（计算机应用技术专业论文）三维激光扫描技术的研究.pdf

r e s e a r c h f o rt h r e e d i m e n s i o n a l l a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y a t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r ( o rd o c t o r ) o f星望g i 壁星i 坠2 b yd nc h u n m e i t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r w a n g ，j a n - w e n m a y , 2 0 1 0 三维激光扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新 技术，该技术作为获取空间数据的有效手段，能够快速的获取反映 客观事物实时、动态变化、真实形态特性的信息。三维激光扫描技 术在多媒体动画创作、逆向工程设计、科研分析、文物保护与重建 等方面有着广阔的应用前景。 激光扫描系统装置由线激光光源、双摄像机、旋转平台、控制 台，数据处理软件及其它附件设备共同构成，采用一种新的三维信 息获取方法，利用激光照射到被测物体表面形成激光条纹，用左右 两侧的摄像机拍摄的图像提取激光条纹的三维信息，激光发生器和 左右摄像机同步围绕被测物体旋转，从而快速获取被测物体表面的 三维坐标。 本文对提取的激光条文图像采取迭代法求图像最佳分割阂值， 进行二值化处理；采用简单局部平滑法、超限像素平滑法、中值滤 波以达到抑制、去除噪声的目的，减少三维激光扫描过程中的数据 噪声点对物体轮廓提取的影响。其后，深入分析c a n n y 边缘检测算 子算法的数学原理，在此基础上详细描述了算法的具体实现过程； 对激光扫描包含的大量冗余信息数据进行了压缩，提出设定最小阂 值的筛选压缩方法；分析摄像机成像模型和畸变模型，在两步法平 面模板标定方法的基础上，提出了一种改进的摄像机标定方法。 本文采用改进的线激光作为三维激光扫描系统的光源，从传统 的单点采集数据的测量方式变为密集、连续地自动获取数据的测量 方式，提高了测量的精度和速度。 关键词：激光，三维测量，噪声滤除，摄像机标定 r es e a r c hf o rt h r e e d i m e n s i o n a l l a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi so n eh i g h - t e c h w h i c hc o m b i n eo p t i c a l m e c h a n i c e l e c t r i cw i t hc o m p u t e r ，r e f l e c t i n gt h e o b je c t i v e i n f o r m a t i o no fs p a t i a ld a t ai n c l u d i n gr e a l - t i m e ，d y n a m i c c h a n g e s ，r e a lm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h r e e d i m e n s i o n a l l a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g yh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e f i e l do f m u l t i m e d i aa n i m a t i o n ，r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e s e a r c h a n da n a l y s i s ， p r e s e r v a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti s o fs i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u et os t u d y t h i st e c h n o l o g y l a s e rs c a n n i n gs y s t e md e v i c ew a sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：t h el i n e l a s e rs o u r c e ，d u a lc