朱俸儀 楊源 王佳豪 王丁辰 周哲海

摘要：三維掃描技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，但局限于普通芯片對(duì)圖像處理能力的不足，三維掃描的精度往往達(dá)不到要求。推出了基于ZYNQ的線激光三維掃描儀，主要原理是基于激光三角法測(cè)距。首先該儀器在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)CCD會(huì)獲取包含線激光的空間圖像，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑YNQ開發(fā)板上，利用高性能的FPGA模塊對(duì)CCD采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后，利用ZYNQ開發(fā)板上的以太網(wǎng)串口將得到的數(shù)據(jù)傳輸給PC上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)而根據(jù)標(biāo)定參數(shù)作空間轉(zhuǎn)換并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)輸出三維圖像。軟件部分由QT配置PCL庫(kù)開發(fā)上位機(jī)軟件構(gòu)成，能夠調(diào)用PCL庫(kù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維可視化。

關(guān)鍵詞：三維掃描;點(diǎn)云數(shù)據(jù);CCD;ZYNQ;FPGA

中圖分類號(hào)：TP334.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0146-05

0 引言

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及CCD等光電器件的完善和發(fā)展，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的快速發(fā)展。目前，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、物體識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域。激光三角法是一種傳統(tǒng)的非接觸性三維輪廓測(cè)量方法，在物體的輪廓測(cè)量領(lǐng)域中有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，激光掃描三維輪廓測(cè)量技術(shù)對(duì)于靜態(tài)物體的測(cè)量是目前應(yīng)用最廣的方法。目前，市場(chǎng)上對(duì)三維掃描技術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)形成了較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。但其產(chǎn)品在精度、操作便捷性、穩(wěn)定性、以及功耗等方面仍有較大提升空間。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的三維掃描儀基本都是非接觸式、面向工業(yè)級(jí)的高精度三維掃描儀，價(jià)格相對(duì)高昂。因此迫于較高的成本，三維掃描技術(shù)難以在普通消費(fèi)級(jí)層面普及開來(lái)，如果可以在保證較高的精度的同時(shí)把成本降至較低，三維掃描技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，且具有較高的商業(yè)價(jià)值。

1 系統(tǒng)概述

1.1 掃描原理

三維掃描儀是基于三角測(cè)距法的一種能夠獲取三維物體空間坐標(biāo)信息的儀器。一般分為直射式與斜射式兩種，這里我們介紹直射式的原理，如圖1所示。

圖1中豎直向下的箭頭代表激光器發(fā)出的線激光，Δb為激光光斑到CCD中心軸線的距離，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)是固定的，可以認(rèn)為θ是定值。由上述公式可知Δb與Δz呈線性關(guān)系。K的值我們可以通過上位機(jī)軟件對(duì)激光器標(biāo)定求得。

1.2 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)是基于轉(zhuǎn)臺(tái)式的三維掃描儀。機(jī)械部分上端中心點(diǎn)有一個(gè)線激光器，CCD位于機(jī)械臂左端且固定，其下是轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)中心和線激光器處于同一豎直線上，機(jī)械臂固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上方，通過步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件部分，為了確保精度，轉(zhuǎn)臺(tái)為我們自行設(shè)計(jì)的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，步進(jìn)電機(jī)選用型號(hào)為11HS04的單出軸4引線步進(jìn)電機(jī)，通過2PH驅(qū)動(dòng)板及Arduino控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度，CCD采用為普通紅外夜視150度廣角監(jiān)控?cái)z像頭。

軟件部分，在PC端，我們通過下位機(jī)軟件Arduino IDE在窗口中輸入相關(guān)代碼來(lái)控制電機(jī)[1]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理部分由VS2019+QT5.9+PCL1.8編寫的上位機(jī)軟件構(gòu)成，其中VS是編輯環(huán)境，QT插件的使用方便了上位機(jī)GUI的設(shè)計(jì)，調(diào)用開源C++編程庫(kù)PCL進(jìn)行點(diǎn)云相關(guān)的通用算法和高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的移植，從而進(jìn)行高效的點(diǎn)云可視化。軟件結(jié)構(gòu)邏輯框圖如圖3所示。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中的三維掃描儀由軟硬件共同組成，硬件部分主要由CCD、線激光器、步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成。軟件部分主要由上、下位機(jī)軟件共同完成，前者負(fù)責(zé)標(biāo)定校準(zhǔn)，后者負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)和線激光器的驅(qū)動(dòng)。硬件通過軟件來(lái)控并優(yōu)化，最終得到目標(biāo)物體PCD格式的模型掃描文件，并在上位機(jī)端的PCL可視化軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2 標(biāo)定與校準(zhǔn)

在科學(xué)測(cè)量中，標(biāo)定[2]是一個(gè)不容忽視的重要步驟。標(biāo)定的主要作用有三個(gè)方面：確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的輸入—輸出關(guān)系，賦予儀器或測(cè)量系統(tǒng)分度值;確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo);消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或系統(tǒng)的正確度。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定包含三個(gè)部分，分別是CCD的內(nèi)參和外參的標(biāo)定;三角法計(jì)算深度數(shù)學(xué)模型的參數(shù)標(biāo)定;深度圖到點(diǎn)云空間坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型的參數(shù)標(biāo)定。

