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一種三維激光掃描成像儀的成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維激光掃描成像儀的成像方法，利用三角測距法的原理對輸入圖像進行處理，并根據(jù)反射激光在圖像中所成光斑中心的坐標以及激光器與攝像頭的夾角及它們間固定的距離值，利用立體幾何的理論最終計算出這一束線狀激光投影到物體上各點的三維坐標，最后利用GLUT庫繪制出場景點云模型。
【專利說明】一種三維激光掃描成像儀的成像方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有場景三維激光掃描成像儀的成像方法，特別是涉及一種低成本的具有場景三維激光掃描成像儀的成像方法。

【背景技術】
[0002]激光掃描成像儀(Laser Rangefinderor Laser Radar)以其測距速度快，精度高，獲取信息直觀等優(yōu)點在軍事、航空和民用等領域得到了越來越多的應用.在智能移動機器人的研究中，激光測距系統(tǒng)更是和CCD攝像機、超聲傳感器等一起成為機器人必不可少的外部環(huán)境感知傳感器之一。目前激光掃描成像儀主要有二維和三維兩種，二維只在一個固定的掃描平面上獲取距離信息(也稱為單線掃描)，如德國SICK公司生產(chǎn)的LMS系列2D雷達；三維激光測距成像儀則在二維掃描的同時，還能轉動掃描平面(多線掃描)，主要代表為奧地利RIEGL公司生產(chǎn)的RIEGL系列遠距三維雷達。
[0003]激光掃描成像儀的裝置復雜度高，例如Hokuyo公司生產(chǎn)的激光雷達產(chǎn)品的售價都是上萬元的水平。其昂貴的原因之一在于他們往往采用了高速的光學振鏡進行大角度范圍的激光掃描，并且測距使用了計算發(fā)射/反射激光束相位差的手段進行。
[0004]激光掃描成像儀高昂的價格限制了它的進一步應用。當然，目前也有了一個替代方案，那就是微軟公司的kinect，不過其成像分辨率和測距精度相比激光雷達而言低了不少，同時無法在室外使用。并且kinect售價較高，在國內(nèi)普及率很低。相比激光掃描成像儀和kinect，市面上線狀激光器產(chǎn)品的價格就要實惠許多，同時這些產(chǎn)品的各項參數(shù)及測量精度對于一般業(yè)余用途而言已經(jīng)足夠，并且可以通過改進的新型算法來獲得更高的掃描精度及更快的掃描速度。如果我們對測量的精度、性能要求稍微降低，那么采用線狀激光器的成本將可以大幅的下降，因此采用線狀激光器來設計并研制出此套方案，將會使其具有廣泛拓展民用市場的前景，并能投入市場進行大批量工業(yè)生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種三維激光掃描成像儀的成像方法。
[0007]技術方案
[0008]一種三維激光掃描成像儀的成像方法，所述的三維激光掃描成像儀包括紅外線狀激光器、攝像頭、Raspberry Pi開發(fā)板、stm32板和鋰電池,其中線狀紅外激光器和攝像頭成83°的夾角，三維激光掃描成像儀的底部安裝有一個可以360°旋轉的舵機，其特征在于步驟如下:
[0009]步驟1:從攝像頭的輸入視頻流里獲取一幀圖像數(shù)據(jù)，然后用OpenCV提供的cvCvtColor函數(shù)，將圖像從RGB彩色空間轉化為具有8位單通道灰度圖像的灰度空間，選用nx*ny高斯濾波器對圖像進行高斯平滑濾波處理，cvSmooth函數(shù)根據(jù)高斯濾波器窗口尺寸^、?改變高斯濾波器卷積核σ的水平方向值σχ和垂直方向值oy:
[0010]σχ=(^-1)χ().30 + 0.80

η
[0011]σ^=(^--1)χ 0.30+ 0.80
[0012]步驟2:計算經(jīng)過高斯平滑濾波后圖像中的激光光斑質心點像素坐標px:
N N
Ytnuj)
[0013]-
ΣΣ/m

1-1 1.-1
[0014]其中，i和j為像素坐標，f(i, j)為像素亮度值；
[0015]步驟3:利用三角測距原理得到該成像光點到激光器的距離cd:
[0016]cd = f*s/ ((ps*px+offset) *sin ( β ))
[0017]利用cd以及勾股定理、三角函數(shù)、相似三角形的性質計算除中點外的其他高度上的點的三維坐標X、y、z:
X = (cd * tan(--β、-rf + (-^-)2 *
2(ν--)* ps*baseli
\cos(arclan( “-))

