一種手持激光三維掃描儀的激光投影器曝光時(shí)間控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及手持激光三維掃描儀，尤其是一種手持激光三維掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 手持激光三維掃描技術(shù)以其抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)逐步被 用在各種工業(yè)、考古、醫(yī)療、教學(xué)等領(lǐng)域。相比白光投影原理的三維掃描儀，激光三維掃描儀 可以從每一組同步幀圖像中提取物體表面特征計(jì)算得到被掃描物體的一部分表面點(diǎn)云，以 及由于激光投影的光強(qiáng)更大因而允許捕捉其圖像的攝像頭可以以不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊的快門 時(shí)間進(jìn)行曝光，因此更能適合用手持的方式在不斷連續(xù)移動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行掃描。另外，由于 激光的波段的單一性，通過在攝像頭前加裝帶通濾光鏡可以很大程度上去除環(huán)境光線對(duì)其 掃描過程的影響，使其適用于室外自然光環(huán)境下的物體表面輪廓的三維掃描。
[0003] 目前的手持激光三維掃描儀內(nèi)部由兩個(gè)及以上的攝像頭和一個(gè)及以上的激光投 影器組成，其相互之間的所有位置關(guān)系均已經(jīng)在掃描前標(biāo)定已知，在掃描時(shí)兩個(gè)及以上的 攝像頭同步采集目標(biāo)物體表面的特征點(diǎn)用于定位儀器自身的空間三維坐標(biāo)位置，采集被投 影到目標(biāo)物體表面的激光投影圖案用于獲得目標(biāo)物體的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。不同顏色和材質(zhì)的 物體表面，對(duì)于激光的反射效率和自然光的反射均不盡相同，因此如果用固定亮度的激光 投影器去照射被掃描物體，可能會(huì)得到不同灰度的激光投影圖像，過亮或者過暗均會(huì)影響 掃描的效果和精度。
[0004] 以只投射單條線狀激光的激光投影器投射到一定灰度的目標(biāo)物體表面為例，如圖 1所示，在攝像頭采集獲得的激光圖案中，垂直于激光方向?yàn)闄M坐標(biāo)方向，以激光線條的中 心為原點(diǎn)，逐行計(jì)算分析該方向上的像素分布。圖2為垂直于激光方向的一維亮度分布曲 線，縱坐標(biāo)為像素上的灰度值，從0到255對(duì)應(yīng)暗到亮。例子中目標(biāo)物體表面非激光照射區(qū) 域在攝像頭上成像的平均灰度為40左右，掃描儀在一個(gè)攝像頭快門開啟期間的激光持續(xù) 時(shí)間分別設(shè)為lms、2ms和4ms，以灰度值為100作為區(qū)分是否為激光圖案的閥值。激光持 續(xù)時(shí)間設(shè)為2ms時(shí)，其亮度分布曲線顯示的激光寬度在3個(gè)像素左右；激光持續(xù)時(shí)間設(shè)為 4ms時(shí)激光寬度為11個(gè)像素左右，由于掃描時(shí)需要在攝像頭采集的圖像中精確的識(shí)別出激 光在目標(biāo)物體表面的輪廓線，過寬的激光線條會(huì)導(dǎo)致無法獲得精準(zhǔn)的表面特征，從而降低 掃描的精度；激光持續(xù)時(shí)間為Ims時(shí)激光整體的灰度值均在100以下，與非激光照射區(qū)域的 灰度相差不大，因此無法在圖像的背景中有效提取激光的圖案信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服已有手持激光三維掃描儀采用固定亮度的激光投影器導(dǎo)致掃描存在的 掃描效果較差、掃描精度較低的不足，本發(fā)明提供一種掃描效果良好、掃描精度較高的手持 激光三維掃描儀的激光投影器曝光時(shí)間控制方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種手持激光三維掃描儀的激光投影器曝光時(shí)間控制方法，所述控制方法包括如 下步驟：
[0008] 1)設(shè)定一個(gè)攝像頭采樣周期內(nèi)的激光投影器的曝光時(shí)間Ts作為反饋控制的初始 值，并采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)；
[0009] 2)在攝像頭采集的圖像中篩選得到真實(shí)的激光線投影；
[0010] 3)在獲得激光線投影的連通區(qū)域后，統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與設(shè) 定的激光合理曝光區(qū)間進(jìn)行比較，如果屬于該合理曝光灰度區(qū)間，將Ts作為激光投影器的 曝光時(shí)間，否則，調(diào)節(jié)Ts。
[0011] 進(jìn)一步，所述步驟3)中，沿識(shí)別出的激光線所有位置的法向量方向搜索每一行灰 度最大的像素點(diǎn)所獲得的像素點(diǎn)集合稱為該激光所投影線條的脊線；統(tǒng)計(jì)該激光投影圖案 中的每一條脊線灰度值，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與設(shè)定的合理曝光灰度區(qū)間進(jìn)行比較，如果屬于該合 理曝光灰度區(qū)間，將Ts作為激光投影器的曝光時(shí)間，否則，調(diào)節(jié)Ts。
