[发明专利]一种基于机器视觉的激光三维扫描仪及扫描方法

权利要求书

1.一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，包括机械部件、硬件部分和软件部分，其特征在于：

所述机械部件包括壳体(1)以及与壳体(1)相适配的电池座(2)，壳体(1)的一侧呈上下对称设有两个相机(3)，壳体(1)的一侧对称设有两个位于对应相机(3)外侧的补光灯(5)，壳体(1)的一侧对称设有两个位于两个相机(3)之间的激光头(4)，且两个相机(3)、两个激光头(4)和两个补光灯(5)均与电池座(2)电性连接，电池座(2)的一侧设有充电接口(6)，壳体(1)远离相机(5)的一侧设有多个USB接口以及控制开关按钮；

所述硬件部分包括ARM芯片和MCU；

采用所述ARM芯片控制整个硬件系统，并和工控机之间通过USB接口传输图像和数据信息；

采用所述MCU的硬件中断计时器输出触发信号，保证相机(3)和激光头(4)同步；

所述软件部分包括系统的标定、激光点云线的提取、提取点的跟踪和优化、三维模型的后处理、三维重建系统以及三维轮轨测量系统的研发。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述系统的标定为内置参数的标定、双目摄像机的标定和激光平面的标定。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述激光点云线的提取是在图像预处理时，采用中值滤波方法去除杂质，再利用Canny算法对图像边缘进行提取，滤掉其它杂质点和误差较大的边缘点，最后获得消除背景影响的激光线和标志点。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述提取点的跟踪和优化为提取到关键的标志点后，需要进行实时跟踪和匹配，最后拼接成三维廓形。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述三维重建系统是在被检测物体上贴反光标志点，实时计算三维点云，跟踪扫描仪的位置姿态，离线优化得到精细的三维重建模型。

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述三维轮轨测量系统的研发包括测量系统结构的设计、硬件的设计、软件算法的设计以及人机交互式软件的研究。

7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描仪，其特征在于，所述相机(3)的触发信号和激光头(4)的触发信号相位独立可调，调整输出触发的相位保证激光头(3)发出的时间和相机(3)采集的时间同步。

8.按照权利要求1-7任意一项所述的一种基于机器视觉的激光三维扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、首先对该设备进行初始化，初始化成功后，开始进行扫描；

S2、第一帧图片的位姿设为单位阵，创建关键帧，添加全局3d点到地图点，第一帧图片的3d数据点个数要大于3个，否则重新初始化，再开始扫描；

S3、接着扫描第二帧，先跟关键帧进行匹配，利用当前帧的数据点，通过三角形约束找出跟关键帧的3个匹配点，3个点对计算出初始距离，通过初始距离找出更多的匹配点，若3d数据点的匹配误差都在10mm以内，这说明匹配成功，这样就完成了当前帧跟关键帧的匹配；

S4、若匹配不成功，需要寻找与前一帧，进行类似匹配，需要重新进行定位，再重新创建关键帧，若匹配成功，就可以得到当前帧与参考帧之间匹配的地图点，扩充了地图点，完成当前帧与参考帧(关键帧)的拼接；

S5、计算当前地图上任意两点间的距离，再把当前帧创建为关键帧，完成了局部优化，以此类推，直到所有帧的照片完成了拼接，得到了完整的3d点云；

S6、如果创建关键帧不成功，则结束拼接工作。