1
[0018]/ /Λ
Y-- \*PS* baseliner — cd* tan(- - β)*
{7 /wocn 米 w
cosfarctan(--) - π) * sin((--arccos(—.:)) H--)
f^s2/ηo180./(cd * Uin( - 0)- rY + cd~

V'2 *
[0019]
y = (cd 氺 tiin(^ - β) - rf + (-^-): *
2(y - —) ^ ps * baseline
\cos(arctan(---))
1
y-- \*ps*baseliner-cd*tan(-~β)*
/ Λ 2)、 、* “π ,.2、、 ca^n.cos(arctan(----) -π)^ cos((--arccos(—=...................................................................z................................................)) H--)
f^s2/π? ? 180
J-β)-Γ)~ +?.?/-
z = - (cd* tan(y —々)一廠廣十(--): ^

“ (y - 1) * ps * baseline
\c )s(arctan(-----))
[0020]1 f#s
(h、
y- — >,s psbaseline
sin(arclan(----) — π)
[0021]r:攝像頭與激光器的中點與舵機中心轉軸之間的偏移距離；
[0022]y:線狀激光上每個點的Y軸高度坐標；
[0023]h:表示成像圖像的高度；
[0024]baseline:旋轉時的激光器中心點與攝像頭中心點之間的距離；
[0025]ca:舵機選裝角度，在0°到360°之間等間隔采樣取值；
[0026]β:激光器與攝像頭的夾角；
[0027]s:激光器中心與攝像頭中心點距離；
[0028]f:攝像頭的焦距；
[0029]ps:攝像頭感光部件上單個像素感光單元的尺寸，通過查詢攝像頭的感光元件的數(shù)據(jù)手冊來確定；
[0030]Offset:通過像素點計算的投影距離和實際投影距離的偏差量，在三維激光掃描成像儀安裝后的校正步驟中得到；
[0031]步驟4:Raspberry Pi開發(fā)板通過串口向stm32核心板發(fā)送指令，stm32控制舵機帶動攝像頭和激光器同時旋轉360°，每次測距采樣后采用步驟3計算得到一個數(shù)組dist[n],為點云陣列；所述dist[i]為不同高度像素坐標i下激光點的三維坐標x、y、z ；
[0032]步驟5:根據(jù)點云陣列利用GLUT庫繪制出場景點云模型:
[0033]a:初始化GLUT庫，設置創(chuàng)建的窗口的顯示模式，所述顯示模式為RGBA模式或索引模式、單緩存或雙緩存；設置創(chuàng)建的窗口的大小和位置；
[0034]b:將當如創(chuàng)建的窗口設直為需要重新繪制；指定需要重新繪制窗口內(nèi)各時應調用的函數(shù)；指定窗口被移動或大小改變時應調用的函數(shù)；指定用戶按下生成ASCII字符的鍵時應調用的函數(shù)；指定用戶按下或松開鼠標鍵時應調用的函數(shù)；
[0035]c:讀取點云陣列數(shù)據(jù)并調用GLUT函數(shù)在當前創(chuàng)建的窗口中繪制出相應的三維圖形。
[0036]所述攝像頭為640x480分辨率的攝像頭，η的取值為480，當進行360°掃描時，每一度采樣一組，得到分辨率為360x480的點云陣列。
[0037]有益效果
[0038]本發(fā)明提出的一種三維激光掃描成像儀的成像方法，克服現(xiàn)有的激光掃描成像儀價格昂貴的不足。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1本發(fā)明的三維激光掃描成像儀的成像方法的流程圖
[0040]圖2三角測距原理圖
[0041]圖3激光線條光斑在平行平面上各點的距離問題抽象圖
[0042]圖4三維測距原理圖

