一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统和方法

本发明涉及光学三维测量，尤其涉及一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统和方法。

背景技术：

1、在工业制造向智能制造与数字化工厂转型的过程中，自动化生产中的定位、识别与装配精度直接决定了产品质量与生产效率。光学三维测量技术凭借非接触、高精度的优势，已成为上述环节不可或缺的关键手段，为各类工艺过程提供精准可靠的数据支撑，并在工业制造领域获得广泛应用。随着工业4.0理念不断深入，工业检测、机器人视觉引导、逆向工程、质量控制等核心应用场景对三维测量技术的测量速度与检测效率提出了更高要求，现有技术已难以满足实际生产中高效化与精准化的应用需求，因此，开发更具优势的新型三维测量技术，成为当前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

2、当前工业领域广泛采用的传统三维测量技术主要包括激光点扫描法、结构光法和激光线扫描法。其中，激光点扫描法虽可实现较高的测量精度，但测量速度缓慢、检测效率低，难以适应大规模、高效率的工业生产检测需求；结构光法测量速度较快，然而抗干扰能力弱，易受环境光影响，且对高反光表面适应性差，复杂工况下的测量精度难以保证；激光线扫描法稳定性较强，不易受环境光干扰，但测量视角受限，对具有复杂几何特征的被测物体易产生遮挡，导致测量数据不完整，加之单次扫描仅能获取单条轮廓的三维信息，采集数据量有限，同样难以满足高效、全面的测量需求；而单色多线激光，虽然拥有扫描速度快，效率高的特点，但是在立体匹配过程中，算法较为复杂，计算速度不够快，对计算机资源的占用较多。

3、在现有光学三维测量方法中，仍存在若干亟待解决的技术难题：第一，高反光表面容易引发结构光过曝，严重影响三维测量精度，难以满足高精度检测要求；第二，遮挡与测量盲区问题普遍存在。由于光学测量依赖于三角几何关系，被测物体上的深孔、凹槽、内壁等复杂结构会天然形成视觉盲区，导致测量数据缺失或不完整；第三，测量精度与速度难以兼顾。现有光学三维测量技术通常无法同时实现高速度与高精度，难以适应工业生产对高效、精准测量的双重需求；第四，立体匹配的计算较慢，导致三维重建的计算速度慢，通常难以满足实时的三维重建任务。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统和方法，解决现有单激光线扫描三维测量系统测量速度慢、效率低，以及单色多线激光算法复杂，计算速度慢，对计算机资源占用多的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统，包括：

3、激光扫描单元，用于搭载多组不同颜色的一字线激光器，通过旋转实现多色激光摆线式扫描投射，向被测物体表面持续投射不同颜色的线激光条纹，并建立电机转角与激光平面的映射关系；

4、多视觉图像采集单元，用于通过共面布设的相机同步采集被测物体表面的多色激光条纹图像，获取同一视场下的左右视角原始图像数据；

5、控制与数据处理单元，用于控制激光扫描单元的转动速度与角度，实现精准定位，并对采集的激光图像进行数据处理与分析；

6、同步触发模块，用于生成同步触发信号，控制相机同步曝光采图；

7、三维重建模块，基于采集的图像数据，解算三维坐标，重构被测物体三维点云模型，并完成点云后处理优化，输出高精度三维形貌数据。

8、优选的，激光扫描单元包括设置于支撑结构上的步进电机，步进电机的输出轴与转盘连接，转盘上周向均匀布设有若干彩色的一字线激光器，各个彩色的一字线激光器的光轴均与旋转步进电机的旋转轴线垂直相交。

9、优选的，多视角图像采集单元包括两个工业相机，两个工业相机采用共面、线性排列的方式安装在支撑结构上，各工业相机的光轴均朝向预设测量区域，协同覆盖一个连续的测量视场。

10、优选的，控制与数据处理单元包括工业pc和主板，主板上设置有控制器，控制器与定时器电连，控制器通过输出脉冲信号，对步进电机的旋转角度与旋转速度进行控制，同时基于步进电机转轴上的增量式编码器反馈信号，实时获取并校正步进电机的角度位置，工业pc负责对采集到的图像数据进行后续处理与分析。

11、优选的，同步触发模块集成于主板上，通过对步进电机的控制脉冲进行计数，或接收步进电机转轴上的增量式编码器的反馈信号，在预设角度位置生成同步触发信号，控制工业相机实现同步曝光。

12、优选的，三维重建模块基于采集到的图像数据，对被测物体的三维特征进行重建，最终生成完整、精准的三维点云数据，为后续的测量分析、质量检测提供数据支撑。

13、本发明所述的一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统的测量方法，包括以下步骤：

14、步骤一，多工业相机全局标定：以高精度的棋盘格标定板为标定基准，采集多组不同姿态下的棋盘格标定板图像，解算各工业相机的内部参数、外部参数及工业相机间相对位姿关系，以此完成多工业相机全局标定；

