CN106989736A - 一种基于结构光阵列的空间测绘系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于结构光阵列的空间测绘系统及方法，其系统包括阵列光发射模块、阵列接收模块和处理模块，所述阵列光发射模块用于发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列；所述阵列接收模块用于通过接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息，并将所述影像阵列信息发送给所述处理模块；所述处理模块用于对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。本发明一种基于结构光阵列的空间测绘系统利用结构光阵列可以对空间进行快速、准确的扫描，同时整个系统不含机械运动设备,可以大幅提高整个系统的稳定性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间测绘系统及方法具体涉及一种基于结构光阵列的空间测绘系统及方法。
背景技术
空间测绘是利用发射光线扫描实现空间的三维绘制，现有技术是依靠机械运动设备带动单个光线发射源完成空间扫描, 由于机械运动设备的稳定性和寿命有限，并且单个光线发射源扫描的速度和准确率低，从而严重制约了空间测绘的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于结构光阵列的空间测绘系统及方法，可以提高空间测绘的速度、稳定性、效率和准确率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于结构光阵列的空间测绘系统，包括阵列光发射模块、阵列接收模块和处理模块。
所述阵列光发射模块用于发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列。
所述阵列接收模块用于通过接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息，并将所述影像阵列信息发送给所述处理模块。
所述处理模块用于对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。
本发明的有益效果是：本发明一种基于结构光阵列的空间测绘系统利用结构光阵列可以对空间进行快速、准确的扫描，同时整个系统不含机械运动设备,可以大幅提高整个系统的稳定性和寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
在进一步，还包括反馈调制模块。
所述处理模块还用于统计所述三维点云数据的特征，并将所述三维点云数据的特征发送给所述反馈调制模块。
所述反馈调制模块用于根据所述三维点云数据的特征产生调制信号，并将所述调制信号反馈给所述阵列光发射模块。
所述阵列光发射模块还用于根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。
采用上述进一步方案的有益效果是：反馈调制模块可以使整个系统反应更灵敏,并可根据环境实时的变化调整结构光阵列在空间和时间上的分布,从而进一步提高空间测绘的效率和准确性。
进一步，所述阵列光发射模块还用于将所述调制信号传递给所述处理模块，所述处理模块结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：处理模块结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据，可以提高三维点云数据的准确性。
进一步，所述阵列光发射模块包括结构光发射阵列和光线调制阵列，
所述结构光发射阵列为由多组结构光光源组成的阵列，所述光线调制阵列用于根据所述调制信号对所述结构光发射阵列中的每一个结构光光源发出的光线进行单独调制，还用于将接收到的调制信号传递给所述处理模块。
调采用上述进一步方案的有益效果是：结构光发射阵列为由多组结构光光源组成的阵列，在扫描的过程中有多束光同时扫描，扫描范围大，从而可以提高空间测绘速度。
进一步，所述结构光光源包括点光源、线光源、网格线光源、网格点光源、随机点光源、以预设函数形成的空间光强分布的光源以及漫射光源中的一种或多种的组合。
进一步，所述阵列接收模块包括镜片阵列和接收阵列，所述接收阵列
通过所述镜片阵列接收所述影像阵列，并对所述影像阵列进行放大降噪处理形成影像阵列信息, 且通过约定的数据结构将所述影像阵列信息传送给所述处理单元。
进一步，所述镜片阵列包括透镜、反射镜、衍射光学元件、 梯度折射率透镜以及全息光学元中的一种或多种的组合。
基于上述一种基于结构光阵列的空间测绘系统，本发明还提供一种基于结构光阵列的空间测绘方法。
列一种基于结构光阵列的空间测\绘方法，包括以下步骤。
S1，发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列。
S2，接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息。
S3，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。
本发明的有益效果是：本发明一种基于结构光阵列的空间测绘系方法用结构光阵列可以对空间进行快速、准确的扫描，同时不含机械运动设备,可以大幅提高扫描的稳定性和寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括S4。