[0012] 再進(jìn)一步，所述合理曝光區(qū)間包括下限經(jīng)驗(yàn)閥值Gthl和上限經(jīng)驗(yàn)閥值 Gth2,統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域激光線的脊線中所有像素Pi的灰度Gi低于Gthl的像素點(diǎn)的 個(gè)數(shù)Nl、高于Gth2的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)N2和處于Gth 1和Gth2之間的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N3 :
Nl和N2的值的大小來反饋控制激光投影器的曝光時(shí)間Ts是增大還是減?。喝绻鸑1>N2,則 調(diào)大Ts，反之則調(diào)小Ts，返回步驟1)。
[0013] 或者是：所述步驟3)中，從識(shí)別出的激光線的連通區(qū)域中獲得激光投影線第i行 的法向有效線寬的像素和亞像素的總個(gè)數(shù)Wi，K i < n，n為總行數(shù)，并求出整幅圖像上的
[0014] 所述激光合理曝光區(qū)間包括線寬上下閥值Wthl和Wth2,如果附/j2 <灰<則 完成激光曝光值的設(shè)定；如果r < 則調(diào)大Ts，如果< r則調(diào)小Ts，返回步驟1)。
[0015] 再或者是：所述步驟3)中，從識(shí)別出的激光線的連通區(qū)域中統(tǒng)計(jì)其所有像素的平
[0016] 所述激光合理曝光區(qū)間包括平均灰度上下閥值EGthl和EGth2,如果 <而 < 五(?爾，則完成激光曝光值的設(shè)定；如果而 < 五(?決2則調(diào)大Ts，如果 則調(diào)小Ts，返回步驟1)。
[0017] 更進(jìn)一步，所述步驟2)中，在攝像頭采集的圖像中用邊緣提取方法得到灰度值高 于設(shè)定閥值的連通區(qū)域，并根據(jù)其形狀特征進(jìn)行模式識(shí)別，篩選得到真實(shí)的激光線投影。
[0018] 所述激光投影器的投影頻率與攝像頭的曝光頻率同步，即激光投影器在攝像頭的 快門開啟時(shí)間段內(nèi)處于工作狀態(tài)，而在攝像頭的快門閉合的時(shí)間段內(nèi)激光圖案投影器處于 關(guān)閉狀態(tài)。
[0019] 進(jìn)一步，攝像頭的同步曝光時(shí)間的長(zhǎng)度大于等于所述的激光器投影器的開啟時(shí) 間。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：由于手持激光三維掃描儀的掃描精度直接取決于攝像頭所 拍攝到的激光投影器投射到被掃描物體表面的投影圖案的成像質(zhì)量，而成像質(zhì)量很大程度 取決于其在攝像頭內(nèi)部的感光元件上的亮度是否合適。掃描儀掃描顏色較深的物體時(shí)為得 到正常曝光，需要增加激光投影器的投射亮度；而掃描顏色較淺的物體時(shí)則需要減少激光 投影器的投射亮度來得到正常的曝光圖案。
[0021] 本發(fā)明所述的手持激光三維掃描儀通過對(duì)激光投影器開啟時(shí)間的調(diào)節(jié)，在一個(gè)攝 像頭的曝光周期內(nèi)可同時(shí)獲得曝光合適的激光投影圖案，從而保證手持激光三維掃描儀的 掃描精度。相比固定亮度的激光投影器的三維掃描儀，本發(fā)明所述的手持激光掃描掃描儀 可以顯著降低掃描儀對(duì)工作環(huán)境的要求，提高掃描各自表面顏色和材質(zhì)的適應(yīng)性。另外，將 激光投影器的開啟時(shí)間從整個(gè)掃描過程調(diào)整為攝像頭的快門開啟周期內(nèi)可以顯著降低系 統(tǒng)的功耗，同時(shí)也防止激光亮度過亮而對(duì)人眼睛造成傷害。
[0022] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、掃描效果良好、掃描精度較高；2、降低功耗，安 全性較高。
【附圖說明】
[0023]圖1是投射單條線狀激光的激光投影器投射到一定灰度的目標(biāo)物體表面的示意 圖。
[0024]圖2是激光的法向方向的一維亮度分布曲線，縱坐標(biāo)為像素上的灰度值，從0到 255對(duì)應(yīng)暗到亮。
[0025] 圖3是手持激光三維掃描儀的控制原理圖。
[0026] 圖4是觸發(fā)時(shí)序的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0028] 參照?qǐng)D1~圖4,一種手持激光三維掃描儀的激光投影器曝光時(shí)間控制方法，所述 控制方法包括如下步驟：
[0029] 4)設(shè)定一個(gè)攝像頭采樣周期內(nèi)的激光投影器的曝光時(shí)間Ts作為反饋控制的初始 值，并采集攝像頭的圖像數(shù)據(jù)；
[0030] 5)在攝像頭采集的圖像中篩選得到真實(shí)的激光線投影；
[0031] 6)在獲得激光線投影的連通區(qū)域后，統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與設(shè) 定的激光合理曝光區(qū)間進(jìn)行比較，如果屬于該合理曝光灰度區(qū)間，將Ts作為激光投影器的 曝光時(shí)間，否則，調(diào)節(jié)Ts。
[0032] 進(jìn)一步，所述步驟3)中，沿識(shí)別出的激光線所有位置的法向量