郭晶晶;贺赛先
【摘 要】现有的手持式激光扫描仪在使用过程中多使用定位标志点,会遮盖部分数据.针对此问题,基于单应矩阵和霍夫直线提取提出了一种新的线结构光点云数据拼接方法,可以避免在扫描过程中粘贴标志点.实验结果证明,该方法能准确得到目标三维点云数据,拼接误差小于1 mm.%Positioning mark points are often adopted when operating the existing hand-held laser scanners,which may shelter some of the data.To solve this problem,a new method based on the homography matrix and the Hof line extraction method is proposed for data splicing,which can avoid sticking the mark points in the scanning process.The experimental results show that the 3D-point cloud data can be obtained accurately by using this method,and the splicing error is below 1 mm. 【期刊名称】《电光与控制》
【年(卷),期】2018(025)001
木工艺品制作
【总页数】4页(P88-91)
智能交通信号灯【关键词】激光扫描仪;线结构光;扫描;数据拼接;点云
【作 者】郭晶晶;贺赛先
【作者单位】武汉大学电子信息学院,武汉430079;武汉大学电子信息学院,武汉430079
【正文语种】中 文
【中图分类】TB96;TP391
0 引言
三维激光扫描仪通过对物体的扫描，将被测物体的三维点坐标采集到电脑中，可以很快重构出被测物体的三维模型，在文物保护、工程测量、工业铸件、逆向工程等领域均有着广泛的应用[1-5]。市场上主流的扫描产品的计算精度已经达到0.5 mm，扫描速度也达到50 000点/s，但是，这些产品的价格普遍较高，制约了激光扫描仪的普及。因而,低成本、便携式的激光扫描仪成为研究热点。 近年来，许多学者对三维激光扫描仪做出了大量的研究。文献[6]设计了两套便携式激光扫描仪，具有较好的扫描效果;文献[7]设计了一个基于机器视觉的激光条纹扫描系统;文献[8]研究了手持式三维激光扫描仪定位算法;文献[9]对双目立体视觉自定位线扫描技术进行了研究，并研制了一套三维测量系统;文献[10]设计并实现了一套线结构光扫描系统，计算三维坐标信息的误差低于1.15 mm。
目前，大多数手持式激光扫描技术都粘贴标志点来完成空间定位，而标志点会遮盖部分数据。针对此问题，本文基于单应矩阵和霍夫直线提取提出了一种新的线结构光点云数据拼接方法,可以避免粘贴标志点，并且计算精度可以满足一般测量需要。 1 系统硬件设计tmdi-30
扫描系统由工业相机(2台)、半导体激光器、支架以及手柄组成，如图1所示。
图1 系统硬件组成Fig.1 System hardware composition
其中，工业相机的最大分辨率是1280×1024，130万像素。将相机和激光器固定在支架上，手持手柄对被测物体进行扫描,2台相机同时采集帧图像，激光器则用于扫描。
2 系统测量原理
测量系统的软件实现流程如图2所示。
图2 系统实现流程Fig.2 System implementation process
双目相机采集扫描图像，根据双目视觉原理求取空间特征点坐标，每台相机与激光器组成激光三角系统，求取激光中心线的三维数据，最后根据相邻两帧的空间特征点计算坐标转换矩阵，将激光中心线数据拼接在一个坐标系下。
2.1 双目测量原理
如图3a所示，空间中一点P在摄像机C1,C2所得图像上对应的点分别是p1(u1,v1),p2(u2,v2)，2台摄像机标定之后的投影矩阵分别是M1,M2。
图3 测量原理图Fig.3 Diagram of measuring principle
假设P点在世界坐标系下的坐标是(Xw,Yw,Zw)，则
(1)
消去比例因子s1,s2后得到关于Xw,Yw,Zw的4个线性方程式，矩阵形式为
(2)
简写为AXw=B，由最小二乘法可得
Xw=(AAT)-1ATB
(3)
由此便得到了空间点的三维坐标。
2.2 激光三角法测量原理
放气阀
当用光学投射器代替图3a中的一个摄像机时，光学投射器投射出一定的光模式，从而对场景对象的空间位置进行约束，同样可以获得被测对象在空间的唯一三维坐标值。如图3b所示，空间点P处于线激光器投射的平面上，同时P点在摄像机C1所摄图像上的对应点为p(u,v)。经过标定，得到摄像机的投影矩阵为M，激光面的方程为aX+bY+cZ+d=0。
设P点在世界坐标系下的坐标为(Xw,Yw,Zw)，则可以得到如下方程
(4)
消去比例因子s，得如下矩阵方程
(5)
介电常数测量
上式可简写为
AXw=B
4d座椅
(6)
则有
Xw=A-1B
(7)
于是可以计算出空间点的三维坐标。
2.3 拼接方法
对帧图像提取线激光，根据式(7)得到激光中心线的空间坐标之后，需要计算两帧之间的坐标转换矩阵，从而将两帧的激光线统一在同一个坐标系下。本文坐标转换矩阵计算方式如图4所示。
图4 计算RT矩阵示意图Fig.4 Diagram of RT matrix calculation
具体过程如下：
1) 对第n,n+1帧左右图像提取surf特征点进行匹配并剔除误匹配，利用opencv中的findHomography函数和匹配点对求出左右图像之间的单应矩阵Hn,Hn+1，对第n,n+1帧左(右)图像提取surf特征点进行匹配并剔除误匹配，得到单应矩阵Hn(n+1)；
2) 对第n帧左(右)图像进行霍夫直线提取，并根据直线两端点和中点与激光线的距离关系，删除激光线所在的直线，得到直线集Ln；
3) 将2)中的直线集Ln与单应矩阵Hn相乘，得到对应的右图像中的直线集Rn,在转换的过程中，若直线的端点为负数，说明左图像中的直线在右图像中不能全部或者部分显示，删除直线集Ln和Rn中的这些直线；
4) 从3)中得到的直线集Ln和Rn是一一对应关系，设有m条直线，对于每一条直线，等分成s份，这样每条直线能得到s+1个点，每个直线集能得到(s+1)*m个点,利用左右直线集中的点，根据双目视觉原理，即可求出这些点的空间坐标，得到空间点集Pn；