S4，统计所述三维点云数据的特征，并根据所述三维点云数据的特征
产生调制信号，且根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。
采用上述进一步方案的有益效果是：反馈调制可以使反应更灵敏, 并可根据环境实时的变化调整结构光阵列在空间和时间上的分布,从而进一步提高空间测绘的效率和准确性。
进一步，在S3中，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据的具体方法为，结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据，可以提高三维点云数据的准确性。
附图说明
图1为本发明一种基于结构光阵列的空间测绘系统的结构框图；
图2为本发明一种基于结构光阵列的空间测绘方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于结构光阵列的空间测绘系统，包括阵列光发射模块、阵列接收模块和处理模块，所述阵列光发射模块、阵列接收模块和处理模块的具体介绍如下：
所述阵列光发射模块用于发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列；其中，结构光阵列为由多组结构光组成的阵列，即其是由多个单光线发射源发射的结构光组合而成的光阵列。
所述阵列接收模块用于通过接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息，并将所述影像阵列信息发送给所述处理模块；其中，所述阵列接收模块的初步处理具体包括放大降噪等处理；阵列接收模块将所述影像阵列信息通过约定的数据结构发送给所述处理模块。
所述约定的数据结构包括单不限于一维或多维的数组,链表,地址列表,面向对象类结构等。
所述处理模块用于对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据；其中，所述处理模块的处理具体为对不同特征的结构光下的影像进行分离或整合的处理，分离处理是指分别独立提取多种特征的结构光下的影像中的一种特征的结构光下的影像进行灰度、二值化、边缘检测、空间滤波、时序滤波和影像配准等处理，整合处理是指同时提取多种特征的结构光下的影像中的两种或两种以上特征的结构光下的影像进行灰度、二值化、边缘检测、空间滤波、时序滤波和影像配准等处理。
本发明的系统中还包括反馈调制模块，所述处理模块还用于统计所述三维点云数据的特征，并将所述三维点云数据的特征发送给所述反馈调制模块；所述反馈调制模块用于根据所述三维点云数据的特征产生调制信号，并将所述调制信号反馈给所述阵列光发射模块。所述阵列光发射模块还用于根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。所述阵列光发射模块还用于将所述调制信号传递给所述处理模块，所述处理模块结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
其中，所述三维点云数据的特征是指三维点云数据在空间和时间上分布的特征,包括强度, 密度, 曲率等。
其中，所述阵列光发射模块对结构光阵列进行调制包括对结构光的相位、偏振、偏转、光强和光强在空间上的分布结构进行调制，光强在空间上的分布结构包括物体背景照明、分区照明、点照明、线照明、网格线照明、网格点照明、漫射照明和不同照明方式的混合。
其中，三角测距原理为:
结构光平面与相机光轴夹角为机器视觉-结构光测量之三角测量原理角，取世界坐标系Ow-Xw-Yw-Zw的原点Ow位于相机光轴与结构光平面的交点，Xw轴和Yw轴分别与相机坐标系Xc轴和Yc轴平行，Zw与相机坐标系Zc重合但方向相反，Ow与相机坐标系Oc的距离为l。
则世界坐标系与相机坐标系有如下关系为，
。
A的像为A′，在世界坐标系中，视线OA′的方程为，
。
在世界坐标系中，结构光平面的方程为，
。
解得，
。
又由于数字图像上定义直角坐标系Op-uv，每一像素的坐标(u,v)分别是该像素在图像数组中的列数与行数，(u,v)是像点在数字图像坐标系中以像素为单位的坐标；像点在像平面上的物理位置，建立以物理单位表示的像平面二维坐标系Oi-xy，该坐标系x轴和y轴分别与u轴和v轴平行，原点为相机光轴与像平面的交点，一般位于图像中心，但在实际情况下会有小的偏移，在Op-uv中的坐标记为(u0,v0)；每一像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸为Sx和Sy，则图像中任意一个像素在两个坐标系下的坐标采用齐次坐标和矩阵形式表示，有如下关系，
。
逆关系为，
。
可以得到像素点一世界坐标点之间的对应关系为，
。
轴和在本具体实施例中：所述阵列光发射模块包括结构光发射阵列和光线调制阵列，所述结构光发射阵列为由多组结构光光源组成的阵列，所述光线调制阵列用于根据所述调制信号对所述结构光发射阵列中的每一个结构光光源发出的光线进行单独调制，还用于将接收到的调制信号传递给所述处理模块。其中，所述结构光光源包括点光源、线光源、网格线光源、网格点光源、随机点光源、以预设函数形成的空间光强分布的光源以及漫射光源中的一种或多种的组合，但也不仅限于上述陈列的光源；所述的预设函数包括但不限于三角函数,幂函数,高斯函数,小波函数等; 所述光线调制阵列包括光学镜片、液晶屏、光电晶体、磁光元件以及热光元件中的一种或多种的组合，但也不仅限于上述陈列的元件。
