郝超杰

摘 要：三維激光掃描技術是近年來出現(xiàn)的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。

關鍵詞：三維激光掃描；數(shù)據(jù)；點云；模型

三維足部激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括主控計算機、圖像識別、畸變差更正、建模。通過計算機控制平移采集圖像，采用黑白棋盤格標定靶和張正友算法，標定圖像中心坐標（Cx，Cy），畸變系數(shù)（k1、k2、p1、p2）等攝像機內部參數(shù)，研制適于足部激光掃描系統(tǒng)標定的細絲標定靶，并在攝像機標定的基礎上，采用直接線性變換方法，得到像素坐標（Xf，Yf）與世界坐標（Xw，Yw）的映射關系矩陣，進而通過高斯濾波等除去雜點，最后建模，完成三維足部激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。

一、主控計算機的基本配置

針對于長度方向的掃描范圍是290mm的足部掃描系統(tǒng)，考慮余量，需要行程大于300mm的移動平臺。運動分辨率應優(yōu)于本系統(tǒng)長度方向的分辨率：20μm。同時，本系統(tǒng)需要在平臺的臺面中軸線下方安裝下光機模組（包括CCD和激光器），在臺面兩側安裝兩個支撐臂用來支撐左右光機模組，同時，考慮到成年人的一般體重，這就要求臺面允許的承載大于lO0kg（估計值）。隨后根據(jù)電機的相關參數(shù)選擇驅動器對電機進行控制。根據(jù)圖像采集速率，計算得到在不細分的情況下，每秒需要的脈沖數(shù)為1500pulse，在上述情況下，分辨率為0.025mm。若采用最大的256細分，每秒需要脈沖數(shù)變?yōu)?84000個，因此需要控制卡能提供的脈沖頻率大于該參數(shù)。

基于上述計算，選擇單軸步進電機控制器。它是一塊多軸運動控制卡，可驅動步進/伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)單軸運行或兩軸聯(lián)動插補控制，并由硬件實現(xiàn)機械裝置的超限保護。其功能特點有：32位PCI總線（PCI2.1標準）；最高速可達1 MHz（即每秒1000000個脈沖）；自動回原點功能，可讀回運動中實際位置。整個系統(tǒng)除了計算機、平移臺自身有配套的電源，還需要給運動控制器、CCD攝像機以及激光器配備直流電源。

二、圖像的采集和識別處理

圖像采集系統(tǒng)由接口、CCD攝像機和控制軟件組成，通過控制軟件編程實現(xiàn)對圖像信號的采集和保存。接口有USB、Net、1394等，根據(jù)系統(tǒng)使用要求設置采集參數(shù)，采集時先將圖像保存在緩存中，最后再將采集到的圖像從緩存中以不同的命名保存到文件中以便于后續(xù)的處理和重建。

對圖像進行識別時需要首先進行光帶中心提取，對灰度圖像進行光帶提取時采用質心法，分兩步來實現(xiàn)：首先對作二值化圖像每一列的像素點的進行掃描，對灰度值為1的點（即白像素點）進行質心運算，即可得到當前列的光帶中心像素坐標，然后逐列移動，即可得到所有列上的光帶中心坐標，此時得到的光帶中心坐標只是一個近似值；在第一步得到的像素坐標近似值的基礎上，從原始灰度圖像上尋找這一坐標在列方向上的一個鄰域，然后利用質心法重新計算每一列的光帶中心，即可得到更為精確的光帶中心坐標。

攝像機標定是從二維圖像獲取三維空間信息的關鍵和必要步驟，如基于圖像的物體重建，基于圖像的測量等。現(xiàn)有的攝像機標定方法大致可以分成兩類：傳統(tǒng)的攝像機標定方法和攝像機自標定方法。傳統(tǒng)的攝像機標定方法是在一定的攝像機模型下，基于特定的實驗條件，如形狀、尺寸己知的標定參照物，經過對其圖像進行處理，利用一系列數(shù)學變換和計算方法，求取攝像機模型的內部參數(shù)和外部參數(shù)。但在很多情況下，由于存在經常性調整攝像機的要求，且設置己知的標定參數(shù)也不現(xiàn)實，這時就需要一種不依賴標定參照物的攝像機自標定方法。用二維平面靶標和張正友算法對攝像機進行標定。

其中為了獲得己知的精確的世界坐標，需要設計精密標定靶。標定靶作用是為各視覺傳感器提供相應的標定控制點對：即精確的世界坐標和像素坐標。它應滿足：標定點的空間范圍應該能夠近似覆蓋整個測量范圍，才能保證測量精度；在標定過程中，要對多個傳感器進行標定，因此標定靶的設計應該使得標定過程盡量簡單，減少標定過程中的工作量。

