三維足部掃描系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的基本設(shè)置

郝超杰

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)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(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)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(guān)鍵詞：三維激光掃描；數(shù)據(jù)；點(diǎn)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(jì)算機(jī)、圖像識(shí)別、畸變差更正、建模。通過計(jì)算機(jī)控制平移采集圖像，采用黑白棋盤格標(biāo)定靶和張正友算法，標(biāo)定圖像中心坐標(biāo)（Cx，Cy），畸變系數(shù)（k1、k2、p1、p2）等攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，研制適于足部激光掃描系統(tǒng)標(biāo)定的細(xì)絲標(biāo)定靶，并在攝像機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，采用直接線性變換方法，得到像素坐標(biāo)（Xf，Yf）與世界坐標(biāo)（Xw，Yw）的映射關(guān)系矩陣，進(jìn)而通過高斯濾波等除去雜點(diǎn)，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(jì)算機(jī)的基本配置

針對(duì)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(dòng)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)分辨率應(yīng)優(yōu)于本系統(tǒng)長度方向的分辨率：20μm。同時(shí)，本系統(tǒng)需要在平臺(tái)的臺(tái)面中軸線下方安裝下光機(jī)模組（包括CCD和激光器），在臺(tái)面兩側(cè)安裝兩個(gè)支撐臂用來支撐左右光機(jī)模組，同時(shí)，考慮到成年人的一般體重，這就要求臺(tái)面允許的承載大于lO0kg（估計(jì)值）。隨后根據(jù)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)選擇驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)圖像采集速率，計(jì)算得到在不細(xì)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(xì)分，每秒需要脈沖數(shù)變?yōu)?84000個(gè)，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(jì)算，選擇單軸步進(jìn)電機(jī)控制器。它是一塊多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)/伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)行或兩軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制，并由硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的超限保護(hù)。其功能特點(diǎn)有：32位PCI總線（PCI2.1標(biāo)準(zhǔn)）；最高速可達(dá)1 MHz（即每秒1000000個(gè)脈沖）；自動(dòng)回原點(diǎn)功能，可讀回運(yùn)動(dòng)中實(shí)際位置。整個(gè)系統(tǒng)除了計(jì)算機(jī)、平移臺(tái)自身有配套的電源，還需要給運(yùn)動(dòng)控制器、CCD攝像機(jī)以及激光器配備直流電源。

二、圖像的采集和識(shí)別處理

圖像采集系統(tǒng)由接口、CCD攝像機(jī)和控制軟件組成，通過控制軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信號(hào)的采集和保存。接口有USB、Net、1394等，根據(jù)系統(tǒng)使用要求設(shè)置采集參數(shù)，采集時(shí)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(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別時(shí)需要首先進(jìn)行光帶中心提取，對(duì)灰度圖像進(jìn)行光帶提取時(shí)采用質(zhì)心法，分兩步來實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)作二值化圖像每一列的像素點(diǎn)的進(jìn)行掃描，對(duì)灰度值為1的點(diǎn)（即白像素點(diǎn)）進(jìn)行質(zhì)心運(yùn)算，即可得到當(dāng)前列的光帶中心像素坐標(biāo)，然后逐列移動(dòng)，即可得到所有列上的光帶中心坐標(biāo)，此時(shí)得到的光帶中心坐標(biāo)只是一個(gè)近似值；在第一步得到的像素坐標(biāo)近似值的基礎(chǔ)上，從原始灰度圖像上尋找這一坐標(biāo)在列方向上的一個(gè)鄰域，然后利用質(zhì)心法重新計(jì)算每一列的光帶中心，即可得到更為精確的光帶中心坐標(biāo)。

攝像機(jī)標(biāo)定是從二維圖像獲取三維空間信息的關(guān)鍵和必要步驟，如基于圖像的物體重建，基于圖像的測(cè)量等?，F(xiàn)有的攝像機(jī)標(biāo)定方法大致可以分成兩類：傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法和攝像機(jī)自標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法是在一定的攝像機(jī)模型下，基于特定的實(shí)驗(yàn)條件，如形狀、尺寸己知的標(biāo)定參照物，經(jīng)過對(duì)其圖像進(jìn)行處理，利用一系列數(shù)學(xué)變換和計(jì)算方法，求取攝像機(jī)模型的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。但在很多情況下，由于存在經(jīng)常性調(diào)整攝像機(jī)的要求，且設(shè)置己知的標(biāo)定參數(shù)也不現(xiàn)實(shí)，這時(shí)就需要一種不依賴標(biāo)定參照物的攝像機(jī)自標(biāo)定方法。用二維平面靶標(biāo)和張正友算法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

