三維激光掃描儀原理課件

三維激光掃描儀原理（一）結構光測距基本原理

結構光測距是一種既利用圖像又利用可控光源的測距技術。其基本思想是利用照明光源中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息。利用光平面照射在物體表面產生光條紋，在拍攝的圖像中檢測出這些條紋，它們的形態(tài)和間斷性，構成了物體各可見表面與相機之間的相對測度。結構光從光源的幾何形狀上說有點狀、條狀、網狀等許多種?？梢圆捎眉す饣虬坠?。這種方法的突出優(yōu)點是可以減少計算的復雜性，掃描速度快，量測精度高，因而在許多三維掃描系統(tǒng)中得到應用。這一技術特別適用于室內環(huán)境，物體表面反射情況比較好的場合。如圖1所示，線光源產生狹窄的激光平面（寬度小于0.4mm），投射于被掃描物體表面，形成一條光條紋，攝像機光軸與激光投射面L成一個角度α。這樣，攝像機拍攝的光條紋圖像不是一條直線，其形狀就反映了物體表面的形狀，在一幅圖像中可以算出所有位于激光照射線上的點的深度和高度。當物體以固定的角速度ω旋轉一周，激光投射面L掃過物體表面，其上所有點的深度和高度信息都可以算出，如果用柱坐標系，取h軸與物體旋轉軸重合，那么物體表面上每一點的極角坐標可以從ω算出。（1）圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系

攝像機采集的數字圖像在計算機內為MN數組，M行N列的圖像中的每一個元素（稱為象素，pixel）的數值即是圖像點的亮度（或稱灰度）。若為彩色圖像，則圖像上象素的亮度將由紅、綠、藍三種顏色的亮度表示。如圖1所示，在圖像上定義直角坐標系u、v，每一象素的坐標分別是該象素在數組中的列數與行數。所以，是以象素為單位的圖像坐標系的坐標。由于只表示象素位于數組中的列數與行數，并沒有用物理單位表示出該象素在圖像中的位置，因而需要再建立以物理單位（例如毫米）表示的圖像坐標系。該坐標系以圖像內某一點為原點，x軸與y軸分別與u、v軸平行，如圖1所示。

（1）圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系圖1

圖像坐標系

如不特別說明，我們都以(u,v)表示以象素為單位的圖像坐標系的坐標，(x,y)表示以毫米為單位的圖像坐標系的坐標。在x、y坐標系中，原點定義在攝像機光軸與圖像平面的交點，該點一般位于圖像中心處，但實際上由于工藝制造的原因，會有些偏離，若在u、v坐標系中的坐標為，每一個象素在x軸與y軸方向上的物理尺寸為，則圖像中任意一個象素在兩個坐標系下的坐標有如下關系：

（1）圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系（1）圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系為以后方便起見，我們用齊次坐標與矩陣形式將上式表示為：(1)逆關系可寫成：(2)

我們在環(huán)境中還選擇一個基準坐標系來描述攝像機的位置，并用它描述環(huán)境中任何物體的位置，該坐標系稱為世界坐標系，由軸組成。攝像機坐標系與世界坐標系之間的關系可以用旋轉矩陣與平移向量來描述。因此，空間中某一點P在世界坐標系與攝像機坐標系下的齊次坐標如果分別是與，于是存在如下關系：

(3)其中，為正交單位矩陣，為三維平移向量，，為1矩陣。

（1）圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系（2）線性攝像機模型（針孔模型）我們用齊次坐標與矩陣表示上述透視投影關系：

(5)

將式（2）與（3）代入上式，我們得到以世界坐標系表示的P點坐標與其投影點p的坐標的關系：

（2）線性攝像機模型（針孔模型）（3）線性模型攝像機定標攝像機定標一般都需要一個放在攝像機前的特制的定標參照物（referenceobject）。例如，圖3為一種定標參照物，攝像機獲取該物體的圖像，并由此計算攝像機的內外參數。定標參照物上的每一個特征點（圖3中物體上每一小方塊的頂點）相對于世界坐標系的位置在制作時應精確測定，世界坐標系可選為參照物的物體坐標系在得到這些已知點在圖像上的投影位置后，可由式（6）計算出攝像機的內外參數。

圖3

標定參照物

（3）線性模型攝像機定標（3）線性模型攝像機定標（3）線性模型攝像機定標(10)（3）線性模型攝像機定標（3）線性模型攝像機定標（三）深度圖像獲取實例坐標原點位于白色定標板底面中心，各定標點選各定標塊的左上角點。(-40,760,135),(-220,740,110),(110,750,75),(20,610,120),(-170,590,110),(130,480,65),(-10,450,90),(-190,430,120),(-140,300,55),(50,270,52),(-210,161,56),(121,140,53),(-40,120,53)（1）定標塊及其上點標點的空間坐標（2）攝像機圖片與定標點（U,V）值(u1,v1)(300,29),(211,46),(372,50),(330,109),(236,121),(381,179),(315,192),(224,200),(255,263),(343,277),(223,327),(376,337),(302,346)（4）計算點云坐標由以上式子可知，如果只用一個攝像機進行計算，每一個方程代表的是一個平面，兩個平面相交是一條直線，即所有在從攝像機光心到物點的射線上的點都有可能是所求的實際點。因此（X，Y，Z）是不確定的。只有加入攝像機光軸所在平面的約束條件，才能把所求的點唯一地確定下來。掃描儀結構尺寸攝像機平面與激光入射平面之間的夾角為14，正切值為200/800=1/4，（注意左右攝像機角度的正負）重心法提取激光中心線重心法首先采用極值法找到最大值位置Ymax,然后取此位置左右各k點，求這k+1點的重心：

即認為是光刀中心。式中I(i)是第i列的光強。重心法精度較高。選取一個半徑為60mm的圓球作為掃描對象，攝像機，激光器與掃描對象的設置如圖3所示。圖中，球心與坐標原點重合；攝