一种跟踪扫描仪的自适应实时快标方法及系统与流程

本技术涉及三维扫描的，尤其是涉及一种跟踪扫描仪的自适应实时快标方法及系统。

背景技术：

1、跟踪式三维扫描系统由手持式扫描头（scanner）和固定式光学跟踪器（tracker）两部分组成。扫描头一般为手持，其通过扫描头上的结构光或激光线对被测物体进行局部高精度三维数据采集，跟踪器则通过持续观测安装在扫描头上的若干标记点来实时确定扫描头的空间位姿，从而将各帧扫描数据统一拼接至全局坐标系，实现大范围、高精度三维测量。

2、在上述系统中，扫描头坐标系与跟踪器坐标系之间的外参变换矩阵（包含旋转矩阵r和平移向量t）是系统精度的核心参数，业内将其求解过程称为“快速标定”或“快标”。该外参的准确性直接决定了点云拼接精度，进而影响最终测量结果的可靠性。

3、现有技术中，扫描头与跟踪器之间的标定方案主要存在以下两类：

4、第一类为离线预标定方法：如公开号为cn224517750u，名称为：一种适用于三维扫描装置的半自动标定装置的实用新型中的实施例2所示，操作者在正式扫描前，手持或通过支架使得专用标定杆按照规定动作在跟踪器视场内运动，系统利用标定杆上精确已知的几何特征与跟踪器的测量值进行最优化拟合，一次性求解外参变换矩阵。该方法的缺陷在于：

5、（1）标定过程独立于扫描作业，造成工作流程中断，降低操作效率；

6、（2）扫描过程中因环境温度变化、机械振动、设备碰撞等因素导致的外参漂移无法被实时感知和补偿，导致长时间扫描后精度劣化；

7、（3）当设备位置发生移动或跟踪器重新架设后，必须重新执行完整标定流程；

8、（4）标定杆作为专用附件增加了携带负担，且存在意外损坏导致无法开展作业的风险。

9、第二类为基于专用基准件的离线标定方法：如公开号为cn224517750u，名称为：一种适用于三维扫描装置的半自动标定装置的实用新型中的实施例1所示，采用三维标定板或特制三维基准体作为标定靶，通过扫描标定靶所得点云与已知cad模型之间的配准误差作为优化目标求解外参。该方法在精度上优于标定杆方法，但同样需要专用附件且不能实现在线更新，其本质仍属离线静态标定。

10、上述两类现有方案均未能解决扫描作业过程中外参在线动态更新的问题，且均依赖额外的专用标定工具，限制了系统在复杂工业现场的实用性。

11、此外，部分现有产品虽然引入了云台自动校准机制，但该机制本质上是对云台转轴机械角度的物理对准，并非扫描头坐标系与跟踪器坐标系之间外参变换矩阵的在线优化，与本发明所要解决的技术问题存在本质区别。

