[发明专利]多线阵列激光三维扫描系统及多线阵列激光三维扫描方法

说明书

本发明提供了一种多线阵列激光三维扫描系统及多线阵列激光三维扫描方法，该系统通过可编程门阵列FPGA实现多线阵列激光三维扫描系统的精确同步和逻辑控制，采用线激光器阵列作为投影图案光源，通过可编程门阵列FPGA向立体视觉图像传感器和线激光器阵列发送触发信号，上位机接收到立体视觉图像传感器拍摄的图像对，并对该图像对中的激光线阵图案进行编码解码及三维重建，对被测物体表面特征点进行三维重建和不同时刻间三维特征点匹配对齐，采用光学跟踪技术对匹配计算进行预测和纠错，用于时域激光三维扫描数据的配准拼接，同时实时进行测量误差等级评估并反馈至误差反馈控制器做出调整指示，从而完成低成本、高效率、高可靠性和高精度的激光三维扫描。

技术领域

本发明涉及物体表面几何形状的三维扫描技术领域，尤其涉及一种多线阵列激光三维扫描系统及多线阵列激光三维扫描方法。

背景技术

近年来，三维扫描作为一种快速三维数字化技术被越来越多地应用在各个领域，包括逆向工程、工业检测、计算机视觉、CG制作等等，特别是在当前发展迅猛的3D打印和智能制造领域，三维扫描作为前端三维数字化和三维视觉传感技术，已经成为产业链上的重要一环；同时，各类应用在三维扫描设备的成本、实用性、精确性和可靠性等诸多方面提出了更高的要求。

光学三维扫描是三维数字化领域最常见的一种现代化技术手段，较高测量效率和较高的精度兼备是技术的突出特点。白光三维扫描是一种传统的光学扫描技术，通过光栅投影在物体表面进行编码标记，再由相机拍照进行三角测量，在三维测量领域已经被广泛应用，其特点是精度高、空间分辨率高，数据质量较为精细。随着应用领域的不断扩展，各种复杂使用环境对三维扫描技术提出了新的要求，例如人们希望设备具有更高的扫描便捷性以及更好的光学抗干扰性能，扫描流程能够更加快速自如，尽可能地省去不必要的环节，并能够在大多数的光线环境下完成测量。白光扫描设备由于自身的光栅投影器结构以及依赖时序编码的测量原理限制，体积和重量较大，并且需要三脚架等稳定支撑结构辅助测量，测量便捷性有所局限；另外，白光光源亮度有限，测量受环境光和物体本身颜色材质等光学属性影响较大，在较亮的环境中或面向较深颜色的物体，都难以进行有效测量。

为了弥补白光三维扫描技术的不足，一种以线激光作为光源的扫描技术应运而生，该技术仍然是基于多目视觉的三角测量原理，不同的是采用线激光作为图案投影器，图案简单且不随时间改变，激光器小巧结构简单，扫描设备随之变得轻便，且无需额外支撑稳定装置辅助测量，可以手持测量是其典型特征；同时，激光线中心亮度极高，可以适应大多数光线环境或深色物体对象的扫描。然而现有的激光三维扫描技术在面向整个三维扫描领域普及之前，仍然存在几大重要问题亟待解决：

扫描效率与成本优势不可兼得。单线激光扫描技术实现较为简单，成本较低，但扫描性能受到很大限制，扫描速度慢，使得实用性有限；而多线激光扫描技术扫描速度有较大提升，但由于依赖特殊订制的激光发生器，工艺复杂且成本很高，同样为技术的普及应用带来阻碍。

使用寿命低。持续满功率的扫描工作使得光学器件特别是各类LED元件(激光器LED以及LED照明灯等)光衰加剧直接导致扫描性能(包括数据质量和扫描速度)下降；另外，持续工作的LED大量发热也带来设备散热问题，良好的散热性能与小巧轻便的整体结构要求相矛盾，而散热性能不好除了造成光学元件过早失效外，还可能影响整个扫描结构发生微小变形，导致扫描精度的损失。

扫描误拼接率较高，可靠性缺乏保障。传统的标记点拼接技术存在误拼接率高的问题，其表现是多次扫描的数据在统一配准到同一个坐标系时出现歧义，导致某片扫描数据脱离整体数据，生成错误模型。这个问题在白光三维扫描过程中可以在每次单面扫描之后通过手动删除等方法解决，但在连续扫描模式下的激光三维扫描过程中无法采用类似方法解决，因此出现误拼接后通常需要重新扫描，大大影响工作效率。