3d物體點(diǎn)云成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了3D物體點(diǎn)云成像方法，包括以下步驟：步驟1、從攝像頭畫面中捕獲激光光點(diǎn)，并計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息；步驟2、計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離；步驟3、將激光光點(diǎn)到激光器的距離轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn)；步驟4、將物體旋轉(zhuǎn)，返回步驟2，直至將物體旋轉(zhuǎn)到360度為止，以獲取物體的全局點(diǎn)云信息。本發(fā)明采用線性激光器，利用三角測距并轉(zhuǎn)化光點(diǎn)坐標(biāo)，具有距離、角度分辨率高，目標(biāo)識別能力突出，速度快等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
3D物體點(diǎn)云成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及3D激光成像技術(shù)，具體涉及3D物體點(diǎn)云成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有3D激光成像技術(shù)中，有人提出采用窄視場激光測距機(jī)配以靈活的光束指向控制器，一次可測量目標(biāo)上一個點(diǎn)的距離，通過掃描裝置使掃描范圍覆蓋目標(biāo)的所有待測部位，就可得到目標(biāo)上各點(diǎn)的距離，將這些距離數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)捻樞蜻M(jìn)行采集、存儲和顯示，就可得到目標(biāo)的距離圖像。
[0003]上述這種成像方法獲取一幅圖像需要通過二維掃描完成。其成像幀頻較低、視場角很小。而掃描裝置的應(yīng)用不僅增大了系統(tǒng)的體積，還降低了系統(tǒng)的可靠性和工作的穩(wěn)定性。此外，這種成像方法僅僅可以用來成像，不能得到具體的數(shù)據(jù)，難以將其拓展到其他應(yīng)用，實(shí)用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有成像技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提出3D物體點(diǎn)云成像方法，采用線性激光器，利用三角測距并轉(zhuǎn)化光點(diǎn)坐標(biāo)，具有距離、角度分辨率高，目標(biāo)識別能力突出，速度快等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):3D物體點(diǎn)云成像方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1、從攝像頭畫面中捕獲激光光點(diǎn)，并計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息；
[0007]步驟2、計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離；
[0008]步驟3、將激光光點(diǎn)到激光器的距離轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn)；
[0009]步驟4、將物體旋轉(zhuǎn)，返回步驟2，直至將物體旋轉(zhuǎn)到360度為止，以獲取物體的全局點(diǎn) {η ^菅、。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟I通過線性插值或求質(zhì)心的手段，估計(jì)出激光光點(diǎn)的中心，得到激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟2通過激光光點(diǎn)、攝像頭與激光器本身構(gòu)成的三角形來計(jì)算。
[0012]所述激光光點(diǎn)到激光器距離由如下公式求得:
[0013]q = fs/x
[0014]M = q/sin(P)
[0015]其中β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距，M是激光光點(diǎn)到激光器的距離，X是待測物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。
[0016]所述距離X通過在攝像頭畫面中查找并計(jì)算激光光點(diǎn)中心位置的像素坐標(biāo)來求得:
[0017]x = PixelSize 氺 px+offset
[0018]其中PixelSize是攝像頭感光元件上單個像素感光單元的尺寸,offset是通過像素點(diǎn)計(jì)算的投影距離和實(shí)際投影距離的偏差量。
[0019]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明成像原理主要是:將物體360度旋轉(zhuǎn)，利用激光測距計(jì)算物體表面每部分到激光的距離，從而得到物體全局點(diǎn)云。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0020]1、采用線性激光器，利用三角測距并轉(zhuǎn)化光點(diǎn)坐標(biāo)，具有距離、角度分辨率高，目標(biāo)識別能力突出，速度快等突出優(yōu)點(diǎn)。
[0021]2、使用本發(fā)明對物體3D建模后，可以從中提取特征點(diǎn)，進(jìn)而提取特征線，并由此進(jìn)行物體識別。
[0022]3、本發(fā)明僅采用線性激光器和普通的USB攝像頭，成本低，可靠性高。在舵機(jī)轉(zhuǎn)速為30o/s時，僅需12s就可以得到物體的全局點(diǎn)云，得到完整的物體3D模型；后期結(jié)合離群點(diǎn)檢測、曲面重建等方式可以得到較為精確的3D模型。而舵機(jī)的轉(zhuǎn)速是可以通過串口調(diào)節(jié)，因此本發(fā)明成像儀成像幀頻高、實(shí)時性好。
[0023]4、本發(fā)明可以在掃描物體時，實(shí)時得到物體的點(diǎn)云信息，可以被其他應(yīng)用所采用，具有良好的實(shí)用性及拓展性。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的成像流程框圖；
[0025]圖2示意了三角測距原理；
[0026]圖3示意了采用三角測距法的三維激光點(diǎn)坐標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了更加清楚地描述本發(fā)明，以下結(jié)合具體的實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0028]實(shí)施例