a m e r a s ，r o t a t i n gp l a t f o r m s ，c o n t r o lp l a t f o r m ，d a t a p r o c e s s i n g s o f t w a r ea n do t h e ra c c e s s o r i e s t h i sp a p e rc o u l dg e tt h e t h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e so ft h em e a s u r e do b je c t ss u r f a c er a p i d d l y b yu s i n gan e w t h r e e d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nm e t h o d ，g e t l a s e rs t r i p eb yu s i n gl a s e ri r r a d i a t i o nt ot h es u r f a c eo ft h ed e t e c t e d o b je c t s ，a n de x t r a c tt h r e e d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o nb yu s i n gt h er i g h t a n dl e f tc a m e r ai m a g e sa r o u n dt h em e a s u r e do b je c t t h i sp a r e rs e e k e dt h eb e s ts e g m e n t a t i o nt h r e s h o l df o rb i n a r i z a t i o n p r o c e s s i n gb ye x t r a c t i n gt h ep r o v i s i o n so f t h ei m a g e i no r d e rt oa c h i e v e t h ep u r p o s eo fi n h i b i t i o n ，r e m o v i n gn o i s ea n dr e d u c et h eo b je c tc o n t o u r e x t r a c t i o ne f f e c t so fn o i s ep o i n t st ot h r e e d i m e n s i o n a l l a s e rs c a nd a t a ，i t u s e das i m p l el o c a ls m o o t h i n g ，t r a n s f i n i t e p i x e ls m o o t h i n g ，m e d i a n f i l t e r i n g o n b a s i so ft h e s e ，t h e p a p e ra n a l y s e d t h em a t h e m a t i c a l p r i n c i p l eo fc a n n ye d g ed e t e c t o ra l g o r i t h md e e p l ya n dd e s c r i p e dt h e r e a l i z a t i o n p r o c e s s o fa l g o r i t h mad e t a i l t h e nal a r g en u m b e ro f r e d u n d a n ti n f o r m a t i o nw a sc o m p r e s s dt os e tt h em i n i m u mt h r e s h o l d v a l u eo fs c r e e n i n gi nt h ep a p e r ，a n da n a l y e db yi m a g i n gc a m e r am o d e l a n dd i s t o r t i o nm o d e l ，c a l i b r a t i o nm e t h o di nt h et e m p l a t eb a s e do na n i m p r o v e dc a m e r a c a l i b r a t i o n i i i i t c a nm a k et h et r a d i t i o n a l s i n g l e p o i n t m e a s u r e m e n td