【具體實施方式】
[0043]現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0044]三維激光掃描成像儀包括紅外線狀激光器、攝像頭、Raspberry Pi開發(fā)板、stm32板和鋰電池，其中線狀紅外激光器和攝像頭成83°的夾角，線狀紅外激光器投射出的線狀激光照射到障礙物上會反射回來并在攝像頭里感光成像，攝像頭通過USB接口連接到一個Raspberry Pi開發(fā)板上，并將圖像傳送到開發(fā)板。三維激光掃描成像儀的底部安裝有一個可以360°旋轉的舵機，它會帶動整套裝置一起360°旋轉，這樣掃描一圈便可得到各個方向的場景的三維點坐標數(shù)據(jù)。
[0045]由于日常光源中紅外波段的光線干擾比較少，因此選用紅外激光器作為整套裝置的光源。紅外激光器上電后會發(fā)出線狀的紅外光，紅外光照射到物體上后會被反射回來，攝像頭與激光器的夾角決定了掃描范圍，將其固定為83°所能接收到的反射激光的最遠距離為5米左右，之后反射光被攝像頭捕獲并成像。我們在攝像頭前加上了紅外濾光片，因此可以過濾掉其余波段的光線，只讓激光器發(fā)射出的紅外光通過。
[0046]三維激光掃描成像儀的安裝過程如下:首先利用一塊30*20(cm)的硬質合金鋁板，在靠近鋁板的左端或右端打一個小圓孔，再利用支桿套筒和支桿將激光器固定住，令支桿穿過鐵板上的小圓孔，再按照三角測距算法的要求，利用量角器，讓激光器和攝像頭成一個83°的夾角，最后在鐵板上固定住支桿。然后在鋁板的另一端用膠布固定住攝像頭，使攝像頭的位置保持與激光器水平且左右相距在166.2mm之間。再將Raspberry Pi開發(fā)板固定到長方形招板四個角中的任一個邊角上，將攝像頭連接到Raspberry Pi開發(fā)板的USB接口上。接下來再將長方形的鋁板對稱安裝到圓形的舵機上面，確保鋁板的中心和舵機圓形重合。然后在舵機下面同樣安裝一片長條形的鋁板，大小為5*10 (cm)，在這塊鋁板上固定安放stm32核心板以及動力鋰電池,將stm32核心板和Raspberry Pi開發(fā)板通過串口線連接。鋰電池負責為stm32板等裝置里所有需要用電的設備供電。
[0047]三維激光掃描成像儀的成像方法:利用三角測距法的原理對輸入圖像進行處理，并根據(jù)反射激光在圖像中所成光斑中心的坐標以及激光器與攝像頭的夾角及它們間固定的距離值，利用立體幾何的理論最終計算出這一束線狀激光投影到物體上各點的三維坐標，最后利用GLUT庫繪制出場景點云模型。具體步驟如下:
[0048]1、從攝像頭的輸入視頻流里獲取一幀圖像數(shù)據(jù)，然后用OpenCV提供的cvCvtColor函數(shù)，將圖像從RGB彩色空間轉化為具有8位單通道灰度圖像的灰度空間，選用3*3高斯濾波器對圖像進行高斯平滑濾波處理(平滑濾波處理也稱為模糊處理，是一種簡單且使用頻率很高的圖像處理方法，用來減少圖像上的噪聲和失真)，OpenCV作為一個優(yōu)秀的跨平臺開源庫，提供了 5種不同的平滑操作方法，所有操作都在cvSmooth中實現(xiàn)，該函數(shù)可以將用戶期望的平滑方式作為參數(shù)。cvSmooth函數(shù)根據(jù)高斯濾波器窗口尺寸3*3改變高斯濾波器卷積核σ的水平方向值σχ和垂直方向值oy:

Ux
[0049]χ ~ —I) X 0.30 + 0.80, Πχ — 3

ην
[0050]σ, = (--Ι)χ 0.30 + 0.80, n' = 3
[0051]2、計算經(jīng)過高斯平滑濾波后圖像中的激光光斑質心點像素坐標px:
N N
[0052]Pi = -
ΣΣ/m


1-l
[0053]其中，i和j為像素坐標，f(i, j)為像素亮度值；
[0054]3、利用三角測距原理得到該成像光點到激光器的距離Cd，其中三角測距原理如圖2所示(采用三角測距法來計算光線照射到物體上的各點的距離，因為這種方式不需要傳統(tǒng)的測距方式所要求的高精度的特殊硬件，所以是實現(xiàn)低成本激光成像的關鍵):
[0055]cd = f*s/ ((ps*px+offset) *sin ( β ))
[0056]利用cd以及勾股定理、三角函數(shù)、相似三角形的性質計算除中點外的其他高度上的點的三維坐標x、y、z，如圖3、4所示:
X = {cd * tan(— - β)-r)1 + (--)~ 個
2(y - —}*ps^baseline
\cos(arctan( ^j)

