基于计算机视觉的三维激光扫描测量系统

Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｈ ｕ ｙ ｏ ｎ ｇ ９ ９ ＠ｐ ｕ ｂ ｌ ｉ ｃ ． ｗ ｈ ． ｈ ｂ ． ｃ ｎ
基金项 目：中国博士后科学基金资助项 目 （ ２ ０ ０ ２ ０ ３ １ ２ ５ １ ） ；华中科技大学博士后科研专项基金资助项 目
维普资讯 http://www.cqvip.com
Ｈｕ Ｙｏ ｎ ｇ Ｄｒ ． ；Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ．＆ Ｅｎ ｇ． ，Ｈｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ．ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ． ＆ Ｔｅ ｅ ｈ ． ，Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４，
第 １ 期
胡 勇等 ： 基 于计 算机视觉 的三维激 光扫 描测 量系统
１ ７
导体激光器组成． 半导体激光器作为光源， 它发射 出一点光源， 投射到一个柱状透镜上， 则变成一条 直线 ． 将该线光源投射到待测工件表面 ， 作为测量 标 志线 ． 激光波 长为 ６ ５ ０ Ｂ Ｉ Ｔ Ｉ ， 功率 为 １ ０ ｍｗ （ 可
路Ｃ Ｃ Ｄ摄像 机 的外 同步信 号输入 ， 以保 证两路 Ｃ Ｃ Ｄ 同一 时刻 采集 的是 同一 位 置 的激光 标 志线 ．
图 ２ Ｃ Ｃ Ｄ 摄 像 机 标 定 块 图像
坐 标 已预先 在 三坐标 机上 精确 测 出 ． 标定时， 在景
２ 工 作 原 理 及 步 骤
三维 激光 扫 描测 量 系统属 于一 种非 接触 式 测
深 范 围 内， 将 标 定块 置 于两摄 像机 的公 共视 场 中 ， 摄取 左 右各 一 幅标 定 块 图像 ， 然 后 将 测 量 头垂 直 移 动某 一距 离 ， 再左 右各 摄取 一 幅标定 块 图像 ， 分 别 对不 同高 度 的两 幅 图像 进 行 边缘 检测 ， 确 定 图 像 上各 圆孔 的计算机 帧存 坐标 ， 由这 ６ ０个 特征 点
测量 系统 ．
１ 所示 ， 其 整 体 结 构 相 当于 将 三 坐 标 测 量 机 上 的 接 触式 测量 探头 换成 非接 触式 的视 觉测 量探 头 ．
１ 系统 组成
三 维激 光扫 描测 量 系统 由硬 件 和软件 两部 分 组成 ， 硬 件 部分 包括 双 目视觉 测量 探 头 、 图像采 集 卡、 机械 移 动及 扫描 控制 机构 ； 软件部 分包 括 扫描
构及其控制部分组 成 ． 通过两个摄像 机同时摄取一个扫 描激光光 条的 图像 ， 经 图像 匹配 ， 利用视差 ， 可计算 得 到光条上所有点 的位置以及深度 ， 即被扫描物体表面 的三维信息 ． 就 系统中的摄像 机标定 、 图像采集 、 特征提 取、 图像 匹配及三维信息恢 复等主要工作过程进行 了论述 ．
量， 它基于激光 三角法测量原理… ， 是 一 种 线 测 量方法 ． 激 光器 发 出 的光 线 经 柱 状 透 镜 单 方 向 扩
展后变成一光条 ， 投射在被测物体表面， 由于物体 表面 曲度或深 度 的 变 化 ， 使光条变形 ， 由Ｃ Ｃ Ｄ 摄
像机 摄取 此 变形 光 条 的 图像 ， 这 样 就 可 以 由激 光
关 键 词： 计算机 视觉 ； 激光扫描 ；逆 向工程 文献标识 码 ： Ａ ． 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ７ ５ １ ． ８ 文章 编号 ： １ ６ ７ １ — ４ ５ １ ２ （ ２ ０ ０ ４ ） ０ １ — ０ ０ １ ６ — ０ ３
３ Ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ｓｅ ａ ｄ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ
Ｈｕ Ｙ ｏ ｎ ｇ — Ｗａ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｎ ｅ ３ ｕ ｎ Ｈａ ｎ Ｍｉ ｎ ｇ Ｈｕ ａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｕ ｈ ｕ ａ ｉ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ３ Ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｗａ Ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｉ ｔ Ｗａ Ｓ ｏ ｍｐ ｃ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ａ ｂ ｉ ｎ ｏ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ，ｉ ｍａ ｇ ｅ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｒ ｄ ｓ ，ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ｔ ａ ｎ ｄ ｏｎ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ａ ｒ ｔ ．Ｂｙ ｍｅ ａｎ ｓ ｏ ｆ ｏｌ ｃ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｂ ｙ ｔ ｗｏ Ｃ ＣＤ ｃ ａ ｌ ｎ ｅ ｒ ａ ｓ ａ ｎ ｄ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｏ ｆ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｔ ｉ ｒ ｐ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ．Ｔｈ ｅ ＣＣ Ｄ ｃ ａ ｍｅ ｒ ａ ａｌ Ｃ ｉ ｂ ｒ ａ —
调） ， 其扫 描 激 光 线 宽 为 １ ｍｍ． ２个 普 通 Ｃ Ｃ Ｄ 摄 像机 （ 包 括 ２个 焦距 为 ８ ｍｍ 的镜 头 ） 呈 一定 角 度
２ ． １ 摄 像 机标定 摄 像机 标定 的 目的是 建 立 有 效 的成 像 模 型 。 并确 定 摄像 机 的 内外 部 属 性 参 数 ， 以便 正 确 建 立 空 间 坐标 系 中物 点 与它在 图像 平 面上 像素 点之 间 的对应 关 系 ． 摄 像 机 标 定 要确 定 的 内部 参 数 是 指 摄像机 内部几何 和 光学 特性 ， 它 包括 有 效 焦距 厂 ， 透镜 畸 变 系 数 ｋ， 方 向 和 Ｙ 方 向 的 比 例 系 数 Ｎ ， Ｎ ， 以及像 面 中心 （ Ｕｏ ， Ｖ ｏ ） ； 而 外部 参 数是 指 摄像 机 坐标 相 对 于 某 一 坐 标 系 的三 维 位 置 与 方
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ．
逆 向工程 必须 首 先使 用高 精度 的测 量手 段将 样品的三维轮廓信息快速测量出来 ， 然后再将得 到 的数据 点 进 行 曲面 处 理 及 快 速 成 型 制 作 出样 品． 为 了满 足 国 内 中小 企 业 对 快 速 开 发 新 产 品 的 要求 ， 与快速成 型设备相配套 ， 组 成 逆 向工 程 系 统， 研 制开 发 了基 于计 算 机 视 觉 的三 维 激 光 扫 描
ｄ ｉ ｃｕ ｓ ｓ ｓ ｅ ｄ．Ｔｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｎ ｅ ｂ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｃ ｏｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ；ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃａ ｓ ｎｎ ｉ ｎ ｇ ；Ｒｅ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅｒ ｉ ｎ ｇ
ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｉ ｍａ ｇ ｅ ｏｌ ｃ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｆ ａｔ ｅ ｕ ｒ ｅ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ，３ Ｄ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｏｖ ｃ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｅ ｒ ｅ
标定过程需要通过具体的标靶来实现 ， 标靶 也 称标 定块 ， 如 图 ２所示 ， 标 定块上 的圆孔 的 中心
型高 精 度 图 像 采 集 卡 作 为 图 像 采 集 卡 ． Ｏ Ｋ— Ｍ１ ０ Ｍ 是基 于 Ｐ ＣＩ 总线 的标 准视 频 ８ ｂ ｉ ｔ 黑 白 图 像采 集 卡 ， 具有 Ｐ Ａ Ｌ 或 ＮＴＳ Ｃ标 准 视 频 信 号 输 入， 灰度 精度 为 １ ／ ２ ５ ６ ， 可 采集 单 帧 、 连 续 帧 图像 ， 且 所采 集 的 图像 大 小 、 位置 、 亮度 和对 比度 可 通过 软 件设 定 ． 为保 证两 路 同步 采集 ， 使 用两块 图像采 集卡， 将一路 Ｃ Ｃ Ｄ摄像 机 视频 输 出信号 作 为 另一
中． 采 用 中国科 学 院嘉 恒公 司的 Ｏ Ｋ— Ｍ１ ０ Ｍ 通 用
向， 具体包括 一个平移矩 阵 Ｔ和一个旋 转矩 阵
Ｒ． 确定 这些 参数 的过 程就 称 为摄像 机标 定 ． 目前 对 摄 像 机 的 标 定 方 法 有 很 多 ， 其 中 ｉ ２ 提 出的基 于径 向对 准约 束 的 两 步法 是 通 常 采 用 的方 法 ， 该 标 定 方 法具 有 自动 、 准确、 高 效 和 适 应 面广 等优点 ， 且 计算 量适 中 ， 精度高．
维普资讯 http://www.cqvip.com
第３ ２卷 第 １ 期
２ ０ ０ ４年 １ 月
华
中
科
Fra Baidu bibliotek
技
大
学
学
报（ 自然科 学版）
ＶＯ １ ． ３ ２ Ｎｏ． １
Ｊ ． Ｈｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ． ｏ ｆ Ｃｉ Ｓ ．＆ Ｔ ｅ ｅ ｈ ． （ Ｎ ａ ｔ ￣ｅ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
图 １ 三维激光扫描测量 系统 的组成
１ ． １ 视 觉测量 探 头
控制软件及 图像采集 、 处理和点云生成软件 ． 如图
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ３ — ０ ５ — １ ６ ． 作者简 介 ： 胡
视觉测 量 探 头 由 ２个 Ｃ Ｃ Ｄ 摄 像 机 和 一 个 半
勇（ １ ９ ６ ５ 一 ） ， 男， 博士； 武汉 ， 华中科技大学材料科学 与工 程学院 （ ４ ３ ０ ０ ７ ４ ） ．
放置， 构成深度测量的传感器 ．
１ ． ２ 机械移 动 扫描 控 制部分
机 械移 动 扫描 部分 类似 于一 般 的三 坐标 测量 机， 它包 括 工件 放置 平 台和 位移 桥架 ， 测 量机 构在 控 制 系统 的作 用下 可在 三个 相互 垂 直 的导轨 上移 动， 完 成对 整个 工件 的扫描 ． 视觉 测 量探 头安 装在 测 量 机构 的垂 直测 量 臂 上 ， 它 在 方 向上 移 动 可 进行 视 觉测 量 探 头 的 标 定 ， 以及 使 被 测 工 件 在视 觉 测 量 的景深 范 围 内． １ ． ３ 图像采 集处 理部 分 Ｃ Ｃ Ｄ摄 像 机 采 集 的 图 像 模 拟 信 号 必 须 经 过 图像 采集 卡 转 换 成 数 字 信 号 才 能 保 存 在 计 算 机
Ｊ ａ ｎ． ２ ０ ０ ４
基 于计 算 机视 觉 的三 维 激 光 扫 描 测 量 系统
胡 勇 王从军 韩 明 黄树 槐
（ 华 中科技 大 学 材料 科 学与 工程 学 院 ， 湖 北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
摘要 ： 介绍 了基于计算机视觉 三维 激光扫描测量系统 ． 该系统主要 由双 目视觉测量探头 、 图像采集 卡 、 扫描机