【《基于三角法的三维扫描系统设计案例》3600字】

第第页基于三角法的三维扫描系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20845基于三角法的三维扫描系统设计案例 175721.1激光三角法的基本原理 1315251.1.1斜入射式激光三角法 273771.1.2垂直入射式激光三角法 2182701.1.3垂直入射式与斜入射式方法对比 374151.2扫描系统结构设计 4206381.1.1硬件组成 4152981.1.2软件组成 6本文的激光三维成像系统主要是依据激光三角法原理，这是一种光学主动式成像方法，与传统的被动式光学成像方法相比，该方法可灵活应对形态各异范围较广的被测物体，且该方法测量精确度高、测量速度快，被广泛应用在多种场合。本系统主要是由光源模块、图像采集模块、图像处理模块、平台运动模块组成。光源模块利用线激光器发射激光线条照射目标物体，图像采集模块和图像处理模块利用相机对目标物体上的激光条纹进行数据采集并进行图像处理，平台运动模块利用滑台导轨让被测物体按照一定的速度和方向运动，使激光线条完全扫描到被测物体的各个部分。系统运行后，相机开始采集被测物体表面因光条照射而出现起伏的条纹图像，分析读取的光条纹数据信息，经过去噪[41,42]和后期点云处理等操作完成目标物体的三维重建[43-45]。1.1激光三角法的基本原理激光三角法测量是利用三角数学原理和线激光构成的，线激光照射在被测物体上，相机采集被测物体上的光条纹，确定物体上各点的三维坐标信息。具体原理为：将相机与线激光发射器呈一固定的夹角，激光发射器发射线激光照射被测物体，相机读取照射物体后反射的光斑信号，由于物体上各点与相机像点[46]具有一一对应关系，当目标物体以一定速度进行平移时，各点对应位置随之而动，形成新的位置关系。结合物体各点的位置信息和各点的成像位置信息，根据几何关系可以求得物体的深度信息，对被测物体进行连续采样得到完整的图像数据，经数据处理后可完成目标物体的三维重建。根据激光平面和相机摆放位置夹角的大小，激光三角法通常分为斜入射式和垂直入射式两种方法，下面对这两种方法进行介绍。1.1.1斜入射式激光三角法入射光线与目标物体表面的法线呈一定角度入射，则该方法称为斜入射式激光三角法，如图1.1为斜入射式激光三角法测量原理图。设参考平面为平面，将被测物体放置在参考平面上，激光器入射光线在照射到物体表面后反射为光线，的延长线与参考平面的夹角为，其反射光线与相交于点，其中点为相机镜头位置，透过镜头将采集的信息传到感光元件上，根据采集到的像元位置差异得到物体的深度信息。为相机感光平面，与的夹角为。现作的辅助线，使两点相连接，作的辅助线，使两点相连接，现作的辅助线，使两点相连接，为镜头到感光平面的距离，图1.1斜入射激光三角法测量原理图现可根据三角形相似原理得到如下方程：（1.1）由公式（1.1）推导可得：（1.2）其中，即为被测物体的高度信息，为点与点在成像上的位置偏差，相机接收的是照射在目标物体上的反射光，若目标物体足够粗糙，形成的反射光影响读取数据信息的准确性，目标物体的三维信息获取会有较大偏差。1.1.2垂直入射式激光三角法入射光线以垂直于参考平面的方向照射被测物体，该方法称为垂直入射式激光三角法，如图1.2为垂直入射式激光三角法测量原理图。图1.2垂直入射式激光三角法测量原理图设为参考平面，将被测物体放置在参考平面上，为激光器照射在被测物体表面后产生的反射光线，为激光器垂直照射在参考平面产生的反射光线，为被测物体的高度。与相交于点，点为相机镜头位置，透过相机镜头将采集的信息传输到感光元件上，根据采集到的像元位置差异得到物体的深度信息，此时作辅助线和，定义和夹角为，和夹角为，为参考平面到镜头之间的距离，为镜头到感光平面的距离，现根据三角形相似原理得到如下方程。 （1.3）公式（1.3）推导可得： （1.4）其中，为被测物体的高度，为被测物体成像在感光元件上的位置偏差。1.1.3垂直入射式与斜入射式方法对比斜入射式激光三角法是入射激光与参考平面的法线产生夹角，反射光被相机捕获，此时需要被测物体表面光滑，对物体表面粗糙度要求较高。当入射光线与参考平面的夹角较大时，如果物体表面出现沟壑等其它复杂的表面情况，入射光照射在被测物体上，采集反射光信息时会产生遗漏等问题，影响数据准确性。使用垂直入射式激光三角法在照射被测物体时，光条以垂直角度照射目标物体，光条的散射和漫反射光被相机采集。相机对物体表面粗糙程度要求较低，且入射激光线和相机的中心轴线产生的夹角可任意选择，搭建起来较为方便。