多線陣列激光三維掃描系統及多線陣列激光三維掃描方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及物體表面幾何形狀的三維掃描技術領域，尤其涉及一種多線陣列激光三維掃描系統及多線陣列激光三維掃描方法。
【背景技術】
[0002]近年來，三維掃描作為一種快速三維數字化技術被越來越多地應用在各個領域，包括逆向工程、工業檢測、計算機視覺、CG制作等等，特別是在當前發展迅猛的3D打印和智能制造領域，三維掃描作為前端三維數字化和三維視覺傳感技術，已經成為產業鏈上的重要一環；同時，各類應用在三維掃描設備的成本、實用性、精確性和可靠性等諸多方面提出了更高的要求。
[0003]光學三維掃描是三維數字化領域最常見的一種現代化技術手段，較高測量效率和較高的精度兼備是技術的突出特點。白光三維掃描是一種傳統的光學掃描技術，通過光柵投影在物體表面進行編碼標記，再由相機拍照進行三角測量，在三維測量領域已經被廣泛應用，其特點是精度高、空間分辨率高，數據質量較為精細。隨著應用領域的不斷擴展，各種復雜使用環境對三維掃描技術提出了新的要求，例如人們希望設備具有更高的掃描便捷性以及更好的光學抗干擾性能，掃描流程能夠更加快速自如，盡可能地省去不必要的環節，并能夠在大多數的光線環境下完成測量。白光掃描設備由于自身的光柵投影器結構以及依賴時序編碼的測量原理限制，體積和重量較大，并且需要三腳架等穩定支撐結構輔助測量，測量便捷性有所局限；另外，白光光源亮度有限，測量受環境光和物體本身顏色材質等光學屬性影響較大，在較亮的環境中或面向較深顏色的物體，都難以進行有效測量。
[0004]為了彌補白光三維掃描技術的不足，一種以線激光作為光源的掃描技術應運而生，該技術仍然是基于多目視覺的三角測量原理，不同的是采用線激光作為圖案投影器，圖案簡單且不隨時間改變，激光器小巧結構簡單，掃描設備隨之變得輕便，且無需額外支撐穩定裝置輔助測量，可以手持測量是其典型特征；同時，激光線中心亮度極高，可以適應大多數光線環境或深色物體對象的掃描。然而現有的激光三維掃描技術在面向整個三維掃描領域普及之前，仍然存在幾大重要問題亟待解決:
[0005]掃描效率與成本優勢不可兼得。單線激光掃描技術實現較為簡單，成本較低，但掃描性能受到很大限制，掃描速度慢，使得實用性有限；而多線激光掃描技術掃描速度有較大提升，但由于依賴特殊訂制的激光發生器，工藝復雜且成本很高，同樣為技術的普及應用帶來阻礙。
[0006]使用壽命低。持續滿功率的掃描工作使得光學器件特別是各類LED元件(激光器LED以及LED照明燈等)光衰加劇直接導致掃描性能(包括數據質量和掃描速度)下降；另外，持續工作的LED大量發熱也帶來設備散熱問題，良好的散熱性能與小巧輕便的整體結構要求相矛盾，而散熱性能不好除了造成光學元件過早失效外，還可能影響整個掃描結構發生微小變形，導致掃描精度的損失。
[0007]掃描誤拼接率較高，可靠性缺乏保障。傳統的標記點拼接技術存在誤拼接率高的問題，其表現是多次掃描的數據在統一配準到同一個坐標系時出現歧義，導致某片掃描數據脫離整體數據，生成錯誤模型。這個問題在白光三維掃描過程中可以在每次單面掃描之后通過手動刪除等方法解決，但在連續掃描模式下的激光三維掃描過程中無法采用類似方法解決，因此出現誤拼接后通常需要重新掃描，大大影響工作效率。
[0008]掃描精度低。激光掃描數據質量與多種因素有關，其中工作距離控制是一大重要因素，景深一定的情況下，工作距離變化超過景深大小會造成圖像模糊導致數據噪聲大，精度大幅降低。傳統的激光掃描技術中工作距離主要依靠操作人員主觀判斷，在持續掃描的過程中工作距離難以準確控制，導致掃描精度較低。
【發明內容】
[0009]針對現有技術中的缺陷，本發明提供了解決上述技術問題的一種多線陣列激光三維掃描系統及多線陣列激光三維掃描方法。
[0010]第一方面，本發明提供了一種多線陣列激光三維掃描系統，包括:多線陣列激光三維掃描設備和上位機，所述多線陣列激光三維掃描設備包括可編程門陣列FPGA、至少一個立體視覺圖像傳感器、線激光器陣列和誤差反饋控制器，所述可編程門陣列FPGA與所述立體視覺圖像傳感器、線激光器陣列和誤差反饋控制器分別相連，所述上位機分別與所述可編程門陣列FPGA和立體視覺圖像傳感器相連；
[0011]所述可編程門陣列FPGA，用于向所述線激光器陣列發送第一觸發信號，以使所述線激光陣列根據所述第一觸發信號頻閃照射被測物體的表面；
[0012]所述可編程門陣列FPGA，還用于向所述立體視覺圖像傳感器發送第二觸發信號，以使所述立體視覺圖像傳感器根據所述第二觸發信號對被測物體進行曝光拍攝，并將拍攝的圖像對發送至上位機；
[0013]所述上位機，還用于對測量數據實時進行誤差評估并將評估結果反饋至可編程門陣列FPGA ；
