一款结构光三维扫描测量装置的设计

计算机时代2018年第9期

0引言

近年来，3D打印技术与虚拟现实技术的快速发展，为3D测量与数字建模技术打开了广阔的应用市场。结构光三维扫描仪因其扫描精度高、测量速度快、获取的点云密集等特点，被广泛应用于工业检测、机械仿制、文物保护等领域。尽管相关产品已广泛投放市场，但对于初涉该项技术的研究者和开发者而言，公开发表的相关技术资料还非常稀少。有鉴于此，本文介绍了一款结构光栅三维扫描仪的设计过程，为研究者和应用开发者搭建实验平台提供一些参考，有助于推广结构光3D扫描技术在我国的应用。

1主要部件选型

所开发的结构光三维扫描仪由双目相机、光栅投影仪两个主要光电部件构成。

⑴光栅投影机

出于性能考虑，本文采用巨维达PDC03型结构光栅投影机[1]。其主板输入输出接口如图1

所示。

①MiniUSB接口②外触发输出接口

图1PDC03型结构光栅投影机

DOI:10.16644/33-1094/tp.2018.09.001

一款结构光三维扫描测量装置的设计

魏茂1，王修竹2，刘涌2

(1.中共绵阳市委党校，四川绵阳621000；2.西南科技大学计算机科学与技术学院)

摘要：结构光三维扫描仪具有高速度、高精度、获取的点云密集等特点，得到了市场的广泛认可，广泛应用于精细化测量领域。基于时间相位展开算法和双目视觉原理，利用工业相机和光栅投影仪构建了一套结构光栅三维扫描测量实验装置，较为全面地阐述了设计方案和设计步骤，为从事三维结构光测量的研究者和应用开发者提供了一种参考方案。实验结果表明，该装置能够有效地支持结构光扫描，具有较高的测量精度。

关键词：三维测量；结构光栅投影；立体视觉；测量装置

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1006-8228(2018)09-01-03 Design of a structured light3D scanning measurement device

Wei Mao1,Wang Xiuzhu2,Liu Yong2

（1.Party College of Mianyang Committee of CCP,Mianyang,Sichuan621000,China;

2.School of Computer Science and Technology,Southwest University of Science and Technology）

Abstract：Structured light3D scanner has been widely recognized in the market and used in three-dimensional measurement fields because of its characteristics of high speed,high precision and dense point cloud.In this paper,a set of experimental device for 3D scanning measurement of structural grating is constructed using industrial camera and grating projector based on temporal phase unwrapping and stereo vision.The specific design scheme and design steps are described in detail,which provides a reference scheme for researchers and application developers engaged in3D structural light measurement.The experimental results show that the device can effectively support structured light scanning and has high measurement accuracy.

Key words：three-dimensional measurement；structured grating；stereo vision；measurement device

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Computer Era No.92018

该投影机主要包含MiniUSB 接口、同步输出/CCD 外触发接口、电源接口等。采用蓝光LED 灯投影，刷新频率60Hz。

⑵双目相机

选用两台Basler Aea1300-30gm 工业相机[2]作为同步光栅数据采集之用，具有内触发、软触发、外触发三种工作模式，最大帧率30Hz。测量前，两台相机应分别对准被测物体，如图2所示连接并固定在一起，构成双目相机，两相机之间的距离约10CM

左右。

②外触发输入接口③相机数据接口

图2Basler Aea1300-30gm 工业相机

2系统体系结构设计

测量系统体系结构通常是按照测量覆盖范围和测量精度进行规划的，也可以根据实际测量物体的大小进行动态调整。本系统采用如图3所示的系统结构，设定测量覆盖范围为30CM×25CM，因此需要分别调整光栅投影机和双目相机与被测物体距离，以及投影机与双目相机之间的距离，使得投影机的投影图像

和相机镜头的可视区域均能够覆盖设定的同一区域。

图3

测量系统体系结构示意图

3辅助模块与连线

图4为测量系统各主要部件之间的连线示意图。PC 与投影仪之间使用USB 信号线连接，通过MiniUSB 接口控制光栅投影机，完成光栅图像序列从PC 到投影机的传输与存储、设置图像投影时间与投影顺序、发

出投影控制信号等功能。

图4

测量系统各主要部件连线示意图

PC 的扩展槽中需插入一块多通道数据采集卡，用于PC 实时控制两路相机曝光并获取相机采集的图像数据。本文选择了Intel （R ）Gigabit ET Quad Port Server Adapter 作为图像采集卡（具有4个千兆数据传输通道），使用其中两路数据通道，通过两根数据线分别连接到两台工业相机。测量前应预先安装设备驱动程序，并设置好道数据采集卡端口和相机端口的IP 地址及相关初始化数据。

投影仪与两台工业相机之间通过外触发接口相连，相机需要预先设置为外触发模式。扫描仪工作过程中，每当投影仪切换图片的时候，会自动发送一个触发脉冲信号到两台相机，相机将自动曝光并各自采集一幅图像。

4相关准备工作

⑴标定双目相机

按照双目视觉原理，需要预先标定双目相机的内外参数，才能精确计算像点视差及的深度信息。可以利用MATLAB 提供的Stereo Calib Toolbox 工具包[3]进行标定，本文采用OpenCV [4]提供的角点提取算法，结合其中的张正友标定算法[5]进行双目相机的内外参数标定。

⑵制作结构光栅图像序列

结构光栅三维扫描仪通过投射并同步采集一些预先制作的光栅图像，按照确定的相位展开算法进行运算，最终按照测量机构的位置参数来计算物体的三

维点云。因此，需要根据相位展开算法确定并制作结构光栅图像序列。

本测量系统拟采用四步相移法[6]计算包裹相位，采用岳慧敏[7]时间相位展开算法计算展开相位，其时间序列为t=1,8,64，按照LIU 算法[8]进行双像相位特征匹配。根据PDC03型投影机的特点，制作的光栅图片应为分辨率1280*800的24位灰度图像，并按照横向和纵向两个方向排列正弦光栅。因此，需要制作横/纵

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