一种3D点云坐标生成装置的制作方法

一种3d点云坐标生成装置
技术领域
1.本发明属于机器视觉、人工智能和3d传感器装备技术领域。


背景技术：

2.目前，基于led结构光投影的3d相机，由于使用的是视差法生成3d 坐标，在对高反光物体、黑色低反光物体、表面油污以及复杂强环境光的被测物体成像有很多局限。即使是使用doe激光投影机的3d相机，投影固定无编码的图案，在高精度要求或大视野的情况下，单纯使用格雷码和相移码投影结构光方法很容易被干扰，导致成像不清晰，使得成像像素与投影空间难以形成一一对应关系，导致无法精确计算出每一个成像像素的xy坐标，进而无法计算z轴坐标。
3.由此可以看出，要使3d相机解决上述问题，就必须从结构光编码、投影装置和抗干扰光源等方面进行创新解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种3d点云坐标生成装置，其关键是，针对被测物体的复杂环境影响，设计多种编码方式，激光编码投影装置通过投射一字线激光，利用激光振镜旋转形成激光阵面，投射多幅携带编码信息的面阵光到被测物体，经相机传感器采集被测物体反射光形成的多幅由像素组成的图像数据，计算装置处理采集的像素图像数据，利用光刀平面与相机小孔成像原理，从而生成被测物体每个像素的3d坐标信息。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种生成3d点云坐标的装置，由编码装置、投影装置、图像采集装置和计算装置组成。其特征在于，编码装置驱动激光发射器发射一字线激光，由激光扫描装置装置多次扫描生成n帧携带编码信息的面阵投影，投影装置依次将投影编码投射到需要生成3d点云坐标的被测物体上，同时利用相机传感器依次采集物体上反射形成的n帧像素图像，计算装置通过计算采集的n帧像素，生成该物体的3d点云坐标。该方法还包括以下步骤：
7.a、计算装置接收外部拍照指令，通知编码装置，投影装置预存n帧投影编码；
8.b、编码装置向投影装置发出投影编码；
9.c、投影装置将携带编码的激光投射到被测物体上；
10.d、光学传感器采集物体反射的由像素形成的一帧图像；
11.e、计算装置预处理采集的图像；
12.f、重复步骤b，直至将n帧图像采集完成；
13.g、计算装置处理n帧图像及其预处理结果，利用一字线激光形成的光刀平面与被测物体表面相交形成的线，通过采集的多帧成像图像，计算线上每个像素对应的x轴和y轴坐标，利用小孔成像原理计算z轴形成的3d点云坐标生成每个像素对应被测物体的x轴、y轴和z轴形成的3d点云坐标；
14.较佳地，投影装置由激光发射器和激光振镜组成。
15.较佳地，标定激光振镜的安装误差，将误差数据提供给计算装置，对3d 坐标生成做自动补偿。
16.更进一步，所述编码装置的n帧投影编码，是一种计算装置计算由相机采集到的被测物体图像像素坐标的方法，投影装置将带编码信息的投影图像按顺序投射到被测物体上，投影编码包含不仅限于，a)格雷码；b)按二进制位取反的格雷码；c)相移码；d)全零编码；e)全1编码。
17.计算装置通过计算采集的n帧像素图像，生成该物体的3d点云坐标，该方法进一步包括但不仅限于：a)利用格雷码信息生成被采集像素的x和y轴坐标；b)利用相移码信息生成被采集像素的x和y轴坐标；c)利用相移码信息和格雷码信息配合生成被采集像素的x和y轴坐标；。
18.较佳地，为了抗干扰和提高3d坐标的精度，利用相移码信息和格雷码信息配合生成被采集像素的x和y轴坐标的方法，相移码计算被采集像素的x轴和y轴坐标，格雷码计算像素的相移周期。
19.较佳地，为适应不同的成像环境，用全零编码投影和全1编码投影，采集被测物体的成像，标定格雷码的零
‑
1阀值。
20.所述投影装置，由激光发射器和扫描装置组成。该装置包括以下步骤：
21.a、激光发射器按照接收编码装置的控制信息发射激光到扫描装置；
22.b、扫描装置按照接收编码装置的控制信息旋转一个角度，将步骤a的激光反射到被测物体上；
23.较佳地，激光发射器为一字线激光发射器，激光发射器的亮度灰度可以根据输入不同的激励电压调节。
24.较佳地，扫描装置采用激光振镜，且激光振镜的旋转范围弧度和旋转最小弧度可以满足相机分辨率的要求，将多个一字线激光形成面阵投影。
25.计算装置预处理采集的图像的方法，其目的在于提高3d点云坐标的生成速度，其特征在于，在投影装置投影下一帧图像以及相机采集这一帧图像的同时，计算装置并行计算处理已经采集的图像信息，处理工作包括，生成像素的格雷码，畸形矫正等处理。
26.较佳地，利用gpu做加速处理。
27.较佳地，利用集成电路芯片asic，fpga，cpld做加速处理。
28.相移码为正玄波曲线上从零度到2π一个周期之间取m个点，且m大于等于1，相邻点的相移为2π/m，投影装置按正弦波一个周期形成不多于m个不同亮度的光线，k步相移投影生成步骤如下：
29.a)、第一帧投影从正玄波曲线上起点s＝零度点，开始生成投射的光线；
30.b)、按正弦波曲线上的下一个点，生成投射的光线；
31.c)、按正弦波周期，重复步骤b)，直到生成投射的光线数量与达到相机的分辨率；
32.d)、起点s＝s 2π/m点，相移2π/m，开始生成投射的光线；
33.e)、重复步骤b)，直到k步相移完成；
34.较佳地，k＝4，使用4步相移；
