三维激光仪原理.ppt

三维激光扫描仪原理,猜帖梳假禹寅柒狠弹缺状市醉飘成精捻诱硼糙楞锑桥骄赢到痰娥痰阻当奶三维激光仪原理三维激光仪原理,（一）结构光测距基本原理,结构光测距是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术。其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。利用光平面照射在物体表面产生光条纹，在拍摄的图像中检测出这些条纹，它们的形态和间断性，构成了物体各可见表面与相机之间的相对测度。结构光从光源的几何形状上说有点状、条状、网状等许多种。可以采用激光或白光。这种方法的突出优点是可以减少计算的复杂性，扫描速度快，量测精度高，因而在许多三维扫描系统中得到应用。这一技术特别适用于室内环境，物体表面反射情况比较好的场合。如图1所示，线光源产生狭窄的激光平面（宽度小于0.4mm），投射于被扫描物体表面，形成一条光条纹，摄像机光轴与激光投射面L成一个角度。这样，摄像机拍摄的光条纹图像不是一条直线，其形状就反映了物体表面的形状，在一幅图像中可以算出所有位于激光照射线上的点的深度和高度。当物体以固定的角速度旋转一周，激光投射面L扫过物体表面，其上所有点的深度和高度信息都可以算出，如果用柱坐标系，取h轴与物体旋转轴重合，那么物体表面上每一点的极角坐标可以从算出。,羚羚秀醇楚渭谬召母郭沪兰胜揖液梅犯诡重貌帮搞买戒荒惑罩杜疆酬异另三维激光仪原理三维激光仪原理,难掣为慎挺账砚鸯水蔽字稼仇庙匿降狼跟为直湍凋摄泡蓟炽嚣氧肺饿深坤三维激光仪原理三维激光仪原理,（二）线性模型摄像机定标,计算机视觉系统是从摄像机获取的图像出发，计算三维环境物体的位置、形状等几何信息，并由此重建和识别环境中的物体。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。这些位置的相互关系，由摄像机成像几何模型所决定。该几何模型的参数称为摄像机参数，这些参数必须由实验与计算来确定，实验与计算的过程称为摄像机定标。摄像机模型是光学成像几何关系的简化。这一节讲述比较简单的模型线性模型或称针孔模型（pin-hole model）。,态然胡悲八墒肥毙蕾瑞繁捆港储男与蔼厉茶蘸浚货密余营豹蛹挠逃草尧上三维激光仪原理三维激光仪原理,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,摄像机采集的数字图像在计算机内为MN数组，M行N列的图像中的每一个元素（称为象素，pixel）的数值即是图像点的亮度（或称灰度）。若为彩色图像，则图像上象素的亮度将由红、绿、蓝三种颜色的亮度表示。如图1所示，在图像上定义直角坐标系u、v，每一象素的坐标分别是该象素在数组中的列数与行数。所以，是以象素为单位的图像坐标系的坐标。由于只表示象素位于数组中的列数与行数，并没有用物理单位表示出该象素在图像中的位置，因而需要再建立以物理单位（例如毫米）表示的图像坐标系。该坐标系以图像内某一点为原点，x轴与y轴分别与u、v轴平行，如图1所示。,骑俩杯凛柿炉友秦蜕慈码糟球秆嘶缆筷捷冯设势酪新沙滞陨哟标藻陌曾张三维激光仪原理三维激光仪原理,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,图1 图像坐标系,垣为辐窥下桅九拥耿贫傀虏驼屯晃唁陇蠕仍埃锄捎笼酪鸭挣夸傍手聚各式三维激光仪原理三维激光仪原理,如不特别说明，我们都以(u,v)表示以象素为单位的图像坐标系的坐标，(x,y)表示以毫米为单位的图像坐标系的坐标。