a t a a c q u i s i t i o ni n t oa u t o m a t i ca c q u i s i t i o no fm e a s u r e m e n td a t a ，b yu s i n g t h ei m p r o v e dl i n el a s e ra sat h r e e - d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gs y s t e mo f l a s e r l i g h ts o u r c e s ot h a ti tc a na c h i e v et h ei m p r o v e m e n to ft h e o b s e r v a t i o n sa c c u r a c ya n ds p e e d k e y w o r d s ：l a s e r ，t h r e e d i m e n s i o n a l ，m e a s u r e m e n t ，c a m e r ac a l i b r a t i o n ，n o i s ef i l t e r i n g i v i 1 绪论一l 1 1 三维激光扫描技术综述1 1 2 应用及研究现状1 1 2 1 应用1 1 2 2 研究现状2 1 3 主要研究工作2 1 4 本章小结3 2 系统结构与测量原理5 2 1 系统结构5 2 2 点式激光三角法原理6 2 3 线激光扫描测量原理7 2 4 双目立体视觉8 2 5 扫描测量软件设计一1 0 2 6 光条图像处理一1 2 2 7 本章小结一1 3 3 三维激光扫描关键性技术15 3 1 噪声滤除一1 5 3 1 1 图像平滑；1 5 3 1 2 中值滤波1 7 3 2 边缘检测2 0 3 2 1c a n n y 边缘检测算子2 0 3 2 2c a n n y 算法实现2 1 3 3 图像压缩一2 2 3 4 测量误差分析2 3 3 4 1 激光光束发散误差2 3 3 4 2 其它测量误差一2 5 3 5 本章小结2 5 4 摄像机数学模型2 5 4 1 摄像机成像模型2 5 4 2 摄像机畸变模型2 8 4 2 1 薄棱镜畸变2 8 4 2 2 偏心畸变2 9 4 2 3 径向畸变一2 9 4 3 摄像机标定3 0 4 3 1 标定过程3 3 4 3 2 标定实验3 3 4 4 三维数据的提取3 5 4 5 本章小结3 9 5 三维物体重建4 l 5 1o p e n g l 介绍4 l 5 2o p e n g l 工作流程4 l 5 3o p e n g l 函数4 2 5 4o p e n g l 重建三维图形4 3 5 4 1 初始化o p e n g l 4 3 5 4 2 光源设置4 3 5 4 3 材质设置一4 4 5 4 4 投影变换4 4 5 4 5 定义系统函数。4 5 5 6 程序开发4 5 5 7 本章小结5 2 6 总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 致谢 参考文献 攻读学位期间发表的学术论文目录 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 i i 5 4 5 5 5 9 6 0 伴随着激光技术、光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟，三维激光测量技术得 到了不断丰富和发展，越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更新的要求，同时催 化了一些相关技术领域的发展，如摄像机标定技术，图像工程，数据补偿技术，测量视 角自动选择技术等等。 三维激光扫描技术具有自身独特优势，因此二十多年来人们对其进行了反复的研究。 该技术就是以恰当的方法采集被测物体的三维数字信息，然后在电脑中进行实时处理， 将物体三维数据中蕴涵的几何信息恢复成图形、图像显示出来。这种方法的优点是具有 还原度高、速度快、成本低、精度高、且能被直接利用。目前，在诸如欧洲、加拿大、 美国、日本，澳大利亚等一些发达国家对此技术已经进行了大量的研究。三维扫描技术 在工业生产、动画制作、影视游戏、娱乐、医学、三维传真、虚拟现实等行业得到相当 广泛的应用，显示了强大的生命力和巨大的技术先进性。 1 2 应用及研究现状 1 2 1 应用 三维激光扫描技术为人们提供了全新的获取空间信息手段。从传统的人工单点获取 数据，变为如今的连续自动获取数据，提高了观测的精度和速度；其应用范围也扩展到 工业测量、地形测绘、智能交通等诸多方面。三维激光扫描技术是迅速发展起来的一项一 高新技术，西方发达国家已将它用于地形地貌观测系统和快速获取特定目标的立体模型 系统中。