手持線激光掃描視頻三維重建中的運(yùn)動(dòng)線提取算法

韓　碩　童曉沖　盧學(xué)良　安子閣　孫闊原

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院　河南 鄭州 450001)

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手持線激光掃描視頻三維重建中的運(yùn)動(dòng)線提取算法

韓碩童曉沖*盧學(xué)良安子閣孫闊原

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院河南 鄭州 450001)

摘要為解決目前三維掃描設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格偏高、操作繁瑣等問題，設(shè)計(jì)一種利用手持線激光運(yùn)動(dòng)掃描物體的視頻三維重建方案，并針對視頻中運(yùn)動(dòng)激光平面提取的難點(diǎn)問題，提出有效的解決方法。該方法基于每個(gè)像元鄰近時(shí)刻視頻幀中灰度信息的變化序列，內(nèi)插出激光條紋邊界過該像元的時(shí)刻，使用時(shí)間空間變換方法求解過每個(gè)像元的激光條紋所處的光平面，再利用結(jié)構(gòu)光測量原理逐像素獲取掃描物體表面的三維結(jié)構(gòu)信息。使用該方法實(shí)現(xiàn)的視頻激光掃描，可以方便地對多次掃描結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)云融合，有效地避免單次掃描造成的點(diǎn)云漏洞，且較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光掃描過程中的線特征提取方法(曲線擬合法、Hessian矩陣方法等)，具有獲得的點(diǎn)云更加均勻規(guī)整、密度更高等特點(diǎn)，有利于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。

關(guān)鍵詞線激光視頻序列三維點(diǎn)云結(jié)構(gòu)光測量

0引言

基于結(jié)構(gòu)光的三維測量能夠快速、非接觸地獲取被測目標(biāo)的三維信息[1]，該技術(shù)通過投影儀向被測物體投射一定編碼的光柵條紋，然后獲取變形的光柵圖像，完成物體的三維測量工作。以激光三角測量原理為基礎(chǔ)的線激光三維測量技術(shù)以大量程、速度快、效率高等優(yōu)勢[3]，在實(shí)際應(yīng)用中越來越受到青睞。目前大多數(shù)線激光三維測量系統(tǒng)依靠精密的機(jī)械傳動(dòng)裝置控制激光器移動(dòng)掃描被測物體，利用攝像機(jī)拍攝的視頻幀，通過光條中心提取算法提取二維圖像中激光條紋的中心坐標(biāo)[4]，利用相關(guān)的幾何關(guān)系求解三維坐標(biāo)。楊培[5]通過在機(jī)器人手臂末端安裝線激光視覺傳感器，利用立體視覺方法計(jì)算出目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。劉國文等[6]采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺，保持?jǐn)z像機(jī)和激光器不動(dòng)，完成三維測量工作。Banerjee[7]將線激光器安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的掃描頭裝置上，利用一個(gè)微控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)進(jìn)行測量工作。通過分析現(xiàn)有系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要存在下面幾個(gè)方面的問題：

(1) 大部分系統(tǒng)都需借助復(fù)雜硬件系統(tǒng)的幾何約束，其適用性、簡易性存在一定限制。

(2) 在掃描工作中，由于激光光條寬度不同、光照不均勻及待測物體表面反射率的差異等原因，難以準(zhǔn)確、有效地獲取條紋中心坐標(biāo)，并且采用光條中心獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，更易受噪聲影響[8]。

(3) 多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要通過點(diǎn)云匹配方法才能進(jìn)行配準(zhǔn)。

為了克服傳統(tǒng)線激光測量的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一套方案，立足常規(guī)設(shè)備，經(jīng)過簡單的場景設(shè)置，在桌面上即可快速搭建系統(tǒng)，手持線激光器代替步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無需勻速運(yùn)動(dòng)，即可通過對視頻拍攝數(shù)據(jù)的處理獲得掃描物體的三維數(shù)據(jù)。在該方案中，針對視頻中運(yùn)動(dòng)線構(gòu)成的激光平面提取難點(diǎn)，提出一種有效的解決方法，其核心思想是根據(jù)每個(gè)像元鄰近時(shí)刻視頻幀中灰度信息的變化序列內(nèi)插出每個(gè)視頻像元對應(yīng)的激光平面時(shí)刻，并使用時(shí)間空間變換求解過該像元所在的激光平面方程，最后采用結(jié)構(gòu)光測量原理獲得物體表面均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1桌面系統(tǒng)搭建與問題分析