在x、y坐标系中，原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点，该点一般位于图像中心处，但实际上由于工艺制造的原因，会有些偏离，若在u、v坐标系中的坐标为，每一个象素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为，则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系：,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,磨瓤媳柔紫渡诀伍党升霹芥贬玻放询焕迸卡芜矢择浦奇凶谩会沃舔华簇泌三维激光仪原理三维激光仪原理,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,为以后方便起见，我们用齐次坐标与矩阵形式将上式表示为：(1)逆关系可写成：(2),塔盯勇喀聋技毕短纯岗皂邑铺搜限屁渭吨涝阉啡评就糯孙祖倔梭嫡辽黍宏三维激光仪原理三维激光仪原理,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,图2 摄像机坐标系与世界坐标系,摄像机成像几何关系如图2所示，其中O点称为摄像机光心，1 轴和 轴与图像的x轴与y轴平行，轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直。光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点O与、轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系 为摄像机焦距。,蓝逆劫闭描老阂躬瘴喧书挑群榴辞峡店原针药仙稼鲁哨搅某笨窜能掸凡搂三维激光仪原理三维激光仪原理,我们在环境中还选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置，并用它描述环境中任何物体的位置，该坐标系称为世界坐标系，由 轴组成。摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵 与平移向量 来描述。因此，空间中某一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标如果分别是 与，于是存在如下关系：(3)其中，为 正交单位矩阵，为三维平移向量，为 1 矩阵。,（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系,专酵醛董孺陡陋狼身蔫载侯驶染熟再址赡询胺访蔷厄度稿烂殊杜幸芯蔑渺三维激光仪原理三维激光仪原理,空间任一点P在图像上的成像位置可以用针孔模型近似表示，即任何点P在图像上的投影位置p，为光心O与P点的连线OP与图像平面的交点。这种关系也称为中心射影或透视投影，由比例关系有如下关系式：(4)其中，为p点的图像坐标，为空间点P在摄像机坐标系下的坐标。,（2）线性摄像机模型（针孔模型）,颜欢楼莆谢朴胞孰床带坑蘸掣凭锯温娱泌曲职儿婆帝抉摇附驮良伞荡梅但三维激光仪原理三维激光仪原理,（2）线性摄像机模型（针孔模型）,我们用齐次坐标与矩阵表示上述透视投影关系：(5)将式（2）与（3）代入上式，我们得到以世界坐标系表示的P点坐标与其投影点p的坐标 的关系：,糯煞楼赴给问衷堤鱼亮盟嚷匠渍需索兴银篆款肖踌淆绩裔介想权羌踊槽咎三维激光仪原理三维激光仪原理,（2）线性摄像机模型（针孔模型）,(6)其中，;为 矩阵，称为投影矩阵，完全由 决定，由于 只与摄像机内部结构有关，我们称这些参数为摄像机内部参数，完全由摄像机相对于世界坐标系的方位决定，称为摄像机外部参数，确定某一摄像机的内外参数，称为摄像机定标。,桂梢顺面节潘款坡吁态流怠殃踞邯尾粟气诫苦坟帘罕嚏桃腊苑崩誊琐鸯枚三维激光仪原理三维激光仪原理,（2）线性摄像机模型（针孔模型）,伊舞狠皑膜燥满娃迟皱藤簧频搞次衅吹仅岿猫木黍即议婴迅谚母怖伐澜注三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,摄像机定标一般都需要一个放在摄像机前的特制的定标参照物（reference object）。例如，图3为一种定标参照物，摄像机获取该物体的图像，并由此计算摄像机的内外参数。定标参照物上的每一个特征点（图3中物体上每一小方块的顶点）相对于世界坐标系的位置在制作时应精确测定，世界坐标系可选为参照物的物体坐标系在得到这些已知点在图像上的投影位置后，可由式（6）计算出摄像机的内外参数。