本實(shí)用新型涉及三維重構(gòu)裝置，尤其涉及一種雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置。

背景技術(shù)：

線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)傳感器具有的一些特點(diǎn)，如測(cè)量精度高、非接觸、大量程和快速等，使得該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域、三維重建和逆向工程等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

目前已有的一些線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法，由于立體標(biāo)定靶的制造精度并不容易保證，這些方法在實(shí)際使用中得到的標(biāo)定結(jié)果會(huì)很大程度上受到影響。目前應(yīng)用得較多的基于平面標(biāo)定靶的線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法中，周富強(qiáng)等人提出的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法就是其中的優(yōu)秀代表，該方法運(yùn)用交比不變性求取出線結(jié)構(gòu)光與平面標(biāo)定板的交點(diǎn)坐標(biāo)，再利用平面標(biāo)定板上的角點(diǎn)計(jì)算出標(biāo)定板所定義的坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的剛體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后把線結(jié)構(gòu)光與標(biāo)定板的交點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到攝像機(jī)坐標(biāo)系，如此重復(fù)多次而得到若干個(gè)光平面上的點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，于是便可以求取出光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間平面參數(shù)。

在通過(guò)激光掃描目標(biāo)物體的過(guò)程中，大多數(shù)裝置是固定住激光，讓目標(biāo)物體勻速朝著某一方向運(yùn)動(dòng)以完成整個(gè)掃描過(guò)程，這樣的裝置就需要一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)放置物體，增加了整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、靈活輕巧、操作簡(jiǎn)便的雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置?？朔爽F(xiàn)有三維重構(gòu)裝置掃描覆蓋范圍有限的缺點(diǎn)。本裝置具有簡(jiǎn)單直接，實(shí)際中易于安裝使用，且精度較高，能夠滿(mǎn)足不同視場(chǎng)的線結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定和獲取完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的需求。

本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置，包括用于放置被測(cè)物體2的基座11、設(shè)置在基座11一側(cè)的支撐桿1、兩個(gè)齒輪減速裝置7、用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)齒輪減速裝置7轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)組步進(jìn)電機(jī)6、左線結(jié)構(gòu)光投射器4、右線結(jié)構(gòu)光投射器 5、攝像機(jī)3；

所述支撐桿1軸向套設(shè)有兩個(gè)滑套，分為第一滑塊8和第二滑塊81；

所述兩個(gè)齒輪減速裝置7分別安裝在橫桿10的兩端，所述橫桿10的中部固定在第一滑塊8上；所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5分別安裝在這兩個(gè)齒輪減速裝置7的齒輪上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)6帶動(dòng)齒輪減速裝置7 旋轉(zhuǎn)時(shí)，左線結(jié)構(gòu)光投射器4和/或右線結(jié)構(gòu)光投射器5跟隨其360°旋轉(zhuǎn)，以對(duì)被測(cè)物體2進(jìn)行掃描；

所述攝像機(jī)3通過(guò)一夾臂9安裝在第二滑塊81上。

所述第一滑塊8和第二滑塊81在支撐桿1上的移動(dòng)位置，可獨(dú)立調(diào)節(jié)。

所述齒輪減速裝置7包括小齒輪12和與其嚙合的大齒輪13；所述小齒輪 12安裝在步進(jìn)電機(jī)6的轉(zhuǎn)軸上，大齒輪13通過(guò)軸承安裝在橫桿10上；

所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5分別安裝在各自的大齒輪13上。

所述小齒輪12與大齒輪13的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為1:2或者1:3。

所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5的軸線與大齒輪13的軸線垂直。

所述夾臂9為一矩形夾持部，夾持部的一側(cè)或者兩側(cè)分別安裝有緊固螺栓，當(dāng)攝像機(jī)3置于矩形夾持部?jī)?nèi)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)緊固螺栓使攝像機(jī)3固定在其內(nèi)。

所述第一滑塊8和第二滑塊81上設(shè)有調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)第一滑塊8和第二滑塊81在支撐桿1上的相對(duì)位置。

一種雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)方法，其包括如下步驟：

步驟(1)：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；

步驟(2)：將棋盤(pán)格標(biāo)定板放置于攝像機(jī)視野內(nèi)的合適位置，并且使左線結(jié)構(gòu)光投射器的結(jié)構(gòu)光投射于棋盤(pán)格上，攝像機(jī)采集圖像，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行畸變矯正，并在所獲取的圖像中提取結(jié)構(gòu)光亮斑的中心；

步驟(3)：獲取左線結(jié)構(gòu)光光平面上一些不共線的直線段的長(zhǎng)度，以及其端點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的亞像素坐標(biāo)，使用空間直線段成像幾何關(guān)系求取出這些直線段各個(gè)端點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