三、標定方法選取與標定實驗

如何實現(xiàn)攝像機和激光器組成的傳感器的標定，即標定光平面與攝像機之間的位置關系；如何實現(xiàn)系統(tǒng)全局的標定，即標定各組傳感器之間的位置關系。這就要考慮全局標定方法。全局標定要把各個視覺傳感器的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個總體世界坐標系中，也就是確定各個視覺傳感器坐標系相對這一總體世界坐標系的位置與方向，即旋轉矢量和平移矢量。主要有以下三種常用的全局標定方法同名坐標統(tǒng)一法、中介坐標統(tǒng)一法和世界坐標唯一法。

其中世界坐標唯一法的基本思想是直接利用世界總體坐標系下的標定點對處于測量狀態(tài)的各個視覺傳感器單元進行局部標定，從而將局部標定和全局標定統(tǒng)一到了一起。其優(yōu)點在于：實現(xiàn)了在測量現(xiàn)場視覺傳感器局部標定和全局標定的統(tǒng)一；減少了坐標轉換次數(shù)，從而減少了由坐標系轉換所帶來的精度損失；減少了標定點的采集次數(shù)，降低了勞動強度。因此采用世界坐標唯一法對系統(tǒng)進行全局標定。

利用平面靶標對攝像機進行標定的關鍵是含有坐標信息的特征點也稱控制點的檢測。常用的特征點是黑白棋盤格靶標上的角點。目前的檢測方法可以分為兩大類：一類是基于圖像邊緣的特征，通過用輪廓點來擬合直線或計算邊緣曲率、夾角，從而判定角點。概括來說，圖像處理的整體步驟是：

1.讀入拍攝的棋盤格圖像，利用Canny算子進行邊緣檢測；

2.利用BW算子求出邊緣區(qū)域的CBW響應值，并設置閩值取出前M個；

3.設置角點鄰域閾值，將同一角點鄰域內的點取均值，最終得出與實際角點數(shù)量相同的N個角點的圖像坐標。

準確檢測了一幅圖像的角點像素坐標之后，就能利用張正友算法進行標定，該方法基于以下思想：標定過程中，攝像機的內部參數(shù)始終保持不變，發(fā)生變化的只是外部參數(shù)。所以要求攝像機在兩個以上不同的位置對同一平面靶標進行拍攝，攝像機或靶標兩者之一可以自由移動，不需要知道它們之間的相互位置關系和運動參數(shù)等。像機的標定完成之后，就能將角點的世界坐標結合攝像機內外參數(shù)矩陣，將各點投影到圖像坐標系中，比較重投影點與實際檢測出的角點之間的誤差。為了說明角點檢測的準確性，對于直線擬合和BW算子檢測出的角點也按照張正友方法求解攝像機內外參數(shù)，之后投影到圖像坐標系中。

四、模型構建

建模需要依次進行以下步驟，進行以下步驟：首先進行機械調整。調整玻璃平臺與導軌面平行，即與掃描方向平行；調整兩個掃描臂平面與導軌平行，且等高、等間距；然后進行傳感器調試。保證腳底面與玻璃平面相交的位置不會超出CCD相機的視場并留有一定余量，保證數(shù)據(jù)的完整性?？梢酝ㄟ^調整CCD安裝座的俯仰角度實現(xiàn)。因為圖像亮度、對比度的設置如果太低，會使光帶的亮度降低，不易于黑暗的背景區(qū)分；如果設置太高，會使得噪聲點亮度增加，產生誤差和多余點云。隨后進行運動控制調試。保證CCD在電機勻速運動階段采集圖像。在平臺運動過程中，若人為碰觸近端的零位開關和遠端的限位開關，電機將立即停止運動，這就保證了系統(tǒng)的安全。其次進行激光平面調試。通過調整激光器安裝座的俯仰、平移，將三個激光平面調整到完全重合且與掃描方向垂直的狀態(tài)。最后通過點云真實地還原腳模的外形輪廓變化，多個角度視圖清晰。用高斯濾波濾除雜點，進而得到更為完善的模型。

參考文獻：

[1]李曉潔，《激光三維人體掃描同步控制與圖像采集系統(tǒng)的研制》，碩士學位論文，天津，天津大學，2007.

[2]田豐，趙宏，陳文藝，《利用空間坐標變換的三維測量系統(tǒng)》，光學學報，1998 18（2），199.

[3]黃炎，《基于立體視覺的腳型測量系統(tǒng)中的關鍵技術研究》，碩士學位論文，杭州浙江大學，2006.

指導老師：張強。