1.1桌面系統(tǒng)搭建

該方法所需設(shè)備包括一個(gè)線激光發(fā)射器、一臺CCD攝像機(jī)、兩塊平面板(或者桌面的夾角)以及打印的標(biāo)定紙。選擇平坦桌面作為實(shí)驗(yàn)場地，安置攝像機(jī)并固定，盡量保證被測物體處于像片中心，將平板H置于地面上作為試驗(yàn)工作臺，平板V置于平面H后方作為參考板，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1　桌面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2三維重建方法

選定參考坐標(biāo)系，利用張正友標(biāo)定法，標(biāo)定出攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)矩陣、畸變系數(shù)[9]。線激光發(fā)射器經(jīng)透鏡投射出一個(gè)激光平面，與被測物體相交形成激光條紋，由于物體表面形狀的調(diào)制，激光條紋發(fā)生變形，借助平面H、V所在的平面方程，求出變形激光條紋所在的光平面方程，利用三角測量原理計(jì)算被測物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)[10,11]。

求解平面H、V所在平面方程方法類似，以水平面H為例進(jìn)行說明，其求解過程如下：

(1) 設(shè)置參考坐標(biāo)系OH-XHYHZH的坐標(biāo)原點(diǎn)在水平面H上的棋盤格的左上角，OH-XHYH與桌面平行，ZH垂直桌面向上。根據(jù)攝像機(jī)標(biāo)定步驟，求出攝像機(jī)坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系OH-XHYHZH的位置關(guān)系 。

(2) 設(shè)平面H的法向量nH=(0,0,10)T，可求出平面H的法向量在攝像坐標(biāo)系下的方向?yàn)閚HC(nx,ny,nz)。參考坐標(biāo)系原點(diǎn)OH(0,0,0)在攝像機(jī)坐標(biāo)下坐標(biāo)為(Tx,Ty,Tz)。則平面H的平面方程可由下式計(jì)算得:

nx(x-Tx)+ny(y-Ty)+nz(z-Tz)=0

(1)

化簡得:

a1x+b1y+c1z+1=0

(2)

同理可以求出平面V在攝像機(jī)參考坐標(biāo)系下的平面方程為:

a2x+b2y+c2z+1=0

(3)

如圖2所示，Oc-XcYcZc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，Oc是攝像機(jī)的鏡頭中心，點(diǎn)S是線激光的發(fā)射源，即線激光發(fā)射器，陰影部分表示紅色激光平面。平面W為像平面，平面H為水平工作臺平面，平面V作為參考平面。手持線激光發(fā)射器按照一個(gè)固定掃描被測物體，攝像機(jī)拍攝整個(gè)掃描過程。

圖2　幾何原理

圖2為激光器掃描過程中某一瞬時(shí)t時(shí)線激光的掃描姿態(tài)，紅色陰影部分表示激光平面，AB、BC、CD、DE、EF、FG為激光平面與場景的交線即為激光條紋，P為場景中物體上的一點(diǎn)，它在像平面上所對應(yīng)的像點(diǎn)為p。像點(diǎn)p在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y,z)，則對應(yīng)的光線束方程參數(shù)形式表示為：

(4)

式中(p,m,n)為光線束的方向向量。

設(shè)定參考行r1、r2、r3(如圖2中虛線所示)與激光條紋相交于x1、x2、x3。假設(shè)平面V、H在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的位置已知，利用xi對應(yīng)光線束與平面V、H相交，求得參考點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下對應(yīng)的三維坐標(biāo)，根據(jù)求出的參考點(diǎn)坐標(biāo)，采用最小二乘擬合激光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程:

axc+byc+czc+d=0

(5)

聯(lián)立方程式(4)、式(5)，則物體表面點(diǎn)P的三維坐標(biāo)就可以得到解算。分別對不同時(shí)刻下線激光對目標(biāo)物體的掃描情況進(jìn)行解算，即可獲得目標(biāo)物體的三維信息。

其核心思想是將傳統(tǒng)的以條紋為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)變成以像素為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)獲取，其具體步驟包括：

(1) 利用已知像元尺寸、攝像設(shè)備焦距和像主點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，求出所有像元的光線束方向。

(2) 設(shè)置閾值確定激光條紋左右邊界，計(jì)算像元a(i,j)(代表i行，j列像元)在整個(gè)視頻序列中進(jìn)入激光條紋右邊界時(shí)間t1、離開激光條紋在左邊界時(shí)間t2，通過時(shí)間內(nèi)插求解出在時(shí)間t1、t2時(shí)激光平面方程(以下簡稱時(shí)間內(nèi)插法)。