35.较佳地，k＝16，使用16步相移，以提高3d坐标的精度；
36.较佳地，利用格雷码标定相移码的周期，格雷码计算像素的相移周期，一个格雷码
对应每一个周期的m个点。
37.较佳地，正弦波上m个点对应激光发射器的m个输入激励电压，投影装置发射m个灰度值光线。
附图说明
38.图1所示为应用本发明的原理示意图
[0039][0040]
图2所示为应用本发明算法实施例
[0041][0042]
图3所示为应用本发明第一实施例
[0043][0044]
图4所示为应用本发明第二实施例
[0045]
具体实施方式
[0046]
本发明的思路是：针对被测物体的复杂环境影响，设计多种编码方式，激光编码投影装置通过投射一字线激光，利用激光振镜旋转形成激光阵面，投射多幅携带编码信息的面阵光到被测物体，经相机传感器采集被测物体反射光形成的多幅由像素组成的图像数据，计算装置处理采集的像素图像数据，利用光刀平面与相机小孔成像原理，从而生成被测物体每个像素的3d 坐标信息。
[0047]
图1所示为应用本发明的原理图
[0048]
本发明包括：计算装置，编码装置，激光发射器，扫描装置和相机传感器。
[0049]
其实现过程如下：
[0050]
1013d坐标生成装置接收外部设备拍照指令
[0051]
102计算装置通知编码装置，投影装置预存n帧投影编码；
[0052]
103编码装置按编码向投影装置中的激光发射器和激光振镜同时发出控制信号；
[0053]
104投影装置中的激光振镜发出带编码的投影投射到被测物体上；
[0054]
105相机光学传感器采集由被测物体反射形成的一帧图像；
[0055]
106相机将图像传送给计算装置，计算装置预处理采集的图像；
[0056]
107重复步骤102，直至将n帧图像采集完成；
[0057]
108计算装置处理多帧图像及其预处理结果，利用一字线激光形成的光刀平面与被测物体表面相交形成的线，通过采集的多帧成像图像，计算线上每个像素对应的x轴和y轴坐标，利用小孔成像原理计算z轴形成的3d点云坐标；
[0058]
109计算装置将3d点云坐标发送给外部设备；
[0059]
图2所示为应用本发明算法实施例
[0060]
201预先生成n帧编码信息，其中包含：8帧格雷码，8帧反向给雷码，4 帧相移码，n＝20帧；
[0061]
202投影1帧，编码装置根据编码信息控制激光发射器发光，同时控制激光振镜按分辨率旋转一个弧度，直到一帧投影完成；
[0062]
203相机采集图像，在编码装置控制激光器发光的同时，控制相机曝光采集一帧图像；
[0063]
2043d坐标预处理，在3d坐标生成装置进行下一帧投影和图像采集的过程中，并行处理上一帧采集的数据，包括：uchar类型转为float类型，图像去畸变、高斯模糊；
[0064]
205判断n帧投影图像采集完成，如果未完成，则转向步骤202；
[0065]
206计算像素坐标，解包相移码图像，生成每个像素的x和y轴坐标；
[0066]
2073d坐标生成，利用每个像素的xy坐标、投影装置与相机的距离基线以及投影装置射线到被测物体与基线的夹角，计算装置计算出被测物体的3d坐标。
[0067]
图3所示为应用本发明第一实施例
[0068]
本实施例中包含以下工作单元，其工作原理如下：
[0069]
301计算装置主要由cpu和gpu加速单元完成3d点云坐标的计算生成，输出一个相机拍照信号给编码装置，通过usb高速接口接收相机采集的图像，通过千兆以太网将生成的3d点云坐标传送给外部控制设备；
[0070]
302编码装置由cpld(可编程逻辑阵列)将预先生成的投影编码转换成两路12比特数字控制信号，一路控制激光发射器，另一路控制激光振镜，同时生成一位相机拍照触发信号；
[0071]
303dac控制转换芯片，将302的两路12bit信号转换成两路模拟信号分别控制激光发射器和激光振镜；
[0072]
304激光发射器，根据303的控制信号可以发射出不同亮度的激光到激光振镜；
[0073]
305激光振镜，根据303的控制信号转动镜片角度，将接收的激光投射到被测物体上；
[0074]
306相机传感器，接收编码装置的拍照信号，开始曝光，采集被测物体的图像，将一帧图像通过usb传送给计算装置；
[0075]
图4所示为应用本发明第二实施例
[0076]
本实施例与第一实施例对比，使用了asic集成电路和fpga现场可编程芯片实现3d坐标的计算加速，使用集成了dac转换模块的mcu实现编码装置，其工作原理如下：
[0077]
401计算装置主要由cpu和asic/fpga芯片完成3d点云坐标的计算生成，输出一个相机拍照信号给编码装置，通过usb高速接口接收相机采集的图像，通过千兆以太网将生成的3d点云坐标传送给外部控制设备；
[0078]
402编码装置由集成了双路dac转换模块的mcu将预先生成的投影编码转换成两路模拟控制信号，一路控制激光发射器，另一路控制激光振镜，同时生成一位相机拍照触发信号；
[0079]
403激光发射器，根据402的控制信号可以发射出不同亮度的激光到激光振镜；
[0080]
404激光振镜，根据402的控制信号转动镜片角度，将接收的激光投射到被测物体上；
[0081]
405相机传感器，接收编码装置的拍照信号，开始曝光，采集被测物体的图像，将一帧图像通过usb传送给计算装置。