\
[0057]
\y--rps^ baseliner-cd^ tan(- - β)⑶匁冗
cos(arclan(:———-)-π) ^sin((— - arccos(—p)) +-—)
f^s2In180




J(cd * lan( ” - β) - r)~ + cd~
[0058]
J = (<■'" * tan(y - β) _ rf + (-γ-?.‘.( ν ——)* ps * baseline
icos(arctan(---))
If ^ s
i y-^)* ps* baseliner - cd * tan(-- β)*
cos(arctan(----)-π)* cos((— - arccos(—=^)) + —~—)
f*s2π；180



^(cd * tan(—-y?) - r)~ + cd~
z = - (cd * tan(^ - β) - rf + (-^-}_ —

2 (7 - ; ” Ps * baseline
\cos(drctan(-^~—-))
[0059]?i*s
(h、
y- * ps * baseline
sin(arclan(-~—-) - π)

f*s
[0060]r:攝像頭與激光器的中點與舵機中心轉軸之間的偏移距離；
[0061]y:線狀激光上每個點的Y軸高度坐標；
[0062]h:表示成像圖像的高度；
[0063]baseline:旋轉時的激光器中心點與攝像頭中心點之間的距離；
[0064]β:激光器與攝像頭的夾角；
[0065]s:激光器中心與攝像頭中心點距離；
[0066]f:攝像頭的焦距；
[0067]ps:攝像頭感光部件上單個像素感光單元的尺寸，通過查詢攝像頭的感光元件的數(shù)據(jù)手冊來確定；
[0068]Offset:通過像素點計算的投影距離和實際投影距離的偏差量，由如下兩個因素引入的:1)與激光射線平行的直線和成像平面焦點的位置未必在成像感光陣列的第一列(或第一排)上(實際上在第一排的概率非常低)；2)通過攝像頭主光軸的光線在畫面中的像素坐標未必是畫面中點。這個偏差量在三維激光掃描成像儀安裝后的校正步驟中得到；
[0069]取f = 4.2mm，s = 166.2mm，baseline = 10Omm, β = 85。，ps = 0.006912mm,offset = 4.37mm, h = 480, y從I依次取到480, r = 49.2mm。ca代表舵機選裝角度,在0°到360°之間等間隔采樣取值，采樣率由舵機旋轉一段的時間決定。我們這里設定為每相隔一度等間隔采樣，就是說ca依次取0° ,1°，2°等等。
[0070]4、Raspberry Pi開發(fā)板通過串口向stm32核心板發(fā)送指令，stm32控制舵機帶動攝像頭和激光器同時旋轉360°，每次測距采樣后采用步驟3計算得到一個數(shù)組dist[n]，為點云陣列；所述dist[i]為不同高度像素坐標i下激光點的三維坐標x、y、z ;對于采用攝像頭為640x480分辨率的攝像頭，η的取值為480，當進行360°掃描時，每一度采樣一組，得到分辨率為360x480的點云陣列。
[0071]5、根據(jù)點云陣列利用GLUT庫繪制出場景點云模型:
[0072]a:初始化GLUT庫，設置創(chuàng)建的窗口的顯示模式，所述顯示模式為RGBA模式或索引模式、單緩存或雙緩存；設置創(chuàng)建的窗口的大小和位置；
[0073]b:將當如創(chuàng)建的窗口設直為需要重新繪制；指定需要重新繪制窗口內(nèi)各時應調用的函數(shù)；指定窗口被移動或大小改變時應調用的函數(shù)；指定用戶按下生成ASCII字符的鍵時應調用的函數(shù)；指定用戶按下或松開鼠標鍵時應調用的函數(shù)；
[0074]c:讀取點云陣列數(shù)據(jù)并調用GLUT函數(shù)在當前創(chuàng)建的窗口中繪制出相應的三維圖形。
【權利要求】
1.一種三維激光掃描成像儀的成像方法，所述的三維激光掃描成像儀包括紅外線狀激光器、攝像頭、Raspberry Pi開發(fā)板、stm32板和鋰電池，其中線狀紅外激光器和攝像頭成83°的夾角，三維激光掃描成像儀的底部安裝有一個可以360°旋轉的舵機，其特征在于步驟如下: 步驟1:從攝像頭的輸入視頻流里獲取一幀圖像數(shù)據(jù)，然后用OpenCV提供的cvCvtCo 1 or函數(shù)，將圖像從RGB彩色空間轉化為具有8位單通道灰度圖像的灰度空間，選用nx*ny高斯濾波器對圖像進行高斯平滑濾波處理，cvSmooth函數(shù)根據(jù)高斯濾波器窗口尺寸^、?改變高斯濾波器卷積核σ的水平方向值σχ和垂直方向值oy:
j =(^l-1)x0.30 + 0.80
x 2
η
C7 =(—-1)χ0.30 + 0.80 步驟2:計算經(jīng)過高斯平滑濾波后圖像中的激光光斑質心點像素坐標px:
N N
/-1 /-1
過/("/)
/-1 ?-1 其中，i和j為像素坐標，f (i, j)為像素亮度值； 步驟3:利用三角測距原理得到該成像光點到激光器的距離cd:
cd = f木s/ ((ps^px+offset)木sin ( β )) 利用cd以及勾股定理、三角函數(shù)、相似三角形的性質計算除中點外的其他高度上的點的三維坐標X、y、Z: X = (cd * tan(— - β) - r): + (--) ■.'