步驟(4)：根據(jù)所獲取的光平面上的一些不共線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法求取出光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間平面方程參數(shù)；

步驟(5)：重復(fù)步驟2至步驟4以獲取右線結(jié)構(gòu)光的空間平面方程參數(shù)；

步驟(6)：通過(guò)步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)及步進(jìn)電機(jī)與左線結(jié)構(gòu)光投射器之間的減速裝置的減速比，計(jì)算出結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而求得空間中兩個(gè)平面的夾角，再根據(jù)所得的空間平面方程，可得旋轉(zhuǎn)后的空間平面方程，即當(dāng)前的空間平面方程；

步驟(7)：獲取左線結(jié)構(gòu)光在物體上投射的亮斑的圖像坐標(biāo)，再根據(jù)當(dāng)前的線結(jié)構(gòu)光平面方程可計(jì)算出亮斑的三維相機(jī)坐標(biāo)；

步驟(8)：重復(fù)步驟6、步驟7以獲取右線結(jié)構(gòu)光投射的亮斑的三維相機(jī)坐標(biāo)；

步驟(9)：將左右線結(jié)構(gòu)光所獲得的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系得到最后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成三維重建。

上述步驟(3)的具體方法如下：

a.由于棋盤(pán)格的所有邊是由相互垂直的兩組平行線構(gòu)成的，這兩組平行線中的任一組均平分線結(jié)構(gòu)光與標(biāo)定板的交線為若干等份；通過(guò)圖像處理分析獲取若干段等長(zhǎng)的直線段的長(zhǎng)度及其各端點(diǎn)在圖像上的亞像素坐標(biāo)，這些直線段都共線且位于光平面上，標(biāo)定板換一個(gè)放置位置，即可得到另一組等長(zhǎng)且位于光平面上的直線段及其端點(diǎn)的像在圖像上的亞像素坐標(biāo)；

b.根據(jù)空間直線段的投影關(guān)系，即共線三點(diǎn)透視關(guān)系，首先計(jì)算出這些直線段各端點(diǎn)與攝像機(jī)光線的距離，然后即可得到這些端點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。如圖1所示，記B、C和D點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為 (x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)和(x_D，y_D，z_D)，可得如下關(guān)系式：

上述步驟(6)的具體方法如下：

a.根據(jù)旋轉(zhuǎn)激光的旋轉(zhuǎn)范圍，分別得到線結(jié)構(gòu)光的兩個(gè)邊界空間平面方程，由這兩個(gè)平面方程可得旋轉(zhuǎn)激光旋轉(zhuǎn)軸的平面束方程，即兩個(gè)邊界平面方程分別為A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0和A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0，則過(guò)這兩個(gè)平面交線 (即旋轉(zhuǎn)軸所在直線)的所有平面方程，即平面束方程為：

A₁x+B₁y+C₁z+D₁+λ(A₂x+B₂y+C₂z+D₂)＝0

即(A₁+λA₂)x+(B₁+λB₂)y+(C₁+λC₂)z+(D₁+λD₂)＝0

b.根據(jù)當(dāng)前平面，即參數(shù)為A₃＝A₁+λA₂，B₃＝B₁+λB₂，C₃＝C₁+λC₂，D₃＝D₁+λD₂與邊界平面，即參數(shù)為A₁、B₁、C₁、D₁的夾角Θ，由

可求得λ，進(jìn)而可求得當(dāng)前平面方程參數(shù)A₃、B₃、C₃、D₃。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本實(shí)用新型具有兩個(gè)齒輪減速裝置、用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)齒輪減速裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)組步進(jìn)電機(jī)、左線結(jié)構(gòu)光投射器、右線結(jié)構(gòu)光投射器、攝像機(jī)；支撐桿軸向套設(shè)有兩個(gè)滑套，分為第一滑塊和第二滑塊；兩個(gè)齒輪減速裝置分別安裝在橫桿的兩端，所述橫桿的中部固定在第一滑塊上；攝像機(jī)通過(guò)一夾臂安裝在第二滑塊上。左線結(jié)構(gòu)光投射器和右線結(jié)構(gòu)光投射器分別安裝在這兩個(gè)齒輪減速裝置的齒輪上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，左線結(jié)構(gòu)光投射器和/或右線結(jié)構(gòu)光投射器跟隨其360°旋轉(zhuǎn)，以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，使掃描的覆蓋范圍更為全面，提高了點(diǎn)云的完整性。