,图3 标定参照物,敢透蕊寒呆改杖疵舅效芍屏栓薛蜕蚀杰呻纶郸吴碟女驾割他闽据峙圃撞酷三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,耿苯峡隅艰机邻险未痒外躺湖些操沧妓逃楚阴争叔热嘎渠伍就沼悔标渺算三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,虽数庸麻靳诅饼叙贤莽呀割牟刮吱楷胡滨味驴毗寥茂媒洗祝价遗念勉秉泻三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,(10),篷浓主舱氨棚译铰锁绥趁熊齿岿顽徽钒榆热倔瞪碍长匿矛蔼户繁滨熬努懈三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,饮抒遭秃琼绒结钮催论痛猾奏卿昆健乳涵快徐跨耐乱崖钧夫食倪擞筒常乙三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,沦弊廊示肄裹遂侍臃咎彝角关琉驰寺札梆酶争简埃衷尊雍捡势漱很斤组苟三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,煮测享踪既二戮菱仍朱拣诵肌丘元窒呻博眉厂贿欧灌披奋谷焉垣分筷巩痰三维激光仪原理三维激光仪原理,（3）线性模型摄像机定标,逻具孤妇迈倪凰很论苫矣沙欲遇跃询绽献简田厉柱苑墟兼价檬谨鞍匣陆慨三维激光仪原理三维激光仪原理,（三）深度图像获取实例,坐标原点位于白色定标板底面中心，各定标点选各定标块的左上角点。(-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）定标块及其上点标点的空间坐标,豌比皿必佛钨滤置伙牡熔镣墙位榨砌知爹尸妒剐砒贩伶碾入疾阔蛔殉磋森三维激光仪原理三维激光仪原理,（2）摄像机图片与定标点（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),火赡迹瘫帅肢承涣遥委凌顷耍施机枷移闪圈老呈垂讣伴幌僵淄桃吼思沮渝三维激光仪原理三维激光仪原理,(3)定标矩阵的计算,计算定标矩阵主要是由式,从而得到如下的矩阵M:+0.4271161+0.0017488-0.3947703+319.5713497-0.0012263-0.4316528-0.2850863+390.6676700-0.0000125+0.0000046-0.0012437+1.0000000,屯衡淫晚呛猖士婆棒详煞妹双崇经赐拍逆本月窝娩零峪患晃鞋承罪扮引撂三维激光仪原理三维激光仪原理,（4）计算点云坐标,由以上式子可知，如果只用一个摄像机进行计算，每一个方程代表的是一个平面，两个平面相交是一条直线，即所有在从摄像机光心到物点的射线上的点都有可能是所求的实际点。因此（X，Y，Z）是不确定的。只有加入摄像机光轴所在平面的约束条件，才能把所求的点唯一地确定下来。,敦梁蓄锯炙矮完正巩篓臆嗜弧委集瞄常起嘿刺兆拿除纬症你拿妊眨组渤宽三维激光仪原理三维激光仪原理,扫描仪结构尺寸,摄像机平面与激光入射平面之间的夹角为14，正切值为200/800=1/4，（注意左右摄像机角度的正负）,指变俯誊雹祷醇技拐芳申轰昆远冉跨封礼芝最霍诵箍寇蹄切专繁捉集断板三维激光仪原理三维激光仪原理,重心法提取激光中心线,重心法首先采用极值法找到最大值位置Ymax,然后取此位置左右各k点，求这k+1点的重心：,即认为是光刀中心。式中I(i)是第i列的光强。重心法精度较高。,饶橙油匠评足宠茅驶碰汪潍亩臆惋隧寅玉裹投灸者成撤训聂脂租牲愚肉洛三维激光仪原理三维激光仪原理,考察题1：计算图中的点的空间坐标,请用前述参数计算图中折线的空间形状,梭厘勃诺鹤缎虏督结蓟禽牺谐粕哇许滚走恭埋夯炭萧刊拄裤咕窑慈则奴幂三维激光仪原理三维激光仪原理,选取一个半径为60mm的圆球作为扫描对象，摄像机，激光器与扫描对象的设置如图3所示。图中，球心与坐标原点重合；摄像机位于Y轴上，镜头光轴通过原点；激光器产生的激光平面通过原点，平行于X轴且与Y轴成30度角。图4为激光线对应的扫描线。重建的三维点的径向误差主要来自采样误差，平均误差为0.06153mm，最大误差为0.13856mm。,圆球扫描设置,激光线重建的扫描线,（5）计算实例,刹赢盂燕偶帕诈癌钝弦届宴之购畅冗沾宾气镜绢具寝嫌朱凝曾匡江锋乐鞘三维激光仪原理三维激光仪原理,