[发明专利]基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置与方法

权利要求书

1.基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置的全视角线激光扫描三维成像方法，所述基于空间错位的全视角线激光扫描三维成像装置，包括一维移动部件、立体靶标、激光发射器及相机，所述立体靶标安装在一维移动部件上方，所述立体靶标是一个至少具有三个面的正棱柱体，立体靶标的数个面沿周向相围；激光发射器及相机的数量与立体靶标的面的数量相对应，数个激光发射器侧向对准立体靶标的棱处设置；每个相机上各安装一个镜头，镜头用于对立体靶标的面成像；所述激光平面侧对向立体靶标棱处以形成非共线直线，各激光平面空间错开；立体靶标各面刻有规则分布的十字靶标；所述全视角线激光扫描三维成像方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1，搭建所述全视角线激光扫描三维成像标定装置，使用四个单个线激光扫描三维成像组合分别对向立体靶标的四个面；

步骤2，保持立体靶标位置不变，使数个相机同时采集正对的立体靶标面的图像，通过图像中十字靶标像素坐标与该相机对应的世界坐标系下的世界坐标使用Tsai标定法解算出相机的外参与内参，依次求出各相机的参数；

激光平面标定时，将各激光在空间上错开，利用光平面在立体靶标棱处形成的两条非共线直线完成单一光平面的标定，同样利用各标定面在立体靶标上的空间关系，将各光平面方程转换建立在确定的唯一世界坐标系下；

步骤3，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面在立体靶标棱处形成的折角线所成的像，提取该折线上的点，用此求线激光平面方程，确定线激光平面相对于相机坐标系和世界坐标系的位置关系；

步骤4，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，求得一维移动部件的运动方向和距离；

步骤5，标定完成后，对待测物体进行全视角线激光扫描三维成像；

步骤6，通过立体靶标对应的标准坐标系之间的相互转化使多个相机完成全局标定，即标定各面所成的像拼接在一起，完成全视角线激光扫描三维成像；

步骤2具体的，固定立体靶标其中一个面为标准世界坐标系(X_W1,Y_W1,Z_W1)，与之相邻的一个面上的坐标系为临时坐标系(X_w2,Y_w2,Z_w2)，与之相对的面的坐标系为临时坐标系(X_w3,Y_w3,Z_w3)，另一个与之相邻的一个面的坐标系为临时坐标系(X_w4,Y_w4,Z_w4)；

步骤3具体的，打开激光发射器，用相机采集激光发射器光平面内几条不重合的直线所成的像，通过交比不变性求得激光线上若干点的在唯一世界坐标系下的世界坐标，即可拟合线激光平面方程，确定线激光平面相对于唯一世界坐标系的位置关系；

步骤4具体的，使一维移动部件带动立体靶标移动，在运动方向上分别取两幅图像，分别识别两幅图像中同一位置，求得一维移动部件的运动方向和距离，一维移动部件带动立体靶标移动时，每运动一定脉冲时，相机对应采集一个标定面的图像，对标定面进行识别分析，可以得出待扫描物体每次移动的距离，将多组激光线的图像相同的移动距离即可得出待扫描物体表面的三维数据；

步骤5具体的，移走立体靶标，在一维移动部件上安装待测物体，调整待扫描物体位置，使激光线投射在待扫描物体上，使用一维移动部件带动待扫描物体沿标定的方向做一维运动，使用相机同时对待扫描物体采集图像，将采集的图像传输回计算机，对图像进行处理，得到扫描物体不同面的坐标数据；

步骤6具体的，线激光扫描三维成像所得的像的坐标数据，由于经过了全局标定，即利用立体靶标的四个标定面的空间关系建立了联系，通过转换使得各面的数据建立在同一平面确定的世界坐标系下，即三维成像得到的各面的坐标数据将会自动建立在统一世界坐标系下，实现自动融合；

还包括步骤7，将多个相机所成的不同面的像拼接在一起，具体步骤如下：

一维移动部件带动待扫描物体移动时，每当待扫描物体移动一定距离时，相机采集一张待扫描物体表面激光线的图像，通过四个相机分别得到四组三维数据，其坐标根据步骤2中标准坐标系和临时坐标系确定；假设其中两个面在其对应的标准世界坐标系中的点坐标为临时世界坐标系中的点坐标为

线激光扫描三维成像所得的像的坐标是在世界坐标系下，两个标定面的相对位置已知，即通过两个世界坐标系之间的相互转化使两个相机所成的待扫描物体的不同面的像重合；

其中一标定面为标准世界坐标系(X_W1,Y_W1,Z_W1)，与之相邻的标定面坐标系为临时坐标系(X_w2,Y_w2,Z_w2)，那么两个坐标之间的变换关系表示如下：

其中，R为3×3的正交旋转矩阵；T为三维平移向量，0＝(0，0，0)；M为4×4外参数矩阵，表示了标准世界坐标系和临时世界坐标系之间的变换关系；

立体靶标的两面中，得取正方体边长为d，则将临时世界坐标系中的点坐标为转化为标准世界坐标系中的点，公式为：

两个坐标在同一坐标系中显示，则待扫描物体两个不同的面便能拼接在一起。