本實(shí)用新型所述裝置通過(guò)將兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光投射器分別安裝在齒輪減速裝置上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域常見(jiàn)的棋盤(pán)格標(biāo)定板，獲取光平面上的直線段的長(zhǎng)度及其端點(diǎn)的像在圖片中的亞像素坐標(biāo)，更加精確地完成線結(jié)構(gòu)光平面的標(biāo)定工作，以及雙旋轉(zhuǎn)激光的掃描方法使得本視覺(jué)系統(tǒng)安裝更加輕便靈活，得到的物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)輪廓更加完整。

本實(shí)用新型攝像機(jī)及線結(jié)構(gòu)光投射器，通過(guò)第一滑塊和第二滑塊可隨意調(diào)節(jié)上下距離。本實(shí)用新型兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光投射器可分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)及步進(jìn)電機(jī)與左線結(jié)構(gòu)光投射器之間的減速裝置的減速比，為技術(shù)人員精確計(jì)算出結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)角度提供了客觀基礎(chǔ)。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧安裝靈活，具有簡(jiǎn)單直接，實(shí)際中易于安裝使用，且精度較高等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了不同視場(chǎng)的線結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定和獲取完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的需求。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型空間直線段的成像關(guān)系示意圖；圖中A為CDD像平面。

圖2為本實(shí)用新型雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例

如圖1至3所示。本實(shí)用新型公開(kāi)了一種雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)裝置，包括用于放置被測(cè)物體2的基座11、設(shè)置在基座11一側(cè)的支撐桿1、兩個(gè)齒輪減速裝置7、用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)齒輪減速裝置7轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)組步進(jìn)電機(jī)6、左線結(jié)構(gòu)光投射器4、右線結(jié)構(gòu)光投射器5、攝像機(jī)3；

所述支撐桿1軸向套設(shè)有兩個(gè)滑套，分為第一滑塊8和第二滑塊81；

所述兩個(gè)齒輪減速裝置7分別安裝在橫桿10的兩端，所述橫桿10的中部固定在第一滑塊8上；所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5分別安裝在這兩個(gè)齒輪減速裝置7的齒輪上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)6帶動(dòng)齒輪減速裝置7 旋轉(zhuǎn)時(shí)，左線結(jié)構(gòu)光投射器4和/或右線結(jié)構(gòu)光投射器5跟隨其360°旋轉(zhuǎn)，以對(duì)被測(cè)物體2進(jìn)行掃描；

所述攝像機(jī)3通過(guò)一夾臂9安裝在第二滑塊81上。

所述第一滑塊8和第二滑塊81在支撐桿1上的移動(dòng)位置，可獨(dú)立調(diào)節(jié)。

所述齒輪減速裝置7包括小齒輪12和與其嚙合的大齒輪13；所述小齒輪 12安裝在步進(jìn)電機(jī)6的轉(zhuǎn)軸上，大齒輪13通過(guò)軸承安裝在橫桿10上；

所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5分別安裝在各自的大齒輪13上。

所述小齒輪12與大齒輪13的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為1:2或者1:3。

所述左線結(jié)構(gòu)光投射器4和右線結(jié)構(gòu)光投射器5的軸線與大齒輪13的軸線垂直。

所述夾臂9為一矩形夾持部，夾持部的一側(cè)或者兩側(cè)分別安裝有緊固螺栓，當(dāng)攝像機(jī)3置于矩形夾持部?jī)?nèi)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)緊固螺栓使攝像機(jī)3固定在其內(nèi)。

所述第一滑塊8和第二滑塊81上設(shè)有調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)第一滑塊8和第二滑塊81在支撐桿1上的相對(duì)位置。

本實(shí)用新型雙旋轉(zhuǎn)激光的三維重構(gòu)方法，可通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟(1)：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，將棋盤(pán)格標(biāo)定板放置于攝像機(jī)視野內(nèi)的合適位置，并且使左線結(jié)構(gòu)光投射器的結(jié)構(gòu)光投射于棋盤(pán)格上，攝像機(jī)采集圖像，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行畸變矯正，并在所獲取的圖像中提取結(jié)構(gòu)光亮斑的中心。即求解攝像機(jī)(相機(jī))的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)，具體求解方法使用張正友標(biāo)定法；將棋盤(pán)格平面標(biāo)定靶在線結(jié)構(gòu)光前擺放兩次或者兩次以上，使得線結(jié)構(gòu)光光平面與棋盤(pán)格標(biāo)定板平面所形成的交線位于攝像機(jī)視野范圍內(nèi)，并分別采集圖像，進(jìn)行畸變矯正，然后提取亮斑圖像的中心亞像素坐標(biāo)。此時(shí)的亮斑在圖像坐標(biāo)系上可以認(rèn)為是一條直線，可以求取出此直線的參數(shù)。