1.3關(guān)鍵問題與分析

線激光三維重建方法中相機(jī)標(biāo)定方法，幾何原理比較成熟，其最關(guān)鍵的問題是光平面的求解?，F(xiàn)有的線激光三維掃描測量系統(tǒng)，通過求解激光條紋中心點(diǎn)坐標(biāo)(以下簡稱光條中心法)擬合對應(yīng)的激光平面方程，利用已知的光線束方向與激光平面相交求物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于激光器發(fā)射的線激光并非理想的激光平面，在掃描時(shí)刻，與物體表面相交形成的激光條紋往往有若干像素，且激光光強(qiáng)分布不均勻，對于沒有物體遮擋的激光條紋部分如圖2中的AC、FG部分，通過光條中心提取算法，如hessian矩陣法[12]、高斯擬合法[13，14]等，可以高精度提取激光條紋中心坐標(biāo)。但對于物體上的激光條，定位中心的難度隨著物體表面的復(fù)雜程度急劇上升，且效率較低。另外，在本實(shí)驗(yàn)采用的手持激光器掃描物體的過程中，掃描的速度難以有效進(jìn)行控制，按照傳統(tǒng)激光條紋提取方法，必定會(huì)導(dǎo)致獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布不均勻，難以保證建模效果。

下文圍繞視頻數(shù)據(jù)中運(yùn)動(dòng)線構(gòu)成的激光平面提取問題展開討論。

2視頻中激光平面提取方法

2.1確定激光條紋邊界

圖3　激光條紋與平面相交

為了重建三維模型，必須獲得逐個(gè)激光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程。激光平面并非理想的平面，而是具有一定厚度，與平面H、V相交將產(chǎn)生四條明顯的直線v1、v2、h1、h2，如圖3所示。

圖4　視頻立方體

對視頻進(jìn)行如下處理：把視頻每幀按照順序在k方向進(jìn)行層疊(由于利用的是紅色激光，默認(rèn)處理的紅色通道)，如圖4所示，x,y表示每幀像素的行列號，k表示視頻幀序列，每個(gè)小方塊的值為圖像坐標(biāo)系中每個(gè)像元在相應(yīng)幀中對應(yīng)的灰度值。

隨著激光平面掃過物體，每個(gè)像素點(diǎn)a(i,j)都有自己對應(yīng)的灰度變化信息，即從起初的最小值(沒有激光掃過)變化到最大值(像素點(diǎn)在激光條紋內(nèi))，激光掃過之后又回到原始的最小值。對任意像元其變化總?cè)鐖D5所示。

在高中物理教學(xué)中，教師們經(jīng)常會(huì)碰到學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒不穩(wěn)定、學(xué)生成績時(shí)上時(shí)下的現(xiàn)象.這是由于學(xué)生在物理學(xué)習(xí)的過程中遇到困惑或者是失敗造成的.教師在物理教學(xué)的過程中應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)情緒的變化，幫助學(xué)生們不斷地獲得成功的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，有利于建立他們的自信心，對物理學(xué)習(xí)保持高漲的情緒.教師在備課過程中，要結(jié)合學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)情況選擇相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，切不可為了教學(xué)進(jìn)度而忽略學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，選擇適度的作業(yè)和試題，做到因材施教，讓學(xué)生嘗到學(xué)習(xí)物理成功的樂趣，樹立學(xué)生的自信心.

圖5　像元ai,j灰度值隨幀序列的變化情況

對任意給定的像素a(i,j)，我們定義vmax作為它整個(gè)視頻掃描序列中的灰度最大值。

vmax(i,j)=max{v(x,y,t)}

(6)

其中v(x,y,t)表示時(shí)間為t(即為第t幀)時(shí)位置為第x行y列的像素灰度值。

此時(shí)，需要設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)閾值vb=σ×vmax來確定激光條紋的邊界，σ的選擇將在第三節(jié)討論。

選定參考行與激光條紋左右邊界相交，以右邊界第k幀為例，設(shè)參考行為r，在參考行上一定存在兩像元滿足v(r,j,k)>vb、v(r,j+1,k)

(7)

同理第k+1幀所在的激光條紋右邊界所在的位置為:

(8)

由于無法從遮擋區(qū)域的像素獲得任何的深度信息，同時(shí)為了減少計(jì)算量提高計(jì)算的效率，選擇一閾值I0，做如下判斷：

2.2計(jì)算激光邊界進(jìn)入和離開像元時(shí)間

激光條紋邊界進(jìn)入指定像元，其灰度變化信息如圖5的前半部分，在整個(gè)視頻掃描序列中一定存在兩幀k和k+1使得v(i,j,k)≤vmid,v(i,j,k)>vmid。由于兩幀之間相隔時(shí)間很短，可以認(rèn)為兩幀之間的運(yùn)動(dòng)是勻速的，利用時(shí)間內(nèi)插可求出激光條紋邊界進(jìn)入像元ai,j的時(shí)間t1，其表達(dá)式如下：