目前三維測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法大都采用標(biāo)準(zhǔn)模板法，即通過標(biāo)準(zhǔn)模板上三維坐標(biāo)己知的被測(cè)點(diǎn)將傳感器坐標(biāo)系和測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而求得兩個(gè)坐標(biāo)系問的變換方程。而深度圖到點(diǎn)云空間坐標(biāo)的標(biāo)定可以通過數(shù)學(xué)運(yùn)算在軟件層面進(jìn)行標(biāo)定。

2.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)的采集

通過卷尺在地面標(biāo)記從墻面往房間內(nèi)的深度，根據(jù)以標(biāo)記好的深度移動(dòng)激光掃描儀，移動(dòng)過程中將線激光發(fā)射口對(duì)準(zhǔn)刻度，依次移動(dòng)6個(gè)不同的深度，每個(gè)深度對(duì)應(yīng)一段視頻，將所采集的標(biāo)定視頻的每幀圖片進(jìn)行線激光中心條紋提取，其中深度為2.2m和深度為1.6m的處理圖5所示。

2.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合

對(duì)深度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)x軸坐標(biāo)值進(jìn)行最小二乘法擬合，得到擬合曲線如圖6標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合直線圖，最終計(jì)算得到對(duì)應(yīng)擬合方程。

2.3 掃描數(shù)據(jù)的采集與誤差分析

對(duì)于如圖7所示的掃描場(chǎng)景，我們?cè)趯?duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后對(duì)物體進(jìn)行掃描，得到其深度圖以及經(jīng)可視化后的點(diǎn)云圖，分別如圖8和圖9。最終在pc端得到物體1、2、3、4、5、6對(duì)應(yīng)的高度，并將數(shù)據(jù)與用游標(biāo)卡尺測(cè)得的實(shí)際物體高度進(jìn)行對(duì)比和誤差分析。數(shù)據(jù)及誤差分析結(jié)果如表1。通過數(shù)據(jù)分析可知，本設(shè)計(jì)的精度在96%以上，但是由于在此次掃描時(shí)環(huán)境光照過強(qiáng)且桌面為不規(guī)則白色底面，若能在墻面和桌面都為平整的白色漫反射平面且在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行掃描，其精度可穩(wěn)定達(dá)到99%以上。

3 系統(tǒng)特色

本設(shè)計(jì)中，優(yōu)勢(shì)有以下幾方面：一是機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分組成部分是由AutoCAD等制圖軟件繪圖后經(jīng)3D打印而來(lái)，使用者可以根據(jù)自己的喜好對(duì)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。二是可替代性，本設(shè)計(jì)的硬件部分大部分都可以進(jìn)行更換，如對(duì)測(cè)量精度或成本有更多的要求，使用者可以根據(jù)自身需求選擇更好的或者廉價(jià)的轉(zhuǎn)臺(tái)、CCD等硬件。三是性能強(qiáng)大，高性能FPGA模塊能夠更好處理采集到的圖像信息，從而提高系統(tǒng)的效率與精度。四是數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，本設(shè)計(jì)使用以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)溝通，比傳統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)的方式效率更高，保證了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的精度與穩(wěn)定性。

本設(shè)計(jì)面向的是對(duì)精度有較高要求的工業(yè)級(jí)掃描儀或高端民用掃描儀，ZYNQ模塊雖然價(jià)格不低，但內(nèi)含的FPGA模塊具有很好的圖像處理能力，這有助于對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的實(shí)時(shí)處理，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的精度。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)的連接方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)溝通也是為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c實(shí)時(shí)性，這樣可以進(jìn)一步保證系統(tǒng)的精度。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)的部分硬件可以自行更換，使用者可以根據(jù)自身需求來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的整體精度。需要注意的是，對(duì)于表面強(qiáng)反光的物體以及表面輪廓模糊的物體該掃描儀不能提供較為準(zhǔn)確的建模。掃描范例如圖7所示。

4 結(jié)論

本論文的基本工作是如何在現(xiàn)有三維掃描儀的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物體的三維坐標(biāo)信息的獲取。

三維掃描儀雖然能夠成功獲取到三維物體的空間坐標(biāo)信息并且還能保證較高的精度，但用到的硬件其成本較高，這也導(dǎo)致適用范圍與普及性不佳，接下來(lái)考慮使用較低成本的硬件通過優(yōu)化算法來(lái)達(dá)到更高的精度。同時(shí)，在面對(duì)不同的環(huán)境時(shí)標(biāo)定環(huán)節(jié)較為繁瑣，需要專業(yè)人士進(jìn)行輔助操作，今后考慮做一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)含不同環(huán)境下的標(biāo)定參數(shù)，需要時(shí)直接調(diào)用即可。

5 致謝

本研究得到了北京信息科技大學(xué)勤信學(xué)者支持計(jì)劃（QXTCP A201701）和2019年促進(jìn)高校內(nèi)涵發(fā)展-大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目（5101923200）的支持，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙洪河，陸宏謙.基于Arduino的步進(jìn)電機(jī)分析與設(shè)計(jì)[J].智能機(jī)器人，2016（6）：42-45.

[2] 郭連朋，陳向，寧劉彬.Kinect傳感器的彩色和深度相機(jī)標(biāo)定[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2014（7）：23-26.