通过对上述两种方法的介绍可知，物体表面粗糙度对两种激光三角法获取信息影响不同，对目标物体粗糙度要求较高的是斜入射式激光三角法，粗糙度要求较低的是垂直入射式激光三角法。本系统需要的是能对多数物体进行三维成像测量，综上所述，本文选择垂直入射式激光三角法作为系统扫描方法。图1.3为扫描系统结构示意图。图1.3扫描系统结构示意图1.2扫描系统结构设计本文的三维扫描系统采用垂直入射式激光三角法原理，由激光发射器、工业相机、运动平台和计算机等模块组成，将各个模块封装成一个整体对目标物体进行测量，采集所需要的数据信息并进行处理和计算，对数据点进行三维重建[47,48]，得到期望的三维模型。1.1.1硬件组成（1）信号采集模块本文使用的图像采集设备是型号为XW200的工业相机，如图1.4所示，采用高速USB1.0标准接口输出，传输速率可达480Mb/s，工业相机与计算机端口连接后可实时显示图像。相机自带的硬件及软件模块支持曝光、亮度、色差、对比度、饱和度等一系列图像处理功能，内部彩色图像传感器，无压缩、无插补，保持图像的高分辨率，支持静态图像捕捉拍照和保持，动态AVI图像捕捉录制，一定程度上确保了采集图像的质量。相机可实现WindowsXP,Win7,Win8,Win10,Linux多平台连接，全面支持DirectShow等第三方视频接口，同时兼容HALCON，Opencv，LabView，Matlab等机器视觉软件，支持SDK开发包，满足了二次开发及各方面的需求。(a)相机正视图(b)相机俯视图图1.4工业相机工业相机使用配套镜头型号是F2812，如图1.5(a)所示，采用可变焦模式，焦距范围在1.8-12mm之间，满足不同场合下对图像的需求，工作温度在零下20摄氏度到零上80摄氏度之间，可在复杂多变的环境下照常工作，减少外部环境的影响。相机与镜头组合样式如图1.5(b)所示。（2）线激光器本系统采用型号为SYD1230的一字线型激光器，使用大小为5mw的输出功率可发射出650nm的红色线激光。发射出的激光线条为可调节线条，根据不同的高度调节线条的粗细，线宽越细，后期相机读取数据时误差更小，得到的数据更加准确。因而本测量系统经过多方面比对，结合系统安装要求已调节到最合适的线宽。线激光器如图1.6所示。(a)工业镜头(b)相机与镜头图1.5相机及镜头图1.6线激光器（3）运动平台本文采用的运动平台是单线导轨滑台模组，如图1.7所示，导轨长度为300mm，精密度高达0.08mm，水平运行速度最快达到75mm/s，本产品采用铝型材料，加厚型外壳可保证能承载更大重量物体，水平最大负载为25KG，加装升级版特质支架，使运行模组不晃动，更稳定。定制款步进电机，转速稳定，利于散热，运行过程更加流畅。图1.7单线导轨滑台模组1.1.2软件组成（1）软件平台本文采用德国MVtec公司的HALCON机器视觉软件作为本系统的开发平台。HALCON拥有目前机器视觉学习中非常完善的算法包，算法包中含有上千个独立函数，可对若干数据核心进行管理，其中包括数据读取、数据分析、图像转换、图像滤波、图像对比、校正等一系列解决方案的功能代码。这些解决方案是独立的个体，在使用时更加方便，可根据图像的需要随时调用，灵活的架构让其快速发展。在医学、机器视觉学习、工业设计、图像分析等方面有很广泛的应用，在欧洲等地区已经公认为最方便的机器视觉软件。HALCON自带可视化界面HDevelop，方便查看程序运行进程，可以较为快捷的对代码等操作变量进行修改。HALCON支持Windows,Linux和MacOS操作系统，在调用函数库时可选择C,C++,Visualbasic等多种编程语言，极大方便了各种用户的需求。HDevelop可以同时和上百个程序进行链接，根据所需要的功能调用函数。HALCON兼容多数的相机模块，不需要特别的可视化组件，可使用开发环境下的程序语言为大多数相机设备提供接口。可视化页面如图1.8所示。图1.8HALON可视化界面为应对迅速发展的机器视觉行业，HALCON版本不断进行更新，HALCON展示了强大的三维视觉处理能力，例如采用三维模型对比，从目标物体上读取三维形态数据与已知模型数据进行对比，观察所测物体模型是否与预期模型相匹配。HALCON支持多特征目标计算，如读取目标物体的体积形状运算，点云数据计算，点云分割等系列处理。除此之外，HALCON将越来越多的函数算子放在GPU上进行运算，这样在相机获取目标图像深度信息运算时，速度有明显的提升。（2）采集图像当HALCON软件接入外部设备后，首先需要做的就是图像采集，一般情况下有两种采集图像方式，一种是通过编写程序连续读取采集到的图像，此方法运行速度快，可以降低采集图像的时间，效率更高，但读取图像过程中出现的对比度低、光照不均匀等问题图像不能及时筛选