计量校准检测机构深圳天溯计量跟您分享三维激光扫描仪原理

- 2019-09-11-

结构光测距基本原理


  结构光测距是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术。其基本思想是利用光源中的几何信息来帮助提取场景中的几何信息。利用光平面照射物体表面产生光条纹,在拍摄图像中检测到这些条纹。它们的形状和不连续性构成了物体可见表面和相机之间的相对尺度。结构光有很多种,如点、条、网等。可以使用激光或白光。该方法的突出优点是可以降低计算复杂度、快速扫描和精确测量,因此已经应用到许多三维扫描系统中。该技术特别适用于室内环境下物体表面较好的反射情况。


  如图1所示,线光源产生窄的激光平面(宽度小于0.4mm),投影在待扫描物体的表面上,形成光条纹,并且摄像机的光轴与激光投影表面L形成角度A。相机拍摄的光条纹图像不是直线,它的形状反映了物体表面的形状。在一幅图像中,可以计算出激光辐射上所有点的深度和高度。当物体以固定角速度ω旋转一个圆时,激光投影面l扫掠物体表面,计算出物体表面上所有点的深度和高度信息。如果H轴与圆柱坐标系中物体的旋转轴重合,那么物体表面上的每个点的极坐标可以由ω计算

线性模型摄像机定标



计算机视觉系统从摄像机获取的图像出发,计算出物体在三维环境中的位置、形状等几何信息,然后对环境中的物体进行重构和识别。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某一点反射光的强度,图像上该点的位置与空间物体表面上相应点的几何位置有关。这些位置之间的关系由摄像机成像几何模型决定。几何模型的参数称为摄像机参数,必须通过实验和计算来确定。实验和计算的过程称为摄像机标定。相机模型是光学成像几何关系的简化。本节介绍一个相对简单的模型-线性模型或销孔模型1。


(1)图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系


摄像机采集的数字图像在计算机内为MN数组,M行N列的图像中的每一个元素(称为象素,pixel)的数值即是图像点的亮度(或称灰度)。若为彩色图像,则图像上象素的亮度将由红、绿、蓝三种颜色的亮度表示。如图1所示,在图像上定义直角坐标系u、v,每一象素的坐标分别是该象素在数组中的列数与行数。所以,是以象素为单位的图像坐标系的坐标。由于只表示象素位于数组中的列数与行数,并没有用物理单位表示出该象素在图像中的位置,因而需要再建立以物理单位(例如毫米)表示的图像坐标系。该坐标系以图像内某一点为原点,x轴与y轴分别与u、v轴平行,如下图所示。


如不特别说明,我们都以(U,V)表示以象素为单位的图像坐标系的坐标,(x,y)表示以毫米为单位的图像坐标系的坐标。在x、y坐标系中,原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点,该点一般位于图像中心处,但实际上由于工艺制造的原因,会有些偏离,若在u、v坐标系中的坐标为(U0,V0),每一个象素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为Sx,Sy,则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系:

摄像机成像几何关系如图2所示,其中O点称为摄像机光心,Xc轴和Yc轴与图像的x轴与y轴平行,Zc轴为摄像机的光轴,它与图像平面垂直。光轴与图像平面的交点,即为图像坐标系的原点,由点O与Xc、Yc、Zc轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系O/O1为摄像机焦距。

我们在环境中还选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置,并用它描述环境中任何物体的位置,该坐标系称为世界坐标系,由Xw、Yw、Zw轴组成。摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。因此,空间中某一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标如果分别是(Xw,Yw,Zw 1)T与(Xt,Yt,Zt  1)T,于是存在如下关系:

其中,R为3×3正交单位矩阵,t为三维平移向量,0=(0,0,0,)T  M2为4×4矩阵。


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