一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，包括如下步骤：1)设定一个摄像头采样周期内的激光投影器的曝光时间Ts作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；2)在摄像头采集的图像中筛选得到真实的激光线投影；3)在获得激光线投影的连通区域后，统计连通区域内的像素点，将统计结果与设定的激光合理曝光区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。本发明提供一种扫描效果良好、扫描精度较高的手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法。
1.一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
1)设定一个摄像头采样周期内的激光投影器的曝光时间Ts作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；
2)在摄像头采集的图像中筛选得到真实的激光线投影；
3)在获得激光线投影的连通区域后，沿识别出的激光线所有位置的法向量方向搜索每一行灰度最大的像素点所获得的像素点集合称为该激光所投影线条的脊线；统计激光投影图案中的每一条脊线灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。
2.如权利要求1所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述合理曝光灰度区间包括下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域激光线的脊线中所有像素Pi的灰度Gi低于Gth1的像素点的个数N1、高于Gth2的像素点的个数N2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数N3：最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占
的比例是否大于等于经验阀值Nth： 如果是则完成激光曝光值的设定；
如果 则根据N1和N2的值的大小来反馈控制激光投影器的曝光时间Ts
是增大还是减小：如果N1>N2，则调大Ts，反之则调小Ts，返回步骤1)。
3.如权利要求1所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中获得激光投影线第i行的法向有效线宽的像素和亚像素的总个数Wi，1≤i≤n，n为总行数，并求出整幅图像上的激光投影线的平均有效线宽
4.如权利要求3所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述合理曝光灰度区间包括线宽上下阀值Wth1和Wth2，如果 则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果 则调小Ts，返回步骤1)。
5.如权利要求1所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中统计其所有像素的平均灰度
6.如权利要求5所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述合理曝光灰度区间包括平均灰度上下阀值EGth1和EGth2，如果则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果则调小Ts，返回步骤1)。
7.如权利要求1～4之一所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，在摄像头采集的图像中用边缘提取方法得到灰度值高于设定阀值的连通区域，并根据其形状特征进行模式识别，筛选得到真实的激光线投影。
8.如权利要求1～4之一所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，所述激光投影器的投影频率与摄像头的曝光频率同步，即激光投影器在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内激光图案投影器处于关闭状态。
9.如权利要求1～4之一所述的一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，其特征在于：所述摄像头的同步曝光时间的长度大于等于所述的激光器投影器的开启时间。
一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及手持激光三维扫描仪，尤其是一种手持激光三维扫描方法。
背景技术
[0002] 手持激光三维扫描技术以其抗干扰能力强、检测精度高、使用简便等优点逐步被用在各种工业、考古、医疗、教学等领域。相比白光投影原理的三维扫描仪，激光三维扫描仪可以从每一组同步帧图像中提取物体表面特征计算得到被扫描物体的一部分表面点云，以及由于激光投影的光强更大因而允许捕捉其图像的摄像头可以以不产生运动模糊的快门时间进行曝光，因此更能适合用手持的方式在不断连续移动的状态下进行扫描。另外，由于激光的波段的单一性，通过在摄像头前加装带通滤光镜可以很大程度上去除环境光线对其扫描过程的影响，使其适用于室外自然光环境下的物体表面轮廓的三维扫描。