(9)

激光條紋邊界離開指定像元，其灰度變化如圖5的后半部分，在整個(gè)視頻掃描序列中一定存在兩幀p和p+1使得v(i,j,p)>vmid,v(i,j,p+1)≤vmid，利用時(shí)間內(nèi)插可求出激光條紋邊界離開像元a(i,j)的時(shí)間t1，其表達(dá)式如下：

(10)

2.3激光平面計(jì)算

在整個(gè)掃描圖像序列中選擇參考行，利用式(7)、式(8)求出參考行與激光條紋右邊界在第k幀和k+1幀的交點(diǎn)坐標(biāo)j1、j2，利用式(9)求出每個(gè)像元與激光條紋邊右邊界相交的時(shí)間t1，求解出激光條紋在時(shí)間t1時(shí)邊界的亞像素坐標(biāo):

y=(1-(t1-k))·j1+(t1-k)·j2

(11)

根據(jù)求出的激光條紋右邊界的V1、H1上的三點(diǎn)像素坐標(biāo)，求出對應(yīng)的光線束方程，分別于平面V和H相交，即得到三點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。已知過空間不在同一條直線上的三點(diǎn)可以擬合一個(gè)平面，求得激光條紋右邊界在時(shí)間t1時(shí)刻下的平面方程為π(t1)。

與求激光右邊界所在平面方程類似，我們可以求出激光條紋左邊界在時(shí)間t2時(shí)的平面方程π(t2)。

2.4三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

為減少計(jì)算量，根據(jù)物體在視頻圖像中的尺寸，設(shè)置感興趣區(qū)域，對每幀圖像進(jìn)行尺寸裁剪，計(jì)算出給定像元ai,j的光線束方程。根據(jù)已求出的激光條紋左右邊界的平面方程，利用射線平面相交，即可解出該光線束所對應(yīng)的三維點(diǎn)坐標(biāo)。對左右邊界平面上一系列的點(diǎn)進(jìn)行相同的處理，即可獲得兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集data1、data2，由于每個(gè)像素對應(yīng)的的光線束不變，取兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過多次掃描就可以有效提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

3實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)用以搭建簡易桌面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：包括卡片相機(jī)(三星藍(lán)調(diào)，帶攝像功能)、激光器(LS610)，攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　相機(jī)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：將一個(gè)機(jī)器人模型放在實(shí)驗(yàn)平臺P上，掃描前拍攝一張圖片作為背景圖片如圖6所示。手持線激光發(fā)射器從左到右盡可能以勻速掃描物體，攝像機(jī)同步記錄掃描過程。利用數(shù)字減影法，將獲取的每幀圖像減去背景圖像，獲取紅色激光條紋。

圖6　背景圖像

采用張正友標(biāo)定法獲得相機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2　標(biāo)定結(jié)果

其平移單位為mm。

將全部幀像素值加載到影像立方體中，選取像平面上的像元a(i,j)(i=130,j=165)為例進(jìn)行說明，其在整個(gè)掃描序列中灰度隨時(shí)間(視頻幀)變化如圖7所示。

圖7　像元灰度變化曲線

橫軸為時(shí)間即為視頻的幀數(shù)，豎軸為灰度。由圖7可知，像元a(i,j)在整個(gè)視頻序列中灰度最大值。分別取σ為0.3、0.5、0.7、0.9，其顯示效果如圖8所示。

圖8　不同閾值顯示效果

通過對比發(fā)現(xiàn)，如果σ選擇過小，激光條紋邊界就會(huì)過寬，實(shí)驗(yàn)更易受到噪聲干擾，導(dǎo)致提取出很多錯(cuò)誤點(diǎn)。如果σ選擇過大，激光條紋將過窄，利用左右邊界提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)也就失去了意義，而且當(dāng)σ>0.9時(shí)提取的結(jié)果將出現(xiàn)更多地噪聲點(diǎn)。因此，該文選擇σ=0.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用式(9)、式(10)求得t1=16.398964、t2=18.500000。

已知同一時(shí)刻灰度值相同的點(diǎn)一定位于同一像平面上，選擇第10、第100、第470行作為參考行與激光條紋相交，利用式(7)、式(8) 參考行與激光條紋右邊界和左邊界的交點(diǎn)結(jié)果如表3所示。

表3　參考點(diǎn)坐標(biāo)

平面H、V平面方程已求出，利用射線平面相交求出參考行與激光條紋邊界左右邊界3交點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，求出左右邊界對應(yīng)的激光平面方程分別為:

0.0101x+0.0155y-0.0122z-1=0

0.0097x+0.0150y-0.0121z-1=0

為驗(yàn)證本方法的有效性，分別利用高斯曲線擬合法、Hessian矩陣法和本方法在同等條件下獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其有關(guān)信息如表4所示。

表4　三種方法對比

將背景圖像圖6顏色信息賦給點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其顯示效果如圖9所示。

圖9　三種方法實(shí)驗(yàn)效果

局部放大如圖10所示。

圖10　局部放大效果圖

通過對比發(fā)現(xiàn)：在實(shí)際應(yīng)用中，利用高斯曲線擬合提取光條中心，算法簡單、點(diǎn)云提取速度快，但如果激光光條灰度分布不嚴(yán)格對稱，會(huì)使求得的極值點(diǎn)發(fā)生偏離實(shí)際光條中心的情況，導(dǎo)致提取到許多錯(cuò)誤點(diǎn)；Hessian矩陣法雖能高精度提取激光條紋中心坐標(biāo)，但圖像的每個(gè)點(diǎn)至少需要與二維高斯模板做5次高斯卷積[15]，其運(yùn)算量大，且僅適合文獻(xiàn)[6-8]帶機(jī)械傳動(dòng)裝置的情況，而且同高斯擬合法一樣，受激光器移動(dòng)速度和攝像機(jī)幀率的限制，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在明顯的縫隙。相反，本文以像元為出發(fā)點(diǎn)，利用每個(gè)像元光線束與激光平面相交獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法對物體表面反射率及噪聲的影響不敏感，其點(diǎn)云質(zhì)量無論其密度還是分布，都較傳統(tǒng)的光條中心法有明顯的提高。

傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置只能沿著固定的方向進(jìn)行掃描測量，由于物體自身遮擋等原因，一次掃描存在大量的點(diǎn)云空洞。手持線激光器以任意的方向多次掃描，可以獲得攝像機(jī)某一視角下最大數(shù)量的點(diǎn)云。以一個(gè)網(wǎng)球?yàn)槔?，在同一視角下，改變掃描方向進(jìn)行兩次掃描，對兩次獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，其效果如圖11所示。

圖11　多次掃描網(wǎng)球效果圖

4結(jié)語

近年來隨著3D打印技術(shù)的興起，使用簡單廉價(jià)的設(shè)備獲取桌面物體的三維模型數(shù)據(jù)，為3D打印機(jī)提供數(shù)據(jù)支持，利用本方法進(jìn)行三維測量工作，通過實(shí)驗(yàn)顯示出良好的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，仍如有如下局限：

(1) 多次掃描獲取的點(diǎn)云融合成最終的點(diǎn)云時(shí)所選的融合策略，本文只是簡單地對多次掃描的數(shù)據(jù)求平均值，沒有考慮點(diǎn)云之間的權(quán)值分配問題。

(2) 對于生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，目前尚缺乏具體的評定指標(biāo)；在以后的工作中，針對具體的問題還需進(jìn)行更深一步的研究。

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收稿日期：2015-08-14。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201392)。韓碩，碩士生，主研領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)視覺與三維重建。童曉沖，副教授。盧學(xué)良，碩士生。安子閣，本科。孫闊原，碩士生。

中圖分類號TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.07.036

MOVING LINE EXTRACTION ALGORITHM IN 3D RECONSTRUCTION OF HANDHELD LINE LASER SCANNING VIDEO

Han ShuoTong Xiaochong*Lu XueliangAn ZigeSun Kuoyuan

(InstituteofGeospatialInformationSurveyingandMapping,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China)

AbstractIn order to solve the problems of current 3D scanning equipment such as complex structure,higher price and complicated operations,we designed a 3D reconstruction scheme for the video of movingly scanning objects with handheld line laser,and proposed an effective solution aimed at the difficult problem of moving laser plane extraction in video.Based on the variation sequence of grey information in video frame at adjacent time of each pixel,the method interpolates the time the laser stripe boundary passing through this pixel,and calculates the light plane where the laser stripe of each pixel is on using time and space transform method,then it uses structure light measurement principle to acquire the 3D structure information of scanning object surface pixel by pixel.The video laser scanning implemented with this method can conveniently carry out point cloud integration on multiple scanning results,this effectively avoids the point cloud holes caused by single scanning process,and compared with the line feature extraction methods in traditional structure light scanning process such as the curve fitting method and the Hessian matrix method,etc.,the point cloud data obtained by this method has the features of more uniform and regular,higher density,etc.,which is conducive to point cloud data processing in later stage.

KeywordsLine laserVideo sequence3D point cloudStructure light measurement