三維激光掃描儀原理

《三維激光掃描儀原理》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、三維激光掃描儀原理（一）結(jié)構(gòu)光測(cè)距基本原理結(jié)構(gòu)光測(cè)距是一種既利用圖像又利用可控光源的測(cè)距技術(shù)。其基本思想是利用照明光源中的幾何信息幫助提取景物中的幾何信息。利用光平面照射在物體表面產(chǎn)生光條紋，在拍攝的圖像中檢測(cè)出這些條紋，它們的形態(tài)和間斷性，構(gòu)成了物體各可見(jiàn)表面與相機(jī)之間的相對(duì)測(cè)度。結(jié)構(gòu)光從光源的幾何形狀上說(shuō)有點(diǎn)狀、條狀、網(wǎng)狀等許多種。可以采用激光或白光。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可以減少計(jì)算的復(fù)雜性，掃描速度快，量測(cè)精度高，因而在許多三維掃描系統(tǒng)中得到應(yīng)用。這一技術(shù)特別適用于室內(nèi)環(huán)境，物體表面反射情況比較好的場(chǎng)合。如圖1所示，線光源產(chǎn)生狹窄的激光平面（寬度小于0.4mm），投射于被掃描物體表面，形

2、成一條光條紋，攝像機(jī)光軸與激光投射面L成一個(gè)角度α。這樣，攝像機(jī)拍攝的光條紋圖像不是一條直線，其形狀就反映了物體表面的形狀，在一幅圖像中可以算出所有位于激光照射線上的點(diǎn)的深度和高度。當(dāng)物體以固定的角速度ω旋轉(zhuǎn)一周，激光投射面L掃過(guò)物體表面，其上所有點(diǎn)的深度和高度信息都可以算出，如果用柱坐標(biāo)系，取h軸與物體旋轉(zhuǎn)軸重合，那么物體表面上每一點(diǎn)的極角坐標(biāo)可以從ω算出。（二）線性模型攝像機(jī)定標(biāo)計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)是從攝像機(jī)獲取的圖像出發(fā)，計(jì)算三維環(huán)境物體的位置、形狀等幾何信息，并由此重建和識(shí)別環(huán)境中的物體。圖像上每一點(diǎn)的亮度反映了空間物體表面某點(diǎn)反射光的強(qiáng)度，而該點(diǎn)在圖像上的位置則與空間物體表面相應(yīng)點(diǎn)的幾何位

3、置有關(guān)。這些位置的相互關(guān)系，由攝像機(jī)成像幾何模型所決定。該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)，這些參數(shù)必須由實(shí)驗(yàn)與計(jì)算來(lái)確定，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的過(guò)程稱為攝像機(jī)定標(biāo)。攝像機(jī)模型是光學(xué)成像幾何關(guān)系的簡(jiǎn)化。這一節(jié)講述比較簡(jiǎn)單的模型——線性模型或稱針孔模型（pin-holemodel）。（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系攝像機(jī)采集的數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)為MN數(shù)組，M行N列的圖像中的每一個(gè)元素（稱為象素，pixel）的數(shù)值即是圖像點(diǎn)的亮度（或稱灰度）。若為彩色圖像，則圖像上象素的亮度將由紅、綠、藍(lán)三種顏色的亮度表示。如圖1所示，在圖像上定義直角坐標(biāo)系u、v，每一象素的坐標(biāo)分別是該象素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)。所以

4、，是以象素為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。由于只表示象素位于數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)，并沒(méi)有用物理單位表示出該象素在圖像中的位置，因而需要再建立以物理單位（例如毫米）表示的圖像坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以圖像內(nèi)某一點(diǎn)為原點(diǎn)，x軸與y軸分別與u、v軸平行，如圖1所示。（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系圖1圖像坐標(biāo)系如不特別說(shuō)明，我們都以(u,v)表示以象素為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，(x,y)表示以毫米為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。在x、y坐標(biāo)系中，原點(diǎn)定義在攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，該點(diǎn)一般位于圖像中心處，但實(shí)際上由于工藝制造的原因，會(huì)有些偏離，若在u、v坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為，每一個(gè)象素在x軸與y軸方向上的物理尺寸

5、為，則圖像中任意一個(gè)象素在兩個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)有如下關(guān)系：（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系為以后方便起見(jiàn)，我們用齊次坐標(biāo)與矩陣形式將上式表示為：(1)逆關(guān)系可寫(xiě)成：(2)（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系圖2攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系攝像機(jī)成像幾何關(guān)系如圖2所示，其中O點(diǎn)稱為攝像機(jī)光心，1軸和軸與圖像的x軸與y軸平行，軸為攝像機(jī)的光軸，它與圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點(diǎn)，即為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)，由點(diǎn)O與、、軸組成的直角坐標(biāo)系稱為攝像機(jī)坐標(biāo)系為攝像機(jī)焦距。我們?cè)诃h(huán)境中還選擇一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系來(lái)描述攝像機(jī)的位置，并用它描述環(huán)境中任何物體的位置，

6、該坐標(biāo)系稱為世界坐標(biāo)系，由軸組成。攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量來(lái)描述。因此，空間中某一點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)如果分別是與，于是存在如下關(guān)系：(3)其中，為正交單位矩陣，為三維平移向量，，為1矩陣。（1）圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系空間任一點(diǎn)P在圖像上的成像位置可以用針孔模型近似表示，即任何點(diǎn)P在圖像上的投影位置p，為光心O與P點(diǎn)的連線OP與圖像平面的交點(diǎn)。這種關(guān)系也稱為中心射影或透視投影，由比例關(guān)系有如下關(guān)系式：(4)其中，為p點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，為空間點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。（2）線性攝像機(jī)模型（針孔模型）（2）線性攝像機(jī)模型（針孔模型

7、）我們用齊次坐標(biāo)與矩陣表示上述透視投影關(guān)系：(5)將式（2）與（3）代入上式，我們得到以世界坐標(biāo)系表示的P點(diǎn)坐標(biāo)與其投影點(diǎn)p的坐標(biāo)的關(guān)系：（2）線性攝像機(jī)模型（針孔模型）(6)其中，;為矩陣，稱為投影矩陣，完全由決定，由于只與攝像機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，我們稱這些參數(shù)為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，完全由攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的方位決定，稱為攝像機(jī)外部參數(shù)，確定某一攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，稱為攝像機(jī)定標(biāo)。（2）線性攝像機(jī)模型