4.463xl04。
[0021]2)选取受大气影响较小的激光波段。选择激光波段时，还需考虑空气中各组成成分(氮，氧，二氧化碳，稀有气体，水蒸气，其它气体和杂质)对光的吸收引起的衰减作用。虽然这种衰减会同时影响太阳光和激光，但是为保证仪器设备能在苛刻条件下正常工作，一般取不受大气影响或受影响较小的波段以保持其稳定性。
[0022]3)选取适用的(XD/CM0S。在自然环境下使用(XD/CM0S时，为在某激光器的工作波段获得有效的敏感度、提高信噪比和对比度，最好选择对该波段响应敏感的CCD/CM0S来使用。如果还不能有效消除自然环境光的影响，则须使用滤光片滤除该工作波段以外的光。一般使用窄带滤波片，半带宽选±10nm，效果较佳。
[0023]4)依据激光器安全性限制选取激光波段。激光的安全性也是影响其谱段选择的一个重要因素。原因是在可见谱段光子撞击生物机体时会引起电子迁移而破坏机体细胞，在红外谱段仅仅会引起原子间化学键的震动或扭曲而产生热，�：闲�。
[0024]5)设计相应的激光运动控制系统。分别使用线状光条激光和圆形光斑激光完成扫描，通过比较得出使用圆形光斑激光完成扫描是可行的方案。具体需要在水平方向和垂直方向上做间隔式周期性转动来实现扫描。
[0025]6)构建设备成本低。通过对激光波段的选择，实现了适用于自然环境的激光三维扫描设备在自然光下的使用，大幅度降低了设备成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明适用于自然环境的激光三维扫描设备的结构示意图；
[0027]图2是激光调制模块工作示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0029]参照图1-图2，一种适用于自然环境的激光三维扫描设备，包括导轨滑槽1、两个红外CCD摄像机和激光调制�？�4，两个红外CCD摄像机和激光调制�？�4位于导轨滑槽I上，激光调制�？�4位于第一红外CXD摄像机2和第二红外CXD摄像机3的中间，所述激光调制�？�4上设有激光出射光孔5，所述激光调制模块4包括激光发射器6和两组步进电机驱动的反光镜，第一反光镜7和第二反光镜8之间的距离为5cm。两个红外CXD摄像机平行放置，间隔距离为50cm。所述激光发射器6为3A级1064nm激光发射器。两个红外C⑶摄像机平行放置，间隔距离为50cm，在两个摄像机之间，激光出射光孔5中心距离两摄像机镜头中心各约25cm处。所述激光出射光孔5的直径为3.6cm，形状为夹角90°的圆锥状。
[0030]图2显示了本扫描设备激光调制模块的结构和工作原理示意图。第一反光镜7的步进电机绕水平轴以每秒约2”的速度旋转。第二反光镜8的步进电机绕垂直轴以每秒约30转的速度旋转。在第二反光镜8和④直线状李萨如图形9之间，有图1中⑤所示的激光出射孔。经调制后的激光图形为所示的直线状李萨如图形9。
[0031]I)构建方法:
[0032]采用双目视觉原理，在两个红外相机中可以得到反射激光点的视差图像。通过处理这两幅图像，获得被测物体表面的三维坐标信息。为能在自然环境下使用，在红外相机内部加装980 ± IOnm的窄带滤波片。
[0033]在两个红外相机之间安装了激光调制�？�。该�？榘ü獍呒す夥⑸淦骱土阶椴浇缁木得�。假设激光线处于水平姿态，其中第一组反光镜绕水平轴线低速旋转，第二组反光镜绕垂直轴线高速旋转。激光点经第二组镜面反射后在相机成像上会形成直线型的李萨如(Jules Antoine Lissajous)图形。第二组反光镜旋转30周/秒(10800° /秒)，第一组反光镜只做很小幅度(约1/30° /秒)的转动，以保证扫描动作在空间较小的跨度。
[0034]激光投射到被测物体上后，会在两个红外相机内形成光条图像。通过自主开发的配套软件，可匹配光条图像点对，之后再依据视差计算获得相应的三维坐标信息。