12、因此，本领域迫切需要一种能够在不依赖专用标定工具的前提下，在扫描作业过程中实时、自适应地完成跟踪标定的技术方案。

技术实现思路

1、为了在扫描作业过程中实时、自适应地完成跟踪标定，本技术提供一种跟踪扫描仪的自适应实时快标方法及系统。

2、第一方面，本技术提供一种跟踪扫描仪的自适应实时快标方法，采用如下的技术方案：

3、一种跟踪扫描仪的自适应实时快标方法，包括以下步骤：

4、进行系统初始化并获取扫描头上各标记点在扫描头坐标系中已知三维坐标；

5、利用跟踪器采集所述扫描头对应的标记点坐标集合并结合所述已知三维坐标进行初始外参估计；

6、在扫描作业过程中，获取跟踪器对当前帧可见标记点的三维坐标观测值；

7、基于所述已知三维坐标和所述三维坐标观测值，通过刚体不变性约束构建关于外参变换矩阵的误差目标函数；

8、基于所述误差目标函数，对所述外参变换矩阵进行在线迭代更新，得到当前帧的更新外参矩阵；

9、利用所述更新外参矩阵，将当前帧的扫描点云由所述扫描头坐标系变换至全局坐标系，采用所述当前帧的所述更新外参矩阵将在线标定结果实时融合进点云拼接过程中。

10、在其中的一些实施例中，利用跟踪器采集所述扫描头对应的标记点坐标集合并结合所述已知三维坐标进行初始外参估计，包括以下步骤：

11、控制所述扫描头在所述跟踪器视场内以至少三个不同姿态停留，获取各姿态下所述跟踪器对所述标记点的空间坐标观测值作为所述标记点坐标集合；

12、基于各姿态下的所述标记点坐标集合和所述已知三维坐标，通过点集配准算法计算所述扫描头坐标系与所述跟踪器坐标系之间的初始外参变换矩阵。

13、在其中的一些实施例中，基于所述已知三维坐标和所述三维坐标观测值，通过刚体不变性约束构建关于外参变换矩阵的误差目标函数，包括以下步骤：

14、针对每个可见标记点，计算所述已知三维坐标经所述外参变换矩阵变换后与所述三维坐标观测值之间的重投影残差；

15、基于所述可见标记点的观测置信度、几何贡献度以及所述重投影残差，确定该可见标记点的自适应权重；

16、利用鲁棒核函数对各可见标记点的所述重投影残差进行非线性映射，并结合所述自适应权重进行加权求和，得到所述外参误差目标函数。

17、在其中的一些实施例中，基于所述误差目标函数，对所述外参变换矩阵进行在线迭代更新，得到当前帧的更新外参矩阵，包括以下步骤：

18、采用滑动窗口迭代优化算法对所述误差目标函数进行最小化求解，得到当前帧的优化外参矩阵；

19、利用卡尔曼滤波器将所述优化外参矩阵与历史外参矩阵进行融合平滑，得到所述更新外参矩阵。

20、在其中的一些实施例中，所述滑动窗口迭代优化算法的窗口大小根据标定精度动态调整，具体包括：

21、当检测到所述扫描头的姿态变化率大于预设运动阈值时，缩小所述窗口大小；

22、当所述姿态变化率小于或等于所述预设运动阈值，且历史若干帧的所述重投影残差处于稳定状态时，扩大所述窗口大小。

23、计算得到所述初始外参变换矩阵之后，还包括对所述初始外参变换矩阵进行有效性校验，所述有效性校验至少包括以下一种：

24、第一种校验：

25、计算所述已知三维坐标经所述初始外参变换矩阵变换后与对应三维坐标观测值之间的三维配准残差是否满足预设的第一条件，若满足，则判定初始标定有效并进入所述扫描作业过程，若不满足，则生成重新执行初始标定提示；

26、第二种校验：

27、计算所述初始外参变换矩阵对应的重投影残差均方根值以及所用标记点的空间分布条件数；

28、当所述重投影残差均方根值满足第二条件，且所述空间分布条件数满足第三条件时，判定初始标定有效并进入所述扫描作业过程，若不满足，则生成重新执行初始标定提示。

29、在其中的一些实施例中，利用所述更新外参矩阵，将当前帧的扫描点云由所述扫描头坐标系变换至全局坐标系，包括以下步骤：

30、获取所述跟踪器测量的所述扫描头在当前帧的实时位姿矩阵；

31、将所述实时位姿矩阵、所述更新外参矩阵与所述扫描点云依次相乘，得到所述全局坐标系下的全局点云数据。

32、在其中的一些实施例中，还包括以下步骤：

33、实时监测所述更新外参矩阵的更新幅度、当前帧的所述重投影残差以及设备工作温度变化量；

34、当所述重投影残差连续超过预设残差阈值，或所述设备工作温度变化量超过预设温差阈值时，触发软重标定流程；

35、当所述更新幅度超过预设漂移门限时，触发硬重标定提示。

36、在其中的一些实施例中，还包括：

37、在所述软重标定流程中，利用当前扫描场景中积累的多帧标记点观测数据，重新求解所述初始外参变换矩阵以更新所述外参变换矩阵，且不中断当前扫描作业；

38、在所述硬重标定流程中，生成暂停扫描提示信号，以指示操作者重新执行多姿态停留的初始外参估计流程。

39、第二方面，本技术提供一种跟踪扫描仪的自适应实时快标系统，采用如下的技术方案：

40、一种跟踪扫描仪的自适应实时快标系统，包括：

41、跟踪扫描装置，由扫描头和跟踪器组成，其中，所述扫描头外壳上设置有若干非共面反光的标记点，且若干所述标记点的排列确保在任意扫描姿态下，所述跟踪器视场内的可见标记点数量不少于四个，各所述标记点之间的间距不小于预设值，且任意三点不共线；

42、在线标定处理单元，用于进行系统初始化并获取扫描头上各标记点在扫描头坐标系中已知三维坐标，获取所述跟踪器所采集的所述扫描头对应的标记点坐标集合并结合所述已知三维坐标进行初始外参估计，在扫描作业过程中，获取跟踪器对当前帧可见标记点的三维坐标观测值；基于所述已知三维坐标和所述三维坐标观测值，通过刚体不变性约束构建关于外参变换矩阵的误差目标函数；基于所述误差目标函数，通过动态的自适应权重对所述外参变换矩阵进行在线迭代更新，得到当前帧的更新外参矩阵；

43、点云融合单元，用于利用所述更新外参矩阵，将当前帧的扫描点云由所述扫描头坐标系变换至全局坐标系，采用所述当前帧的所述更新外参矩阵将在线标定结果实时融合进点云拼接过程中。

44、通过本技术实施例提供的技术方案，存在以下技术效果：

45、无需专用标定工具：彻底消除了对标定杆、标定板等专用附件的依赖，降低了系统配置成本，避免了因附件损坏或遗失导致的作业中断风险。

46、标定与扫描同步进行：外参标定流程完全内嵌于扫描作业，操作者无需切换操作模式或中断测量，显著提升工作效率，尤其有利于现场快速检测场景。

47、实时补偿外参漂移：系统在扫描全程持续监测并更新外参，能够自动补偿温度变化、机械振动等因素引起的外参漂移，保证长时间、大范围扫描的精度稳定性。

48、自适应质量控制：通过对标记点可见性、几何分布及残差的实时评估，系统能够动态调整标定权重和更新频率，在各种复杂工况下均保持标定的可靠性。

49、冗余增强鲁棒性：扫描头上多个标记点的设计保证了在部分遮挡情况下仍有足够的有效观测约束，通过huber核函数实现的鲁棒估计进一步抑制了异常观测的干扰。