通过激光三维扫描仪对物体的表面进行全方位扫描测量，就可以得到大量表面 点的三维数据，这些数据是进行三维建模的依据。三维激光扫描技术还主要应用于以下 几个方面【嘲： ( 1 ) 地形绘制：三维激光扫描技术可用于地形扫描，并通过少数的测量控制点转换 到城市坐标系中，这种方法较常规测量速度快、精度高。 ( 2 ) 文物重建与保护：使用绘图、照相、摄像和文字记录等传统手段记录遗迹、遗 址的三维形态和几何信息，无法做到十分精确，很难为后来的研究、展示等提供必要的 资料。鉴于此，很多国家已经将三维激光扫描技术用于文物重建和保护工作。 ( 3 ) 虚拟地理环境和城市建模：在虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t s ， v g e ) 和虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 应用中，核心的内容就是数据，三维激光扫描技 。 陕西科技大学硕士学位论文 术为三维空间数据采集提供了一种全新的技术手段，具有速度快、主动性强、实时性好、 不接触目标、自动化程度高等优良特性。 ( 4 ) 逆向工程：逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) 就是对产品设计过程的一种描 述，根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据的过程，即从实物到数字模型。 通过激光扫描技术获取物体的三维图像轮廓，利用c a d 系统进行处理操作，提高了设 计速度，缩短了设计周期。 除此以外，三维激光扫描系统还广泛用于学术科研、安防刑侦、汽车制造、艺术品 外形设计、交通事故现场勘测、电脑模拟实战、医学，人体工学设计与临床诊断治疗等 诸多领域。 1 2 2 研究现状 国内三维激光扫描测量技术还不很成熟。清华大学对目标物体配准并对该物体进行 重构是利用了对目标物体设置控制点的方法。武汉大学的秦前清老师对煤堆的体积进行 估算是充分运用了激光扫描所生成的点云图的方法。但他们大多运用别人成熟的软件， 对三维激光扫描技术迸一步的研究很少。分析其原因主要有以下两点：一，国内的工业制 作水平整体不高，没有国外那么迫切对物体三维信息的需求，因此三维扫描技术在国内 的发展缓慢；二，国内高技术产业化缺乏必要的资金支持。正是由于这些原因导致我国 在这方面远远落后于别人。然而，值得我们欣慰的是，我国的高技术发展计翅j ( 8 6 3 计划) 已经开始重视三维激光扫描技术所涉及的应用领域，该领域包括：教学、科研、核电站、 能源、电力、文物、考古、建筑业、航天、航空、船舶、制造、军工、军事、石化、医 学、水利、交通、机械、影视、汽车、公安、市政建设。而且，在全国的一些高等 院校也开始了这方面的研究：例如北京大学重离子物理研究所、浙江大学、大连理工大 学等都对基于物体的三维几何模型的建立做了进一步的研究。鉴于我国国内的三维激光 扫描测量技术才起步较迟，因此我们应该学习国外在三维扫描领域软硬件方面先进经验， 让三维激光扫描技术早日在我国全面投入使用 目前，国外几十家高技术公司开展了一系列对三维激光扫描技术的研究，比如：在 美国国家自然科学基金的资助下，美国斯坦福大学的m v o y 教授，进行了数字化 m i h c e l n a g e o l 计划的研究，并形成了自己的产品，法国的m e n s i 系统和美国的c y r a x 系 统在国内外各项工程领域也有着相当显著的知名度。欧洲、美国、加拿大、澳大利亚、 日本等国几十家公司通过对三维扫描技术的研究表明：他们的产品在速度、精度、易操 作性、性价比等诸多方面都达到了相当高度的水平。 1 3 主要研究工作 本论文的研究建立在陕西科技大学计算机实验室已有三维激光扫描系统基础上。主 要研究工作有以下几方面： 2 三维激光扫描技术的研究 ( 1 ) 激光扫描系统采用改进的线激光发生器，连续自动获取数据，提高了测量的精 度和速度。 ( 2 ) 对提取的激光条纹图像采用迭代法求图像最佳分割阈值，进行二值化处理。 ( 3 ) 利用图像平滑以及中值滤波抑制和去除噪声点，减少噪声对物体轮廓提取的影 响。 、 ( 4 ) 采用不同的压缩方法对激光扫描数据中包含的大量冗余信息数据进行了筛选压 缩。 ( 5 ) 对c a n n y 边缘检测算子算法的数学原理进行了深入分析，在此基础上详细描 述了算法的具体实现过程。 ( 6 ) 分析了摄像机成像模型和畸变模型，采取改进的摄像机标定方法对摄像机内外 参数进行标定。通过各种矩阵变换，以及借助摄像机标定的各种参数，对三维数据进行 了提取。 ( 7 ) 使用o p e n g l 技术，在v c + + 软件开发平台基础上，开发出重现三维图形的软 件。 ： 1 4 本章小结 对三维激光扫描技术的应用及研究现状做了简要介绍。概括论述了本文的主要研究。 工作。 善f 豫 3 魄 霸 爹 ， j 4 软件及其它附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取装 置。 图2 1 三维激光扫描系统装置图 f i g2 - 1t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gs y s t e ms e t u p ( 1 ) 线激光发生器：由于激光具有同方向、同相位、单色性、高亮度的特性，所以 本系统采用的是线激光结构光法，并选择功率为3 m w 的半导体砷化镓激光器。半导体 砷化镓激光器有着体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固、价格低廉等优点，它可 以使系统线激光体积小，耗能低，使用方便、安全。 ( 2 ) 数据采集系统：主要完成对视频采集系统送来的信号的精密测量，高速存贮， 并在适当时候由主处理机取回数据，形成物体的三维数据供后续处理使用。该部分 设计策略直接决定整个系统的采样速度和软件设计的难易程度。 ( 3 ) 图像采集卡：图像采集卡是三维激光扫描系统中非常重要的部件，它将摄像机 送出的视频模拟信号先进行a d 转换，或将数字摄像机的输出信号，通过计算机总线传 输到计算机内部，再输出v ( y u v 色彩系统被欧洲的电视系统所采用，其中y 是指 亮度。u 和v 指色调) 信号并压缩。如果图像每帧大小为：r o w x c o l ，那么每帧的数据 量为r o w c o l x 3 8 b i t 。其图像分辨率，信噪比直接影响采样的精度和图像处理的结 果，因此对采集卡的性能要求很高。 ( 4 ) 旋转平台( 转盘) ：旋转平台能够在指令控制下平稳地启动、停止、运转，平台 5 陕西科技大学硕士学位论文 v 、- 上设置的方位角传感器可以产生方位角脉冲信号。转盘控制主要负责转盘驱动和运动轨 迹精确控制，并能提供正向、反响旋转控制及参数校正控制。 ( 5 ) 数据处理主机：电脑主机是整个三维扫描系统的神经中枢，它通过接口、总线 以及专用板卡把系统其它部分联系起来，成为一个有机的整体。它通过运动控制卡控制 机械转台的起停、转速，通过图像采集卡从摄像机采集图像，并对采集图像的几何运算、 滤波，边缘提取、轮廓跟踪、细化等进行处理。系统中主机的主要任务是接收数据采集 器送来的物体外型轮廓线的原始数据和方位角数据，计算出轮廓线的三维坐标，按用户 数控加工的要求输出精确的物体外形三维数据文件和三维数控加工文件。 由于系统的工作数据量大，计算量大，对计算机要求很高，我们选用高配置 高性能的主机。 2 2 点式激光三角法原理 点激光三角法一般有直射式和斜射式两种结构【3 , 4 1 。直射式三角法测量原理如图2 1 ( a ) 所示。激光传感器发出的光线经会聚透镜聚焦后垂直投射到被测物体表面上，接收透镜 接收来自入射点处的散射光，并将其成像在光电探测器的敏感面上，当物体表面变化或 发生移动时，将导致入射光点沿入射光轴移动，从而导致其像点在光电探测器的光敏面 上移动。假若光点在像平面上的位移为x ， a x 1 ，= 一 7 bs i n0 一x c o s0 则有几何关系可得被测面的位移： ( 2 1 ) 其中，口为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离，b 为接收 透镜后主面到成像面中心点的距离，0 为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。 斜射式三角测量原理图如图2 1 ( b ) ，激光束发出的光和被测面的法线呈一定角度入 射到被测面上，同样用一接收透镜接收光电在被测面的反射光或散射光，假若光点在探 测器敏感面上移动为x7 ，则物体表面沿法线方向的移动距离为： 少= 职c o s0 ( 2 2 ) bs i n ( 0 。+ 0 ：) 一x c o s ( 0 ，+ 0 ：) 其中p 为激光束光轴和被测面法线的夹角，0 ，为成像透镜光轴和被测面法线的夹 角。 两种方法比较： ( 1 ) 斜射式传感器的分辨率高于直射式，但测量范围较小。 ( 2 ) 直射式由于其接收散射光的特点，适合与测量散射性能好的表面。 斜射式可接收来自被测物体的正反射光，当被测物体为镜面时，不会由于散射光太 弱而导致光电探测器输出信号太小，从而使测量无法进行。 