其中為了獲得己知的精確的世界坐標(biāo)，需要設(shè)計(jì)精密標(biāo)定靶。標(biāo)定靶作用是為各視覺傳感器提供相應(yīng)的標(biāo)定控制點(diǎn)對(duì)：即精確的世界坐標(biāo)和像素坐標(biāo)。它應(yīng)滿足：標(biāo)定點(diǎn)的空間范圍應(yīng)該能夠近似覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，才能保證測(cè)量精度；在標(biāo)定過程中，要對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，因此標(biāo)定靶的設(shè)計(jì)應(yīng)該使得標(biāo)定過程盡量簡單，減少標(biāo)定過程中的工作量。

三、標(biāo)定方法選取與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

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

其中世界坐標(biāo)唯一法的基本思想是直接利用世界總體坐標(biāo)系下的標(biāo)定點(diǎn)對(duì)處于測(cè)量狀態(tài)的各個(gè)視覺傳感器單元進(jìn)行局部標(biāo)定，從而將局部標(biāo)定和全局標(biāo)定統(tǒng)一到了一起。其優(yōu)點(diǎn)在于：實(shí)現(xiàn)了在測(cè)量現(xiàn)場視覺傳感器局部標(biāo)定和全局標(biāo)定的統(tǒng)一；減少了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而減少了由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換所帶來的精度損失；減少了標(biāo)定點(diǎn)的采集次數(shù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。因此采用世界坐標(biāo)唯一法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全局標(biāo)定。

利用平面靶標(biāo)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的關(guān)鍵是含有坐標(biāo)信息的特征點(diǎn)也稱控制點(diǎn)的檢測(cè)。常用的特征點(diǎn)是黑白棋盤格靶標(biāo)上的角點(diǎn)。目前的檢測(cè)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(diǎn)來擬合直線或計(jì)算邊緣曲率、夾角，從而判定角點(diǎn)。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(jìn)行邊緣檢測(cè)；

2.利用BW算子求出邊緣區(qū)域的CBW響應(yīng)值，并設(shè)置閩值取出前M個(gè)；

3.設(shè)置角點(diǎn)鄰域閾值，將同一角點(diǎn)鄰域內(nèi)的點(diǎn)取均值，最終得出與實(shí)際角點(diǎn)數(shù)量相同的N個(gè)角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。

準(zhǔn)確檢測(cè)了一幅圖像的角點(diǎn)像素坐標(biāo)之后，就能利用張正友算法進(jìn)行標(biāo)定，該方法基于以下思想：標(biāo)定過程中，攝像機(jī)的內(nèi)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(jī)在兩個(gè)以上不同的位置對(duì)同一平面靶標(biāo)進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)或靶標(biāo)兩者之一可以自由移動(dòng)，不需要知道它們之間的相互位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。像機(jī)的標(biāo)定完成之后，就能將角點(diǎn)的世界坐標(biāo)結(jié)合攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)矩陣，將各點(diǎn)投影到圖像坐標(biāo)系中，比較重投影點(diǎn)與實(shí)際檢測(cè)出的角點(diǎn)之間的誤差。為了說明角點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)于直線擬合和BW算子檢測(cè)出的角點(diǎn)也按照張正友方法求解攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，之后投影到圖像坐標(biāo)系中。

四、模型構(gòu)建

建模需要依次進(jìn)行以下步驟，進(jìn)行以下步驟：首先進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。調(diào)整玻璃平臺(tái)與導(dǎo)軌面平行，即與掃描方向平行；調(diào)整兩個(gè)掃描臂平面與導(dǎo)軌平行，且等高、等間距；然后進(jìn)行傳感器調(diào)試。保證腳底面與玻璃平面相交的位置不會(huì)超出CCD相機(jī)的視場并留有一定余量，保證數(shù)據(jù)的完整性?？梢酝ㄟ^調(diào)整CCD安裝座的俯仰角度實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閳D像亮度、對(duì)比度的設(shè)置如果太低，會(huì)使光帶的亮度降低，不易于黑暗的背景區(qū)分；如果設(shè)置太高，會(huì)使得噪聲點(diǎn)亮度增加，產(chǎn)生誤差和多余點(diǎn)云。隨后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制調(diào)試。保證CCD在電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)階段采集圖像。在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，若人為碰觸近端的零位開關(guān)和遠(yuǎn)端的限位開關(guān)，電機(jī)將立即停止運(yùn)動(dòng)，這就保證了系統(tǒng)的安全。其次進(jìn)行激光平面調(diào)試。通過調(diào)整激光器安裝座的俯仰、平移，將三個(gè)激光平面調(diào)整到完全重合且與掃描方向垂直的狀態(tài)。最后通過點(diǎn)云真實(shí)地還原腳模的外形輪廓變化，多個(gè)角度視圖清晰。用高斯濾波濾除雜點(diǎn)，進(jìn)而得到更為完善的模型。

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