將棋盤(pán)格標(biāo)定板在圖像上的各邊求取出來(lái)，因?yàn)檫@些邊實(shí)際上是兩組相互垂直的等間距平行線，經(jīng)過(guò)攝像機(jī)成像后通常不再平行但任然是直線，取其中任一組平行線的像，計(jì)算其與線結(jié)構(gòu)光亮條紋的像的交點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的亞像素坐標(biāo)。

根據(jù)局部仿射變換由棋盤(pán)格標(biāo)定板與標(biāo)定板的物理坐標(biāo)求取出線結(jié)構(gòu)光亮條紋被棋盤(pán)格一組等距平行邊所等分成的直線段的長(zhǎng)度。

根據(jù)空間直線段成像關(guān)系，由已知直線段的長(zhǎng)度和其端點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系上的亞像素坐標(biāo)求取出空間直線段各端點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，將得到的三維坐標(biāo)通過(guò)最小二乘法求取出線結(jié)構(gòu)光平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

步驟(2)：獲取左線結(jié)構(gòu)光光平面上一些不共線的直線段的長(zhǎng)度，以及其端點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的亞像素坐標(biāo)，使用空間直線段成像幾何關(guān)系求取出這些直線段各個(gè)端點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

步驟(3)：根據(jù)所獲取的光平面上的一些不共線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法求取出光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間平面方程參數(shù)；

步驟(4)：重復(fù)步驟2至步驟4以獲取右線結(jié)構(gòu)光的空間平面方程參數(shù)；

步驟(5)：通過(guò)步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)及步進(jìn)電機(jī)與左線結(jié)構(gòu)光投射器之間的減速裝置的減速比，計(jì)算出結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而求得空間中兩個(gè)平面的夾角，再根據(jù)所得的空間平面方程，可得旋轉(zhuǎn)后的空間平面方程，即當(dāng)前的空間平面方程；

步驟(6)：獲取左線結(jié)構(gòu)光在物體上投射的亮斑的圖像坐標(biāo)，再根據(jù)當(dāng)前的線結(jié)構(gòu)光平面方程可計(jì)算出亮斑的三維相機(jī)坐標(biāo)；

步驟(7)：重復(fù)步驟5、步驟6以獲取右線結(jié)構(gòu)光投射的亮斑的三維相機(jī)坐標(biāo)；

步驟(8)：將左右線結(jié)構(gòu)光所獲得的三維坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系得到最后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成三維重建。

上述步驟(2)的具體方法如下：

a.由于棋盤(pán)格的所有邊是由相互垂直的兩組平行線構(gòu)成的，這兩組平行線中的任一組均平分線結(jié)構(gòu)光與標(biāo)定板的交線為若干等份；通過(guò)圖像處理分析獲取若干段等長(zhǎng)的直線段的長(zhǎng)度及其各端點(diǎn)在圖像上的亞像素坐標(biāo)，這些直線段都共線且位于光平面上，標(biāo)定板換一個(gè)放置位置，即可得到另一組等長(zhǎng)且位于光平面上的直線段及其端點(diǎn)的像在圖像上的亞像素坐標(biāo)；

b.根據(jù)空間直線段的投影關(guān)系，即共線三點(diǎn)透視關(guān)系，首先計(jì)算出這些直線段各端點(diǎn)與攝像機(jī)光線的距離，然后即可得到這些端點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。如圖1所示，記B、C和D點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為 (x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)和(x_D，y_D，z_D)，可得如下關(guān)系式：

上述步驟(5)的具體方法如下：

a.根據(jù)旋轉(zhuǎn)激光的旋轉(zhuǎn)范圍，分別得到線結(jié)構(gòu)光的兩個(gè)邊界空間平面方程，由這兩個(gè)平面方程可得旋轉(zhuǎn)激光旋轉(zhuǎn)軸的平面束方程，即兩個(gè)邊界平面方程分別為A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0和A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0，則過(guò)這兩個(gè)平面交線 (即旋轉(zhuǎn)軸所在直線)的所有平面方程，即平面束方程為：

A₁x+B₁y+C₁z+D₁+λ(A₂x+B₂y+C₂z+D₂)＝0

即(A₁+λA₂)x+(B₁+λB₂)y+(C₁+λC₂)z+(D₁+λD₂)＝0

b.根據(jù)當(dāng)前平面，即參數(shù)為A₃＝A₁+λA₂，B₃＝B₁+λB₂，C₃＝C₁+λC₂， D₃＝D₁+λD₂與邊界平面，即參數(shù)為A₁、B₁、C₁、D₁的夾角Θ，由

可求得λ，進(jìn)而可求得當(dāng)前平面方程參數(shù)A₃、B₃、C₃、D₃。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。