一種基于激光掃描的3D成像裝置及成像方法，本發明專利技術涉及基于激光掃描的3D成像裝置及成像方法。本發明專利技術為了解決現有技術存在檢測的效率與準確率低的問題。本發明專利技術包括：激光器(1)、相機(2)、輔助激光器(3)、步進電機(4)、電機控制器(5)、連接桿(6)和掃描物體(7)。本發明專利技術步驟為：步驟一：進行相機(2)標定，得到標定后的相機(2)內參；步驟二：根據步驟一得到的標定后的相機(2)內參，進行所述基于激光掃描的3D成像裝置的標定，得到相機每一次采集數據時的位姿；步驟三：根據步驟一和步驟二標定的數據以及相機每一次采集數據時的位姿，計算掃描的點云數據，得到掃描模型。本發明專利技術用于3D掃描領域。
【技術實現步驟摘要】
一種基于激光掃描的3D成像裝置及成像方法
本專利技術涉及3D成像裝置及成像方法。
技術介紹
鑒于當前社會越來越高的人工成本、精益求精的產品質量，各個行業都掀起了智能化的浪潮，使用機器人代替人的思想為越來越多的行業所接受，尤其是生產制造行業。在產品生產過程中，存在許多耗費大量成本的工作，如大量重復性的工作、惡劣環境下工作、高精度要求性的工作，這些工作使用人力進行存在著效率差、精度低等缺點，若使用相應機械代替人工則可解決上述問題，所以現在有越來越多的機械代替人工進行生產制造。機械隨著生產的發展而發展，當前某些生產過程使用的機械結構能實現的功能較為單一，且存在一定的輸入限值。如使用機械手抓取工件進行組裝，當前要求所有工件需整齊排列，對于每個工件的位置、姿態都有著較為嚴格的要求。而生產、運輸過程中，工件可能達不到輸入要求，此時就需要機械手存在一定的智能，可以在散亂工件中，識別工件的位姿，并對其進行正常抓取。在生產過程中，還存在著一些使用人工識別的工作，如某些工件的缺陷檢測、篩選，因人工的效率、誤差率會隨著時間的變化而波動，若能使用機械代替人工，則可保證檢測的效率與準確率。描述的例子中，無論是對工件的智能識別、抓取、還是缺陷檢測，都需要進行3D匹配，而當前技術中3D匹配的基礎大多使用3D模型點云來實現。質量優良的點云數據可以進行曲面擬合、重疊判斷、位姿識別等等操作。當前流行的點云掃描方案主要包括兩大類，一類為平動掃描方案，使用絲杠、滑軌或直接用機械手控制整體結構平行運動，經過指定距離拍攝圖像進行處理，最后進行點云拼合，該方案的優點是精度較高，缺點是掃描速度慢，整體機械結構復雜，掃描時所需的機械運動空間較大。另一類為雙目或多目方案，采用標定好的雙目(多目)相機，拍攝掃描物體的圖像，使用特定的特征點計算方式，計算對應點的3D坐標，然后填充3D坐標點中間的空缺位置，該方案的優點是計算速度快，相對于之前的方案，速度起碼優化10倍以上，使用的機械結構相對簡單，僅使用兩個相機與相機連接件即可，掃描時可安裝到機械臂上，或者安裝到指定位置，所需空間較小。但此方案有個嚴重的缺點，即生成的點云誤差較大，對于一些高精度的工業生產需求，此方案并不適用。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術存在掃描速度慢以及得到的點云精度低的問題，而提出一種基于激光掃描的3D成像裝置及成像方法。一種基于激光掃描的3D成像裝置包括：激光器、相機、輔助激光器、步進電機、電機控制器和連接桿；在相機的一側設置激光器，另一側設置輔助激光器，激光器將激光發射至掃描物體后，相機拍攝掃描平臺上的掃描物體；相機通過連接桿連接步進電機，步進電機信號連接電機控制器；電機控制器控制步進電機通過連接桿使相機移動。一種基于激光掃描的3D成像方法包括以下步驟：步驟一：進行相機標定，得到標定后的相機內參；步驟二：根據步驟一得到的標定后的相機內參，進行基于激光掃描的3D成像裝置的標定，得到相機每一次采集數據時的位姿；步驟三：根據步驟一和步驟二標定的數據以及相機每一次采集數據時的位姿，計算掃描的點云數據，得到掃描模型。本專利技術的有益效果為：本專利技術針對現有技術的缺點進行了規避處理，本專利技術采用旋轉電機帶動激光器掃描，無需激光器(相機)整體平動，減小了整體機械結構的大小與掃描時所需的機械空間，可將本方案的機械結構安裝至機械臂或指定位置點(如料箱上方)。