直射式测量方法有比较大的测量范围，同时可以方便三维传感器采用的双目视觉和 扫描系统的设计，并且使得后期得到的三维数据能够恰当的分层结构，方便后续数据的 6 因此 ( a ) 直射式三角法测量原理( b ) 斜射式三角法测量原理 ( a ) d i r e c t - s t y l et r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e 一 ( b ) o b l i q u e - t y p et r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e mp r i n c i p l e “ 。 图2 - 2 点式激光三角法原理 f i g 2 2p o i n tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fl a s e rt r i a n g u l a t i o n；。旗 2 3 线激光扫描测量原理 线激光传感器投射出的光平面与物体相交成一光条，利用摄像机摄取灰度光条图像， 由于没有被照亮区域的亮度明显低于光条的亮度，周边像素的灰度值也明显低手图像中 光条区域的像素灰度值，因此可以利用灰度分割的方法提取光条区域的像素坐标。根据 建立的世界坐标系和像素坐标系之问的映射关系，光条上点的世界坐标骨以利用其成像 的像素坐标计算出来。由于一次测量只能测量一条光条上点的坐标，因此；需要利用一 定的位移装置使激光传感器和被测物体产生相对位移，从而形成相对于物体表面的扫描 运动，完成对整个被测物体表面的测量。 _ 本系统扫描仪使用高3 0 c m ，宽度l m m ，长度2 0 0 c m 左右的激光面( 又称激光刀) 取 代点激光测距中的点激光。激光面和物体交会可生成一条测线。这条测线相当于5 0 0 1 0 2 4 个激光点，因而从理论上说可以提高采样速度5 0 0 1 0 2 4 倍。 工作时先确定扫描速度，根据零件大小确定扫描的轮廓等参数，然后在计算 机控制下按一定的路径扫描，由摄像头获取的图片在计算机中经过细化、离散等 处理得到空间的三维坐标点，最后对这些数据点云过滤、拟合生成三维图形。传 感器前方固定了一个电控平移台，其中移动台平移运动使传感器相对物体进行平 移扫描测量。通过调整传感器的位置，保证投射光平面垂直于电控平移台的移动 7 陕西科技大学硕士学位论文 方向。在电控平移台上固定一个电控旋转台，扫描时，将被测物体放在电控旋转 台上，计算机通过串口发送信号至控制箱，从而控制电控平移台和电控旋转台按 照一定的运动流程移动或转动，形成光平面相对于物体的扫描运动，从而达到测 量物体表面三维轮廓的目的。旋转台固定在移动台之上使传感器相对于物体进行 旋转扫描测量。在垂直方向上，传感器固定在一个可以上下垂直移动的升降导轨 上，使物体上下移动。最后，计算机接收数据采集器送来的物体外型轮廓线的原始 数据和方位角数据，计算出物体轮廓线的三维坐标，按用户数控加工的要求输出精确的 物体外形三维数据文件和三维数控加工文件。本系统的结构简图如图2 - 3 所示。 图2 - 3 快速三维激光扫描系统结构图 f i 醇一3s t r u c t u r ed i a g r a mo ff a s tt h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gs y s t e m 2 4 双目立体视觉 由于单个摄像机的感知区域相对有限，因此获得的视觉信息往往比较片面。 另外，单个摄像机测量系统只适用于检测精度要求不很高的大物体和测量较小物 体，因此为了解决单个摄像机所面临的诸多问题，本文采用双目立体视觉测量系 统。 双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支哺，即由不同位置的两台摄像机 从不同位置或角度经过移动或旋转拍摄同一景物，通过计算空间点在两幅图像中 的成像视差，以此获得该点的三维坐标值。在以往传统的单摄像机单光源结构光 8 三维激光扫描技术的研究 系统中，存在较严重的盲区问题。盲区形成的原因主要是遮挡、视野限制、景深 限制、结构光限制，物体表面的形状：物体与结构光系统的相对位置等。在系统 中增加一个摄像机，可以通过调整两光轴之间的夹角，使两摄像机同时汇聚于目 标上，消除盲区，进而进行有效测量。采用双摄像机具体优点如下肺1 ： ( 1 ) 有利于测量精度的提高 当两个摄像机采集了同等效果的光斑图像条文时，将激光条文中心线所对应的实际 被测点深度数据求平均值，得到最终的测量数据，实际上相当于对同一被测点同时进行 了两次测量，并将测量结果进行了平均，从而提高了测量精度。 ( 2 ) 有利于因断线丢失数据的补偿 出现光斑断线现象的原因，主要是由于摄像机面感光灵敏度和光斑受周围外界噪声 干扰和光干扰以及物体表面的反射率等因素的影响，当我们在提取光斑中心时会由于光 斑上某些点光强太弱而丢失了这些点的数据，通过两个摄像机的光斑中心位置对所丢失 的这些点的数据进行补偿，极大地减小了断线的可能性，使因断线而丢失的数据量尽量 减少到最小。 ： ( 3 ) 有利于测量盲区范围的减小 如果使用单摄像机，物体表面较为突出的部分有可能造成扫描盲区，则物体表面遮 挡部分有可能造成信息丢失。双摄像机结构可以有效的消除或减少盲区，如图2 4 所示：。 p 点相对于右摄像机为测量盲区，而左摄像机则可以有效的获得p 点信息，用左摄像机 测量的数据补偿，就会消除右摄像机测量丢失的数据。 嚣 _ - _ - 三 图2 4 双摄像机消除盲区示意图 f i g2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fd u a l - c a m e r at oe l i m i n a t eb l i n ds p o t s 系统采用参数完全相同的两台摄像机( 4 0 0 线以上) 、设置在激光发生器的对称两侧， 两个摄像机的光轴倾角保持一致来构造双目视觉摄像系统，用来同步拍摄物体的各条轮 9 陕西科技大学硕士学位论文 廓线。因此，每个摄像机的参数，以及两个摄像机之间的相对位置关系对双目视觉系统 的数据测量都有很大的影响嘀1 。本文采用特殊的旋转扫描模式，被扫描物体固定不变， 激光发生器和双摄像机固定在旋转支架上并保持相同的角度和距离，由电机驱动旋转支 架旋转，使得激光发生器和摄像机围绕物体进行扫描。图2 5 和图2 - 6 显示了双摄像机 模型的成像示意。 线状激光源 2 - 5 双摄像机测距示意图 f i g2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd u a l - c a m e r ar a n g i n g 左摄像机成像 右摄像机成像 图2 - 6p 点在左右相机成像示意图 f i g2 - 6i m a g i n g d i a g r a mo ft h el e f ta n dr i g h tc a m e r aa tpp o i n t 2 5 扫描测量软件设计 本文采用平移扫描方式对目标物体进行扫描，扫描起点位置p o ，扫描终点位置p 。， 扫描移动距离d ，电机按照设定的间隔从起点位置开始到终点位置进行步进移动，每步 进一次后采集一幅光条图像，整个扫描过程中共拍摄光条图像n - ( p 。一p 0 ) d 幅，利用提取 1 0 三维激光扫描技术的研究 的光条点的像素坐标( 1 1 1 ( i ，) 代入数学模型可以反求出对应的世界坐标( u k i ，v i d ，o ) ， 对其按照平移位置进行坐标反变换。在第后个位置时，光条上点在世界坐标系下的坐标 为( u k i ，v l d ，z k ) 其中z k = - ( p o + k xd ) 。 扫描的起点位置p o 和扫描的终点位置p 。，主要用于控制物体表面的横向被测范围， 扫描间隔d 决定测量的数据量。同样的扫描范围下，如果间隔较大，则点云数据量较小， 曲面重构精度较低，反之若间隔d 设定较小，点云数据量较大，曲面重构精度较高。 软件采用多线程技术分别控制坐标计算以及电机连动，图2 7 为软件控制操作界面。 规定移动台在最左端，旋转台角度位置为0 度，升降台在最低位置时，为整个位移系统 的归零位置。定义当位移系统处于归零位置时，物体表面点在世界坐标系中的位置，作 为被测表面点的测量值。 图2 7 三维激光扫描系统主界面 f i g2 7t h em a i ni n t e r f a c eo f t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gs y s t e m 系统软件操作非常简单，用户只需将待测物体置于转台上，针对被测对象的表面反 光度调整激光亮度，根据被测对象型面信息规划系统扫描路径，剩余的工作全部由三维 面激光扫描系统自动完成。系统主界面如图2 7 所示，主界面由菜单栏、图像显示区、 系统控制区三部分组成。菜单栏由图像捕捉、清除上次摄像、数据处理、系统设置、3 d m a x 成像、帮助、退出七部分组成。工具栏包含对扫描数据进行操作的所有工具。图像显示 区主要功能是显示扫描数据。系统参数设置区包含所有系统参数及激光光源参数设置。 在该系统中把图像处理部分独立成一个模块，成为一个公用的库，这样使得代码的 复用性更好。点击系统主界面工具栏中的；。敦据处理，毛，则弹出图像处理模块界面，如 图2 8 所示，点击左机图像和右机图像，图像显示区出现清晰的左机激光条文和右机激 j陕西科技大学硕士学位论文 光条文。 左拯圈基i ：盈泣i i 囵左丑搔照l 壶扭摄藏i 譬整搔蓝l 耋热生蔓l 查拯生曼i 堡壶薹红塞羲i 馕正意堑蠢i二， 盏蓄竺粤毫幽蔷掣坠羔监芦i 目豳广一r = 剿2 。虹一目蠲r 盘上。盘2 - 广一童 i ， 。 