基于线结构光的桌面3D扫描技术
三维测量在产品制造和产品检测上有着广泛的应用。近年来，在三维测量的基础上开展的各种3D扫描技术得到了迅速的发展，传统的三维扫描是接触式的三维扫描，而该技术已越来越无法满足人们的需求。随着3D打印技术的日趋成熟，未来3D打印很有可能像普通打印一样走入一般家庭，因此开展对物体三维数据测量的研究具有实际意义。计算机视觉技术的出现为三维扫描提供了新的途径，而伴随它发展起来的图像处理技术为之提供了可行的方法。通过摄像头拍摄物体图像，并对图像进行处理可获得被测物体的三维信息，这就是三维视觉测量技术。由于这项技术的非接触性、快速性等优点，三维视觉测量技术得到了越来越多的关注，因此近年来三维视觉测量技术发展迅速并成为获取被测物体表面三维信息的主要方法，并且在越来越多的领域取得了广泛的应用。本文就三维扫描标定技术及图像处理技术进行研究。
1线结构光桌面3D扫描仪的组成原理
基于线结构光桌面3D扫描仪是将摄像头和激光器固定，利用转台带动被测物体转动一周来获得被测物体表面三维轮廓数据，图1为桌面3D扫描仪结构框图，主要由激光器、摄像头、控制板、转台、连接件、步进电机、计算机及测量软件等组成。本文设计的基于线结构光桌面3D扫描仪使用的摄像机是络摄像头，控制板使用的是Arduino UNO，其余激光器、螺丝、步进电机等都可以轻松买到，最终组装完成的结果见图2。
测量软件主要完成对摄像机参数的标定、光平面的标定以及光条图像中线结构光光条中心的提取，并根据传感器模型计算出测量位置上的物体表面点坐标，最后根据工作台的位置参数将测量结果整合到物体表面轮廓数据中，并完成对整个物体表面的扫描，得到完整的表面轮廓数据。测量软件部分流程图如图3所示。
2攝像机参数的标定
在线结构光三维扫描测量系统中被测物体的三维轮廓信息是通过摄像机拍摄的图像来获取的。摄像机拍摄出的图像是二维的，只能得到二维坐标系下物体的坐标，而最终扫描是要得到被测物体的三维空间坐标，这就需要利用系统各个模型的参数来进行换算。摄像机标定能获得进行坐标转换所需的参数，这些参数根据决定条件有内外之分。其中内参数由设备本身所决定，不受位置关系影响，而外参数受系统各个元件的相对位置所影响，这些参数在将坐标从二维转换到三维的过程中不可或缺。因此必须首先对摄像机进行标定。
在摄像机标定过程中要进行由二维到三维的坐标转换，故会用到多个坐标系。
摄像机拍摄所得的图像仅仅是一张满是像素点的二维图像，所能提供的也只有以像素个数为单位的像素位置坐标。而最终需要得到的物体三维位置坐标是以物理量为单位的，故需要将以像素为单位的图像转化成以物理量为单位的图像，即将像素坐标系转化为物理坐标系。设二维图像的像素坐标系是以O0为原点、u和v为轴并以像素为单位的O0uv，而在其上再建立一个以物理量为单位的以O1为原点、x和y为轴的坐标系O1xy。其中u轴与x轴相平行，v轴与y轴相平行，而O1不与O0重合。令O1在O0uv下坐标为（u0，v0），如图4所示。
令dx和dy为像素在x轴和y轴上的单位长度，现将摄像机所拍得的图像的二维坐标信息转换成三维坐标信息。首先需要将图像的二维坐标转化到以O点为坐标原点的xc，yc，zc为轴的摄像机坐标系下，其中xc轴与x轴相平行，yc轴与y轴相平行，zc轴为摄像机的光轴，之后就可以把所得的三维坐标转换到世界坐标系下。设世界坐标系由Owxwywzw来表示，它是描述摄像机位置的基准坐标系。则图像、摄像机及世界坐标系之间的关系如图5所示。 3光平面标定
在获得了摄像机内部参数之后，还需要进行光平面标定，以此来
获得扫描所用的线激光的激光光平面在整个系统中的相对位置，即光平面的方程。光平面标定就是要去获得激光光平面上多个特征点的坐标最终求出光平面方程。
由空间几何学知识可知，只要知道空间中不共线的3个或3个以上的光平面特征点的坐标，就可以解出光平面方程，即可以拟合出光平面的结构参数。设光平面结构方程为
为提取光条中心，首先要了解将要进行处理的光条纹的特点。本文所研究的基于线结构光的桌面3D扫描技术使用的是线激光器，而激光器发出的光束实际上是高斯光束。而高斯光束的特点是：设由光源发出的光束沿着光轴传播，则在整个光束上任意一个垂直于光轴的横截面中，光强都服从高斯分布。这表明在光轴任意一个截面上，越靠近光轴光强越强，越远离光轴光强越弱，即光强与到光轴距离成反比。对于线结构光，其投射到被测物体表面时光条每一个位置的横截面上的光强都具有上述的分布特点，即其光强分布为 G（x）=12πσexp-（x-μ）22σ2 （4）
式中：μ为x轴上光强的数学期望；σ为均方差。
则光条每一个横截面上的像素灰度值近似服从高斯分布，如图6所示。由图可知光条的中心处灰度值较大，边缘处灰度值较小。 摄像机所采集到的扫描图像除了光条之外还包括许多无用的信息，同时还包括很多噪声和其他干扰因素。故在进行光条中心提取之前，需要对采集的图像进行处理，尽量排除影响光条提取的因素，这样才能更好地获得想要的信息。
本文所研究的基于线结构光的桌面3D扫描技术不只是要获得被测物的轮廓信息，还希望能获得其色彩信息，故只使用有激光光条的图像来进行处理是不够的，因为光条挡住了其所在位置的色彩信息。所以，本文将采集同一位置的2幅图像，一幅是有激光光条的图像，另一幅是同一位置没有激光光条的图像。这样当提取出了光条中心的位置后就可以在同一位置没有激光光条的图像上提取出光条中心位
基于线结构光的桌面3D扫描技术