本專利技術機械結構具有可擴展性，如本專利技術可添加輔助激光器，與主激光器相同的處理方式，可提升整體掃描速度40％以上，若真實案例中仍不能滿足速度要求可在當前的機械機構上添加多個輔助激光器，用以提升速度。若仍不能滿足需求，可更換相機為高速相機，處理幀率達到每秒百幀以上。本專利技術對掃描點位置的計算方式為推導的數學公式計算，無需生成填充點，掃描所得的點云精度與平動方案相若，高于雙目(多目)方案的精度。本專利技術方案中使用basler工業相機(分辨率2010*2046，最大幀率90)，使用主激光器+輔助激光器掃描30cm*30cm的料箱，掃描時間約3秒，得到的點云精度約為x:0.0625mm，y:0.15mm，z:0.15mm滿足工業需求，若仍需提升精度，可減緩掃描時間，或更換高速相機。附圖說明圖1為點云數據表現形式1圖；圖2為點云數據表現形式2圖；圖3為點云數據表現形式3圖；圖4為本專利技術裝置正視圖；圖5為本專利技術裝置側視圖；圖6為軟件架構圖；圖7為相機坐標至圖像坐標轉換模型；圖8為圖像物理坐標系與圖像坐標系；圖9為圖像畸變示意圖；圖10為枕形畸變示意圖；圖11為桶形畸變示意圖；圖12為初步標定系統示意圖；圖13為角度2計算1圖；圖14為角度2計算2圖；圖中2為角度2；圖15為旋轉后切面示意圖；圖16為求解P點XY坐標。具體實施方式具體實施方式一：如圖4和圖5所示，一種基于激光掃描的3D成像裝置包括激光器1、相機2、輔助激光器3、步進電機4、電機控制器5和連接桿6；在相機2的一側設置激光器1，另一側設置輔助激光器3，激光器1將激光發射至掃描物體7后，相機2拍攝掃描平臺上的掃描物體7；相機2通過連接桿6連接步進電機4，步進電機4信號連接電機控制器5；電機控制器5控制步進電機4通過連接桿6使相機2移動。具體實施方式二：一種基于激光掃描的3D成像方法包括以下步驟：步驟一：進行相機2標定，得到標定后的相機2內參；步驟二：根據步驟一得到的標定后的相機2內參，進行基于激光掃描的3D成像裝置的標定，得到相機每一次采集數據時的位姿；步驟三：根據步驟一和步驟二標定的數據以及相機每一次采集數據時的位姿，計算掃描的點云數據，得到掃描模型。本專利技術最終目的為在滿足對應項目前提下，產生可以用于其他操作的點云數據。所謂點云數據即由3D點構成的模型數據，所有點構成的模型如云一般，固稱點云數據(一般點云數據格式為*.pcd或*.xyz)，表現形式如圖1至圖3所示(使用查看軟件為CloudCompare)。點云的質量主要有點云的密度與精度，所謂密度即單位尺寸內點的個數，所謂精度即測量點距真實位置的偏移值。所有點構成了工件的三維模型，符合密度與精度需求的模型可進行識別、匹配、檢測等相關操作。本專利技術需求功能性需求本專利技術可掃描指定大小區域點云，如固定料箱大小。本專利技術可接受一定的環境影響，如光線變化、料箱位置變化等。本專利技術可接受一定的景深變化，如料箱高度變化。性能性需求時間要求，掃描過程需在規定時間內。精度要求，掃描的點云需滿足指定精度，如偏差<0.5mm。密度要求：掃描的點云點需滿足指定密度，如密度>4點每平方毫米。機械需求本專利技術依托的機械結構尺寸存在一定要求，整體結構不可過大，可置于機械手指定位置，可配合機械手運動進行掃描操作。軟件需求本專利技術軟件部分需滿足性能要求，本本專利技術不依賴于固定平臺，可使用GPU編程加快掃描速度。可與整體本專利技術中的其他部分使用指定通信方式(以太網絡、RS232串行接口、USB3.0串行接口等)進行通信，用以獲取或控制其他模塊數據。本專利技術中軟件部分可使用開源庫(OpenCV、OpenGL、QT等)進行快速開發，但需盡量避免使用試用庫、破解庫等第三方庫，防止產生其他程序異常或者程序版權等問題。軟件主要由中控模塊、電機操作模塊、相機操作模塊、圖像處理模本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于激光掃描的3D成像裝置，其特征在于：所述基于激光掃描的3D成像裝置包括：激光器(1)、相機(2)、輔助激光器(3)、步進電機(4)、電機控制器(5)和連接桿(6)；在相機(2)的一側設置激光器(1)，另一側設置輔助激光器(3)，激光器(1)將激光發射至掃描物體(7)后，相機(2)拍攝掃描平臺上的掃描物體(7)；相機(2)通過連接桿(6)連接步進電機(4)，步進電機(4)信號連接電機控制器(5)；電機控制器(5)控制步進電機(4)通過連接桿(6)使相機(2)移動。