在本具体实施例中，所述阵列接收模块包括镜片阵列和接收阵列，所述接收阵列通过所述镜片阵列接收所述影像阵列，并对所述影像阵列进行放大降噪处理形成影像阵列信息, 且通过约定的数据结构将所述影像阵列信息传送给所述处理单元。其中，所述镜片阵列包括透镜、反射镜、衍射光学元件、 梯度折射率透镜以及全息光学元中的一种或多种的组合，但也不仅限于上述陈列的元件。
基于上述一种基于结构光阵列的空间测绘系统，本发明还提供一种基于结构光阵列的空间测绘方法。
如图2所示，一种基于结构光阵列的空间测绘方法，包括以下步骤。
S1，发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列。
S2，接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息。
S3，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。
S4，统计所述三维点云数据的特征，并根据所述三维点云数据的特征产生调制信号，且根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。
在S3中，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据的具体方法为，结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
本发明的系统及方法运用带结构光阵列可快速完成对空间的扫描, 整个系统不含机械运动设备，使得系统的稳定性和寿命可以大幅提高；同时, 通过反馈模块使系统的反应更灵敏, 并可根据环境实时的变化调整结构光阵列在空间和时间上的分布,从而进一步提高空间测绘的效率和准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：包括阵列光发射模块、阵列接收模块和处理模块，
所述阵列光发射模块用于发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列；
所述阵列接收模块用于通过接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息，并将所述影像阵列信息发送给所述处理模块；
所述处理模块用于对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：还包括反馈调制模块，
所述处理模块还用于统计所述三维点云数据的特征，并将所述三维点云数据的特征发送给所述反馈调制模块；
所述反馈调制模块用于根据所述三维点云数据的特征产生调制信号，并将所述调制信号反馈给所述阵列光发射模块；
所述阵列光发射模块还用于根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。
3.根据权利要求2所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：所述阵列光发射模块还用于将所述调制信号传递给所述处理模块，所述处理模块结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：所述阵列光发射模块包括结构光发射阵列和光线调制阵列，所述结构光发射阵列为由多组结构光光源组成的阵列，所述光线调制阵列用于根据所述调制信号对所述结构光发射阵列中的每一个结构光光源发出的光线进行单独调制，还用于将接收到的调制信号传递给所述处理模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：所述结构光光源包括点光源、线光源、网格线光源、网格点光源、随机点光源、以预设函数形成的空间光强分布的光源以及漫射光源中的一种或多种的组合；
所述光线调制阵列包括光学镜片、液晶屏、光电晶体、磁光元件以及热光元件中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：所述阵列接收模块包括镜片阵列和接收阵列，所述接收阵列通过所述镜片阵列接收所述影像阵列，并对所述影像阵列进行放大降噪处理形成影像阵列信息, 且通过约定的数据结构将所述影像阵列信息传送给所述处理单元。
7.根据权利要求6所述的一种基于结构光阵列的空间测绘系统，其特征在于：所述镜片阵列包括透镜、反射镜、衍射光学元件、 梯度折射率透镜以及全息光学元中的一种或多种的组合。
8.一种基于结构光阵列的空间测绘方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，发射结构光阵列，且所述结构光阵列经过空间中的被测物体形成影像阵列；
S2，接收并初步处理所述影像阵列形成影像阵列信息；
S3，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据。
9.根据权利要求8所述的一种基于结构光阵列的空间测绘方法，其特征在于：还包括S4，
S4，统计所述三维点云数据的特征，并根据所述三维点云数据的特征产生调制信号，且根据所述调制信号对发射的所述结构光阵列进行调制。
10.根据权利要求9所述的一种基于结构光阵列的空间测绘方法，其特征在于：在S3中，对所述影像阵列信息进行处理得出被测物体的三维点云数据的具体方法为，结合所述调制信号对所述影像阵列信息利用三角测距原理进行处理得出被测物体的三维点云数据。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170728 |