baseline4ο \cos(arci,an( ^))f*SI y-魯]*；?■* baseliner - cd * tm{-- β)★ I 2 y 7T 0 CCl 7T cos(arctan(-———-)-;r} *sin((二 - nrrrosi(—“)) h--—)
t2Ijr.180.(cd * lan( - β) - r)~ + cd~
V2
(cd*Un(^-p)-r)2+(-f-)“

(v-—baseline
1 7
\cos(arctan(-))
!
Y ps^ baseliner-cd^tm(--fi)^ cos(arctan(----)-π)^'cos((— -arccos(—=^)) + CQ
f^s2π?180



J(cd * tan(— - β)~ rY + cd~ z 二一 {cd * Utn(等-β) - r)~ + (-j-)2 *二(y- ) * ps * baseline \cos^rciaix(---))
\
(h、
y- '.' ps 對 baseline sin(arclan(----) - t)
f*s r:攝像頭與激光器的中點與舵機中心轉軸之間的偏移距離； y:線狀激光上每個點的Y軸高度坐標； h:表不成像圖像的聞度； baseline:旋轉時的激光器中心點與攝像頭中心點之間的距離； ca:舵機選裝角度，在0°到360°之間等間隔采樣取值； β:激光器與攝像頭的夾角； s:激光器中心與攝像頭中心點距離； f:攝像頭的焦距； ps:攝像頭感光部件上單個像素感光單元的尺寸，通過查詢攝像頭的感光元件的數(shù)據(jù)手冊來確定； Offset:通過像素點計算的投影距離和實際投影距離的偏差量，在三維激光掃描成像儀安裝后的校正步驟中得到； 步驟4:Raspberry Pi開發(fā)板通過串口向stm32核心板發(fā)送指令,stm32控制舵機帶動攝像頭和激光器同時旋轉360°，每次測距采樣后采用步驟3計算得到一個數(shù)組dist[n]，為點云陣列；所述dist[i]為不同高度像素坐標i下激光點的三維坐標x、y、z ; 步驟5:根據(jù)點云陣列利用GLUT庫繪制出場景點云模型: a:初始化GLUT庫，設置創(chuàng)建的窗口的顯示模式，所述顯示模式為RGBA模式或索引模式、單緩存或雙緩存；設置創(chuàng)建的窗口的大小和位置； b:將當前創(chuàng)建的窗口設置為需要重新繪制；指定需要重新繪制窗口內(nèi)容時應調用的函數(shù)；指定窗口被移動或大小改變時應調用的函數(shù)；指定用戶按下生成ASCII字符的鍵時應調用的函數(shù)；指定用戶按下或松開鼠標鍵時應調用的函數(shù)； c:讀取點云陣列數(shù)據(jù)并調用GLUT函數(shù)在當前創(chuàng)建的窗口中繪制出相應的三維圖形。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維激光掃描成像儀的成像方法，其特征在于:所述攝像頭為640x480分辨率的攝像頭，η的取值為480，當進行360°掃描時，每一度采樣一組，得到分辨率為360x480的點云陣列。
【文檔編號】G01C3/10GK104266605SQ201410300768
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】林洋, 馮燕 申請人:西北工業(yè)大學