15、步骤二，步进电机控制与图像同步采集：控制器依据预设扫描速率，依托定时器输出恒定频率的脉冲信号，驱动步进电机保持匀速运转，并控制步进电机以固定角度间隔完成步进转动与高精度定位，利用增量式编码器实时反馈步进电机转轴转角位置，在步进电机转动至各个预设角度位置时，同步触发两个工业相机，采集投射于被测物体或棋盘格标定板表面的激光线图像；

16、步骤三，激光图像预处理与光条中心提取：对采集的激光线图像实施预处理操作，并划定图像感兴趣区域roi，剔除无效背景与无关区域干扰，采用steger算法对预处理后的图像开展线激光中心提取，求解光条亚像素级中心点坐标，实现激光线条的高精度定位，为后续激光条纹匹配、三维坐标解算及三维点云重构提供原始数据支撑；

17、步骤四，激光条纹匹配：结合两个工业相机共面布设的结构特征，以极线为约束基准，筛选出落在极线上的同色线激光光条亚像素中心点坐标，完成左右视图激光特征点坐标的一一对应匹配，输出高精度有效特征点坐标；

18、步骤五，三维坐标解算与三维点云重构：结合多工业相机全局标定所得的内外参数、各角度对应的激光平面方程以及经激光条纹匹配后的有效特征点坐标，采用前方交会算法解算目标测点深度信息，求解各激光特征点对应的三维世界坐标，实现单点高精度空间定位；

19、遍历全部采样角度下的激光光条提取点与匹配点集，逐点完成三维坐标解算，整合所有有效空间测点数据，完整重构被测物体表面的三维点云模型；

20、步骤六，三维点云后处理优化：对上述步骤计算得到的三维点云模型数据进行滤波、配准及曲面重建后处理操作，去除点云噪声、弥补数据缺失，优化点云质量，最终生成完整、光滑的高质量三维点云模型。

21、优选的，步骤一中，标定过程中，将标定板在待测物体完整深度区间内多角度、大范围移动摆放。

22、优选的，步骤四中，各个一字线激光器发射波长、出射颜色互不相同，在线激光测量场景下，同一空间位置的线激光条纹同步成像于左右工业相机视图，以此作为激光中心特征的匹配依据。

23、本发明所述的一种基于多色激光摆线扫描的多视角三维测量系统和方法优点和积极效果是：

24、1、本发明创造性地采用步进电机作为激光扫描单元的驱动方案，在充分保障共面多视角布局、旋转多线激光摆线扫描的基础上，相较于现有技术中采用伺服电机、精密导轨等高价驱动部件的方案，大幅降低了系统整体硬件成本、装配成本及调试成本，有效解决了现有高精度三维测量系统普遍存在的成本偏高、性价比不足、难以实现批量推广与工业规模化应用的行业痛点；同时，步进电机的驱动控制逻辑成熟、抗干扰能力强，可与本发明的共面多相机布局、多线激光扫描策略形成良好协同，在控制成本的前提下，保持测量精度与系统稳定性，可广泛适配中高端工业测量场景的成本需求；

25、2、本发明提出共面线性多视角与旋转多线激光摆线扫描相结合的混合式三维扫描架构，突破了传统三维测量技术中单一激光线扫描效率低下、单一多视角测量覆盖不全面的技术局限，实现了测量性能的跨越式提升；其中，共面线性多视角布局可实现对被测物体复杂表面特征的全面覆盖，减少单一视角测量的盲区，保障测量数据的完整性；旋转多线激光摆线扫描则通过多线激光的同步旋转扫描，大幅提升了测量速度，解决了传统单一线激光扫描效率低、难以满足工业在线检测节拍需求的问题；采用颜色不同的线激光器，使得在进行立体匹配时，能够大大降低计算的复杂度，提高双目视图下线激光匹配的速度，减少对计算机资源的占用；

26、3、本发明采用的共面线性多视角与旋转多线激光的布局设计，简化了系统的机械结构设计、现场安装及后期校准流程，无需复杂的机械对位调试与空间姿态校准，降低了现场安装的技术门槛与工作量，可快速完成系统部署；同时，步进电机作为工业领域普及度极高的驱动部件，不仅控制逻辑简便、运行稳定，且采购成本低、维护便捷，结合其成熟的工业应用体系，大幅降低了系统的制造、安装及后期维护成本，减少了现有高精度测量系统对专业运维人员依赖度高、维护成本高的问题；该布局设计与控制可适配工业现场的振动、粉尘、温度波动等复杂环境，抗干扰能力强，测量稳定性佳，特别适用于工业现场的批量部署和在线实时检测场景，能够精准匹配工业生产高效、便捷、稳定的实际需求，为工业三维测量的规模化应用提供了可行的技术方案。

27、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。