[0035]2)开发环境:
[0036]a.C++:计算机编程语目。[0037]b.WindowsAP1:操作系统应用程序编程接口。
[0038]c.0penCV:开源计算机视觉库。主要用来图像捕获，以及进行图像处理
[0039]d.Microsoft Visual C++6.0Express Edition:编程 IDE。
[0040]3)具体实现:
[0041]a.选择出适合自然光条件下使用的激光波段。
[0042]综合多个影响激光在自然光条件下使用的因素的分析，在选择可适用于复杂自然环境的激光发射器时，依照:
[0043]I必须满足安全标准
[0044]II发射的能量密度要大于太阳光在该波段的辐射
[0045]III尽可能提高激光在(XD/CM0S成像系统中的对比度和信噪比
[0046]IV尽可能避免大气吸收造成的衰减
[0047]等原则，一般选择近红外波段，并按N1064nm>N980nm>N808nm(其中用Nxnm来表示波长为X rim处的适用系数)的排序为优先选择顺序。但是由于808nm处的(XD/CM0S成像通常会有程度不一的“泛红”现象，所以一般不选择该波段；由表1可知，980nm在扫描时间很长时，也存在功率超标的可能；1064nm是出个波段中唯一)满足各项限制条件的最好选择。
[0048]表1典型激光波段的发射极限及相应波长太阳能量密度的对比
[0049]
【权利要求】
1.一种适用于自然环境的激光三维扫描设备，其特征在于，包括导轨滑槽、两个红外CCD摄像机和激光调制�？椋礁龊焱釩CD摄像机和激光调制�？槲挥诘脊旎凵希す獾髦颇？槲挥诘谝缓焱釩XD摄像机和第二红外CXD摄像机的中间，所述激光调制�？樯仙栌屑す獬錾涔饪祝黾す獾髦颇？榘ü獍呒す夥⑸淦骱土阶椴浇缁姆垂饩担谝环垂饩岛偷诙垂饩抵涞木嗬胛�5cm。
2.根据权利要求1所述的适用于自然环境的激光三维扫描设备，其特征在于，，两个红外(XD摄像机平行放置，间隔距离为50cm。
3.根据权利要求1所述的适用于自然环境的激光三维扫描设备，其特征在于，所述激光发射器为3A级1064nm激光发射器。
4.根据权利要求1所述的适用于自然环境的激光三维扫描设备，其特征在于，所述激光出射光孔的直径为3.6cm，形状为夹角90°的圆锥状。
5.一种适用于自然环境的激光三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)先将激光调制�？槿范ㄔ谥Ъ艿闹屑湮恢茫す獾髦颇？橹械谝蛔榉垂饩等扑街嵯叩退傩诙榉垂饩等拼怪敝嵯吒咚傩患す獾憔诙榫得娣瓷浜笤谙嗷上裆匣嵝纬芍毕咝偷睦钊缤夹危坏诙榉垂饩敌�30周/秒，第一组反光镜只做1/30° /秒的转动； 2)根据扫描物体的距离和扫描范围调节两个红外CCD相机的相对与激光调制模块的位置；距离短且范围小时，两个红外CCD相机距离激光调制�？榻辖幌喾吹兀嗬朐肚曳段Т笫保礁龊焱釩CD相机距离激光调制�？榻显叮涣礁龊焱釩CD相机中分别安装了1064nm±10nm的窄带滤光片； 3)利用张正友算法或者三角法原理标定两个红外CCD相机的内部参数和外部参数；将相对位置和姿态信息作为固定参数存储； 4)扫描过程中，提取两幅图像中的激光点信号，结合两红外CCD相机的相对位置和姿态信息，利用视差原理计算出相对应点的三维坐标值；该方法可达到2000P/S的扫描速率。
【文档编号】G01B11/00GK103954214SQ201410163414
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】张志毅, 耿楠, 胡少军, 何东健 申请人:西北农林科技大学
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