【技術特征摘要】
1.一種基于激光掃描的3D成像裝置，其特征在于：所述基于激光掃描的3D成像裝置包括：激光器(1)、相機(2)、輔助激光器(3)、步進電機(4)、電機控制器(5)和連接桿(6)；在相機(2)的一側設置激光器(1)，另一側設置輔助激光器(3)，激光器(1)將激光發射至掃描物體(7)后，相機(2)拍攝掃描平臺上的掃描物體(7)；相機(2)通過連接桿(6)連接步進電機(4)，步進電機(4)信號連接電機控制器(5)；電機控制器(5)控制步進電機(4)通過連接桿(6)使相機(2)移動。2.一種基于激光掃描的3D成像方法，其特征在于：所述基于激光掃描的3D成像方法包括以下步驟：步驟一：進行相機(2)標定，得到標定后的相機(2)內參；步驟二：根據步驟一得到的標定后的相機(2)內參，進行基于激光掃描的3D成像裝置的標定，得到相機每一次采集數據時的位姿；步驟三：根據步驟一和步驟二標定的數據以及相機每一次采集數據時的位姿，計算掃描的點云數據，得到掃描模型。3.根據權利要求2所述的一種基于激光掃描的3D成像方法，其特征在于：所述步驟一中進行相機(2)標定，得到標定后的相機(2)內參的具體過程為：步驟一一：確定相機(2)標定參數；所述相機標定參數包括標定圖片張數、標定板棋盤橫角點數、縱角點數；步驟一二：獲取相機(2)采集圖像；步驟一三：尋找圖像中的棋盤角點，判斷是否滿足橫向、縱向角點個數要求；步驟一四：保存滿足要求的棋盤角點像素坐標與物理坐標；步驟一五：重復執行步驟一二～步驟一四，直至保存的圖片張數為大于等于10張小于等于15張；步驟一六：根據步驟一五得到的圖片，計算圖片物理角點位置與像素位置的對應關系，計算相機內參與畸變矩陣；步驟一七：獲取標定校準系數，若大于指定系數，則重新標定相機(2)；若小于等于指定系數則執行步驟一把八；所述指定系數為誤差的最大允許值；步驟一八：保存相機(2)內參矩陣，校準采集圖像。4.根據權利要求2所述的一種基于激光掃描的3D成像方法，其特征在于：所述步驟二中根據步驟一得到的標定后的相機(2)內參，進行所述基于激光掃描的3D成像裝置的標定的具體過程為：步驟二一：將標定板置于標定臺中心位置，調整標定板；步進電機(4)帶動相機旋轉，實時標定相機，使相機的偏轉角、桶滾角、俯仰角均為0；步驟二二：控制步進電機(4)帶動相機轉動大于等于3個角度，同時標定相機，得到共圓的3個位置點，利用多點共圓公式得到圓心位置與圓半徑r；步驟二三：控制激光器(1)投射至標定臺表面，使用相機拍攝一張相片，處理照片中的激光線，獲取激光線中心位置；步驟二四：處理照片中的每一行點的位置與CCD中心對應的圖像位置的相對偏移，根據步驟一中得到的相機內參，計算得到角度2；所述角度2為L′與相機光軸線的夾角，L′為點O與相機光心的連線，點O為激光線與計算行的交點；步驟二五：根據步驟二四得到的角度2、當前相機高度h和圓半徑r，得到臂展l與角度1；所述角度1為激光線偏轉角，即為S′與連接桿(6)的夾角，S′為計算點與激光器的連線；具體過程為：相機光心距離標定臺的距離h和圓半徑R與臂展l和激光線偏移角度...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王興，
申請(專利權)人：王興，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23
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