[0029]參見圖1，本發(fā)明3D物體點(diǎn)云成像方法，把待測物放到舵機(jī)上，通過串口向舵機(jī)發(fā)送命令，來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度;成像過程主要包括捕獲光點(diǎn)、計(jì)算光點(diǎn)到激光器的距離、轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)物體四個主要步驟。
[0030]步驟1、捕獲光點(diǎn):激光照射到物體表面后會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，本發(fā)明需要從攝像頭畫面中捕獲光點(diǎn)并計(jì)算出光點(diǎn)的坐標(biāo)信息。
[0031]對于捕獲光點(diǎn)，首先要識別并確定激光光點(diǎn)，排除干擾。在理想的情況下，可以通過求出畫面中最亮點(diǎn)的方式獲取光點(diǎn)。在出現(xiàn)日光燈的干擾下，需要額外判斷臨近像素的色彩，紅色激光點(diǎn)的外圍均為紅色。為了排除干擾，本發(fā)明加裝了濾光片，調(diào)整攝像頭曝光時間和增加激光功率。
[0032]捕獲光點(diǎn)后，本發(fā)明通過簡單的線性插值/求質(zhì)心的手段，估計(jì)出光點(diǎn)的中心，得到光點(diǎn)的坐標(biāo)信息。
[0033]步驟2、激光測距:確定完光點(diǎn)的坐標(biāo)后，需要計(jì)算光點(diǎn)到激光器的距離。隨著待測物到激光器距離的不同，激光光點(diǎn)在攝像頭畫面中的位置亦有所不同。激光光點(diǎn)、攝像頭與激光器本身構(gòu)成一個三角形，如圖2所示。在這個三角形中，激光光點(diǎn)與攝像頭的距離，以及激光器在三角形中的角度，是已知的條件。通過攝像頭畫面中激光光點(diǎn)的位置，我們可以決定出攝像頭位于三角形中的角度。這三項(xiàng)條件可以決定出一個三角形，并可計(jì)算出待測物到激光器的距離。
[0034]三角測距的原理如圖2所示，β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距。在這些參數(shù)已知后，激光光點(diǎn)到激光器距離可由如下公式求得:
[0035]q = fs/x (I)
[0036]d = q/sin(0) (2)
[0037]其中X是待測物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件(如CMOS)上的成像到一側(cè)邊緣的距離。該距離可以通過在攝像頭畫面中查找并計(jì)算激光光點(diǎn)中心位置的像素坐標(biāo)來求得，如公式(3)所示:
[0038]x = PixelSize*px+offset (3)
[0039]其中PixelSize是攝像頭感光元件上單個像素感光單元的尺寸,offset是通過像素點(diǎn)計(jì)算的投影距離和實(shí)際投影距離的偏差量。
[0040]步驟3、將光點(diǎn)距離轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn):計(jì)算出光點(diǎn)到激光器的距離后，需要轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn)，才能將其繪制出來，其原理如圖3所示。其中M是激光光點(diǎn)到激光器的距離，λ是激光器橫向掃描角度，Θ是激光器縱向掃描角度。貝Ij光點(diǎn)的坐標(biāo)P(Xm, Ym, Zm)可以通過如下公式求得:
[0041]Xm=McosQcosA (4)
[0042]YM=McosQsinA (5)
[0043]ZM=MsinQ (6)
[0044]步驟4、物體的旋轉(zhuǎn):為了獲取物體的全局點(diǎn)云信息，需要將物體旋轉(zhuǎn)，返回步驟2計(jì)算光點(diǎn)到激光器的距離，直至將物體旋轉(zhuǎn)到360度為止。
[0045]本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、從攝像頭畫面中捕獲激光光點(diǎn)，并計(jì)算出激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息； 步驟2、計(jì)算激光光點(diǎn)到激光器的距離； 步驟3、將激光光點(diǎn)到激光器的距離轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn)； 步驟4、將物體旋轉(zhuǎn)，返回步驟2，直至將物體旋轉(zhuǎn)到360度為止，以獲取物體的全局點(diǎn)云?目息.2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，所述步驟I通過線性插值或求質(zhì)心的手段，估計(jì)出激光光點(diǎn)的中心，得到激光光點(diǎn)的坐標(biāo)信息。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，所述步驟2通過激光光點(diǎn)、攝像頭與激光器本身構(gòu)成的三角形來計(jì)算。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，所述激光光點(diǎn)到激光器距離由如下公式求得:q = fs/xd = q/sin(0) 其中β表示激光器夾角，s表示激光器中心與攝像頭中心點(diǎn)距離，f表示攝像頭的焦距;X是待測物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，所述距離X通過在攝像頭畫面中查找并計(jì)算激光光點(diǎn)中心位置的像素坐標(biāo)來求得: x = PixelSize*px+off set 其中Pixel Size是攝像頭感光元件上單個像素感光單元的尺寸,offset是通過像素點(diǎn)計(jì)算的投影距離和實(shí)際投影距離的偏差量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D物體點(diǎn)云成像方法，其特征在于，所述步驟3轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)點(diǎn)采用如下公式: Xm=McosQcosA YM=McosQsinA ZM=MsinQ 其中是M激光光點(diǎn)到激光器的距離，λ是激光器橫向掃描角度，Θ是激光器縱向掃描角度。
【文檔編號】G01B11/03GK105865350SQ201610285655
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月30日
【發(fā)明人】何元烈, 陳佳騰, 張偉, 曾碧
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)