[发明专利]一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及手持激光三维扫描仪，尤其是一种手持激光三维扫描方法。

背景技术

手持激光三维扫描技术以其抗干扰能力强、检测精度高、使用简便等优点逐步被用在各种工业、考古、医疗、教学等领域。相比白光投影原理的三维扫描仪，激光三维扫描仪可以从每一组同步帧图像中提取物体表面特征计算得到被扫描物体的一部分表面点云，以及由于激光投影的光强更大因而允许捕捉其图像的摄像头可以以不产生运动模糊的快门时间进行曝光，因此更能适合用手持的方式在不断连续移动的状态下进行扫描。另外，由于激光的波段的单一性，通过在摄像头前加装带通滤光镜可以很大程度上去除环境光线对其扫描过程的影响，使其适用于室外自然光环境下的物体表面轮廓的三维扫描。

目前的手持激光三维扫描仪内部由两个及以上的摄像头和一个及以上的激光投影器组成，其相互之间的所有位置关系均已经在扫描前标定已知，在扫描时两个及以上的摄像头同步采集目标物体表面的特征点用于定位仪器自身的空间三维坐标位置，采集被投影到目标物体表面的激光投影图案用于获得目标物体的表面点云数据。不同颜色和材质的物体表面，对于激光的反射效率和自然光的反射均不尽相同，因此如果用固定亮度的激光投影器去照射被扫描物体，可能会得到不同灰度的激光投影图像，过亮或者过暗均会影响扫描的效果和精度。

以只投射单条线状激光的激光投影器投射到一定灰度的目标物体表面为例，如图1所示，在摄像头采集获得的激光图案中，垂直于激光方向为横坐标方向，以激光线条的中心为原点，逐行计算分析该方向上的像素分布。图2为垂直于激光方向的一维亮度分布曲线，纵坐标为像素上的灰度值，从0到255对应暗到亮。例子中目标物体表面非激光照射区域在摄像头上成像的平均灰度为40左右，扫描仪在一个摄像头快门开启期间的激光持续时间分别设为1ms、2ms和4ms，以灰度值为100作为区分是否为激光图案的阀值。激光持续时间设为2ms时，其亮度分布曲线显示的激光宽度在3个像素左右；激光持续时间设为4ms时激光宽度为11个像素左右，由于扫描时需要在摄像头采集的图像中精确的识别出激光在目标物体表面的轮廓线，过宽的激光线条会导致无法获得精准的表面特征，从而降低扫描的精度；激光持续时间为1ms时激光整体的灰度值均在100以下，与非激光照射区域的灰度相差不大，因此无法在图像的背景中有效提取激光的图案信息。

发明内容

为了克服已有手持激光三维扫描仪采用固定亮度的激光投影器导致扫描存在的扫描效果较差、扫描精度较低的不足，本发明提供一种扫描效果良好、扫描精度较高的手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)设定一个摄像头采样周期内的激光投影器的曝光时间Ts作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；

2)在摄像头采集的图像中筛选得到真实的激光线投影；

3)在获得激光线投影的连通区域后，统计连通区域内的像素点，将统计结果与设定的激光合理曝光区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。

进一步，所述步骤3)中，沿识别出的激光线所有位置的法向量方向搜索每一行灰度最大的像素点所获得的像素点集合称为该激光所投影线条的脊线；统计该激光投影图案中的每一条脊线灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。

再进一步，所述合理曝光区间包括下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域激光线的脊线中所有像素Pi的灰度Gi低于Gth1的像素点的个数N1、高于Gth2的像素点的个数N2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数N3：最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占的比例是否大于经验阀值：如果是则完成激光曝光值的设定；如果则根据N1和N2的值的大小来反馈控制激光投影器的曝光时间Ts是增大还是减小：如果N1>N2，则调大Ts，反之则调小Ts，返回步骤1)。

或者是：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中获得激光投影线第i行的法向有效线宽的像素和亚像素的总个数Wi，1≤i≤n，n为总行数，并求出整幅图像上的激光投影线的平均有效线宽

所述激光合理曝光区间包括线宽上下阀值Wth1和Wth2，如果则完成激光曝光值的设定；如果则调大Ts，如果则调小Ts，返回步骤1)。