1 ；磊驴 苫 ； j ；麓：；2 嚣 三l ， 。 l 阿浮r 羯7 。；面蕊矿一j | 孵萍f | 2 3 啪r 7 2 6 7 g 7 2 2 前b 7 ； 7 ，瓯莉茹_ 鼍 ，：r ? _ r 专鳓呼：i _ 二 厂一_ 脚絮：_ ：。莲 ! 一群，j 广一j ，7 缸广出二二。一薯l 参：一ir - - 。二：1 静 。广一，：7 j疆 缸，0 幺教疆貔莸籀缓：爱：。于i 蔹么i 再i 荔i 纽筮丝凌丝缢i 蠡：黪= = = = = 菇墓；餐 图2 - 8 图像处理模块界面 f i g2 - 8m o d u l ei n t e r f a c eo fi m a g ep r o c e s s i n g 2 6 光条图像处理 线激光扫描测量的实质是提取光条的像素坐标代入测量模型进行计算，因此光条像 素坐标( u ，v ) 的提取精度，直接影响三维测量的精度。 常见的光条图像提取方法有两种，一种较简单的方法为最大灰度分布法，沿垂直光 条分布的像素排列方向，逐行提取灰度值最大的像素，得到的像素集合即为提取的光条 中心像素。这种方法处理简单，但是具有一定的局限性，若图像背景中存在一些灰度值 很大的杂乱点，则有可能被误认为是光条中心像素，而正确的光条像素点却被忽略。 另一种常用的方式是使用阈值分割的办法将图像进行二值化。光条成像的像素灰度 高于背景区域的灰度值，二值化后可明显区分开来，然后再对光条图像进行细化提取像 素坐标，这种方法的难点在于选择阈值，尤其对于背景比较杂乱，或光条灰度分布比较 复杂的图像。若阈值偏高，容易损失光条数据，若偏低，则二值化后的图像会引入更大 的误差。 图像二值化是图像处理领域中最基础也是最关键的一个问题，是指将多灰度级图像 分成对象物和背景两个领域，即变换为黑白两个灰度级的二值图像。 二值化过程：设原始图像为珩，j ) ，以一定准则在f o ，j ) 中找出一个灰度值t 作为阈 值( t h r e s h o l d ) ，将图像分割为两部分，分割后的二值图像g ( i ，j ) 为： ，、i1 ，厂( i ，) f ( 2 3 ) 烈b j 卜10 ，f ( f ，) t ， ( 3 5 ) 如果n 值小于给定阈值n ，则说明这1 1 个连续像素是噪声点，若是n 值大于阈值n ， 则有可能是目标信号产生。根据比较结果决定点( x ，y ) 的最后灰度g ( x ，y ) 。其表达式为 ( 3 6 ) ： lg ( x ，y ) ，l f ( x ，y ) 一g ( x ，y ) i r ( 3 6 ) g 。( x ，y = j i 厂( x ，y ) ，f 厂( x ，y ) 一g ( x ，y ) i ，滤波窗1 2 1 长度取5 ，重新排序后为 o ，0 ，1 ， 3 ，5 ，则m e d 0 ，l ，3 ，0 ，5 ：l 。 2 ) 二维中值滤波原理： 其主要原理是：首先确定一个以某个像素为中心点的领域，一般为方形领域；然后将 领域中的各个像素的灰度值进行排序，取其中间值作为中心点像素灰度的新值，这里的 领域通常被称为窗口；当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法可以很 好地对图像进行平滑处理。 具体步骤如下： ( 1 ) 将模板在图像中漫游，并将模板中心与图像中心某个像素的位置重合； ( 2 ) 读取模板上各像素的灰度值； ( 3 ) 将这些灰度值从小到大排列成一列： ( 4 ) 找出排在中间的一个值；i ( 5 ) 将这个中间值赋给对应模板中心位置的像素。 中值滤波的输出像素是由领域图像的中间值决定的，因而中值滤波对极限像素值f 与 周围像素灰度值差别较大的像素) 远不如平均值那么敏感，从而可以消除孤立的噪声点， 又可以使图像产生较少的模糊。 3 ) 实验结果及分析： 在m a t l a b 中进行仿真实验，用i m n o f s e 函数加入不同密度的脉冲噪声。采用中值 滤波算法对5 1 2 5 1 2 的l e n a ( 代表比较平滑的图像) 含噪图像进行了仿真研究，并与3 3 、5 5 的标准中值滤波算法进行了比较。 表l 为用中值滤波算法对含不同密度脉冲噪声的l e n a 图像进行去噪后的均方误差 ( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) 。 1 8 0 3 o 4 o 5 5 5 7 7 1 1 0 6 6 7 8 7 3 8 3 。3 9 3 3 5 4 9 2 9 1 6 8 4 4 9 9 2 5 7 4 5 3 2 2 4 0 2 2 5 4 7 8 7 0 9 2 4 1 9 1 8 0 3 1 9 2 3 9 1 5 2 8 9 0 7 2 2 3 5 4 2 9 4 3 1 6 1 0 2 3 0 4 2 2 9