[0014]所述可編程門陣列FPGA，還用于在接收到所述上位機反饋的評估結果后，根據所述評估結果向所述誤差反饋控制器發送控制信號，并根據所述評估結果調整所述激光三維掃描設備與被測物體的距離；
[0015]所述上位機，還用于對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中的激光線進行編碼和解碼；
[0016]所述上位機，還用于對被測物體圖像對中的特征點以及所述被測物體的表面反射的激光線進行三維重建；
[0017]所述上位機，還用于以所述特征點為基準，將不同幀上的三維激光線數據配準到同一坐標系中生成形面點云。
[0018]可選的，所述可編程門陣列FPGA，還用于接收所述上位機發送的預設脈沖觸發信號和預設曝光時間，根據所述預設脈沖觸發信號，向所述線激光器陣列發送第一觸發信號，根據所述預設曝光時間向所述立體視覺圖像傳感器發送第二觸發信號。
[0019]可選的，所述誤差反饋控制器，用于接收所述可編程門陣列FPGA發送的控制信號，輸出與所述控制信號對應的指示燈光。
[0020]可選的，所述誤差反饋控制器為變色LED燈，包括紅、綠、藍三種基色組合的光。
[0021]可選的，所述立體視覺圖像傳感器為多目視覺圖像傳感器，由兩個或兩個以上的光學相機組成。
[0022]可選的，所述立體視覺傳感器中設置有照明裝置。
[0023]可選的，所述照明裝置的照射時間與所述立體視覺傳感器的曝光時間同步。
[0024]可選的，所述線激光器陣列包括由多個線激光器按照矩陣式的排列方式組成。
[0025]可選的，所述上位機，用于對所述特征點進行跟蹤，并通過跟蹤相鄰時間幀間的同名特征點，將不同幀上的激光線配準到同一坐標系中。
[0026]可選的，所述上位機，還用于實時評估所述激光三維掃描設備與被測物體的距離，并在所述距離超出預設距離時，向所述可編程門陣列FPGA反饋評估結果。
[0027]可選的，所述上位機上還設置有通訊接口，所述通訊接口用于向與所述上位機連接的控制設備進行通訊，以使所述控制設備調整所述多線陣列激光三維掃描設備與被測物體間的距離。
[0028]第二方面，本發明還提供了一種基于上述的多線陣列激光三維掃描系統的多線陣列激光三維掃描方法，包括:
[0029]所述可編程門陣列FPGA向所述線激光器陣列發送第一觸發信號，以使所述線激光陣列根據所述第一觸發信號頻閃照射被測物體的表面；
[0030]所述可編程門陣列FPGA向所述立體視覺圖像傳感器發送第二觸發信號，以使所述立體視覺圖像傳感器根據所述第二觸發信號對被測物體進行曝光拍攝，并將拍攝的圖像對發送至上位機；
[0031]所述上位機對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中被測物體的表面反射的激光線進行編碼解碼；
[0032]所述上位機對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中被測物體特征點以及所述被測物體的表面反射的激光線進行三維重建；
[0033]所述上位機以所述特征點為基準，將不同幀上的三維激光線數據配準到同一坐標系中生成形面點云；
[0034]所述上位機對測量數據實時進行誤差評估并將評估結果反饋至可編程門陣列FPGA ；
[0035]所述可編程門陣列FPGA在接收到所述上位機反饋的評估結果后，根據所述評估結果向所述誤差反饋控制器發送控制信號，并根據所述評估結果調整所述激光三維掃描設備與被測物體的距離。
[0036]可選的，在所述可編程門陣列FPGA向所述線激光陣列發送第一觸發信號之前，所述方法還包括:
[0037]所述可編程門陣列FPGA接收所述上位機發送預設曝光時間以及預設脈沖觸發信號，根據所述預設脈沖觸發信號向所述線激光陣列發送第一觸發信號，根據所述預設曝光時間向所述立體視覺圖像傳感器發送第二觸發信號。
[0038]由上述技術方案可知，本發明提供一種多線陣列激光三維掃描系統及多線陣列激光三維掃描方法，該系統通過可編程門陣列FPGA實現多線陣列激光三維掃描系統的精確同步和邏輯控制，采用線激光器陣列作為投影圖案光源，通過可編程門陣列FPGA向立體視覺圖像傳感器和線激光器陣列發送觸發信號，使得上位機接收到立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對，并對該圖像對中的激光線陣圖案進行編碼解碼及三維重建，對被測物體表面特征點進行三維重建和不同時刻間三維特征點匹配對齊，采用光學跟蹤技術對匹配計算進行預測和糾錯，用于時域激光三維掃描數據的配準拼接，同時實時進行測量誤差等級評估并反饋至誤差反饋控制器做出調整指示，從而完成低成本、高效率、高可靠性和高精度的激光三維掃描。
【附圖說明】
[0039]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中