[0003] 目前的手持激光三维扫描仪内部由两个及以上的摄像头和一个及以上的激光投影器组成，其相互之间的所有位置关系均已经在扫描前标定已知，在扫描时两个及以上的摄像头同步采集目标物体表面的特征点用于定位仪器自身的空间三维坐标位置，采集被投影到目标物体表面的激光投影图案用于获得目标物体的表面点云数据。不同颜色和材质的物体表面，对于激光的反射效率和自然光的反射均不尽相同，因此如果用固定亮度的激光投影器去照射被扫描物体，可能会得到不同灰度的激光投影图像，过亮或者过暗均会影响扫描的效果和精度。
[0004] 以只投射单条线状激光的激光投影器投射到一定灰度的目标物体表面为例，如图1所示，在摄像头采集获得的激光图案中，垂直于激光方向为横坐标方向，以激光线条的中心为原点，逐行计算分析该方向上的像素分布。图2为垂直于激光方向的一维亮度分布曲线，纵坐标为像素上的灰度值，从0到255对应暗到亮。例子中目标物体表面非激光照射区域在摄像头上成像的平均灰度为40左右，扫描仪在一个摄像头快门开启期间的激光持续时间分别设为1ms、2ms和4ms，以灰度值为100作为区分是否为激光图案的阀值。激光持续时间设为2ms时，其亮度分布曲线显示的激光宽度在3个像素左右；激光持续时间设为4ms时激光宽度为11个像素左右，由于扫描时需要在摄像头采集的图像中精确的识别出激光在目标物体表面的轮廓线，过宽的激光线条会导致无法获得精准的表面特征，从而降低扫描的精度；激光持续时间为1ms时激光整体的灰度值均在100以下，与非激光照射区域的灰度相差不大，因此无法在图像的背景中有效提取激光的图案信息。
发明内容
[0005] 为了克服已有手持激光三维扫描仪采用固定亮度的激光投影器导致扫描存在的扫描效果较差、扫描精度较低的不足，本发明提供一种扫描效果良好、扫描精度较高的手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
[0008] 1)设定一个摄像头采样周期内的激光投影器的曝光时间Ts作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；
[0009] 2)在摄像头采集的图像中筛选得到真实的激光线投影；
[0010] 3)在获得激光线投影的连通区域后，统计连通区域内的像素点，将统计结果与设定的激光合理曝光区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。
[0011] 进一步，所述步骤3)中，沿识别出的激光线所有位置的法向量方向搜索每一行灰度最大的像素点所获得的像素点集合称为该激光所投影线条的脊线；统计该激光投影图案中的每一条脊线灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。
[0012] 再进一步，所述合理曝光区间包括下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域激光线的脊线中所有像素Pi的灰度Gi低于Gth1的像素点的个数N1、高于Gth2的像素点的个数N2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数N3：最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占
的比例是否大于经验阀值： 如果是则完成激光曝光值的设定；如果
则根据N1和N2的值的大小来反馈控制激光投影器的曝光时间Ts是增
大还是减小：如果N1>N2，则调大Ts，反之则调小Ts，返回步骤1)。
[0013] 或者是：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中获得激光投影线第i行的法向有效线宽的像素和亚像素的总个数Wi，1≤i≤n，n为总行数，并求出整幅图像上的激光投影线的平均有效线宽
[0014] 所述激光合理曝光区间包括线宽上下阀值Wth1和Wth2，如果 则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果 则调小Ts，返回步骤1)。
[0015] 再或者是：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中统计其所有像素的平均灰度
[0016] 所述激光合理曝光区间包括平均灰度上下阀值EGth1和EGth2，如果则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果则调小Ts，返回步骤1)。
[0017] 更进一步，所述步骤2)中，在摄像头采集的图像中用边缘提取方法得到灰度值高于设定阀值的连通区域，并根据其形状特征进行模式识别，筛选得到真实的激光线投影。
[0018] 所述激光投影器的投影频率与摄像头的曝光频率同步，即激光投影器在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内激光图案投影器处于关闭状态。
[0019] 进一步，摄像头的同步曝光时间的长度大于等于所述的激光器投影器的开启时间。
[0020] 本发明的技术构思为：由于手持激光三维扫描仪的扫描精度直接取决于摄像头所拍摄到的激光投影器投射到被扫描物体表面的投影图案的成像质量，而成像质量很大程度取决于其在摄像头内部的感光元件上的亮度是否合适。扫描仪扫描颜色较深的物体时为得到正常曝光，需要增加激光投影器的投射亮度；而扫描颜色较浅的物体时则需要减少激光投影器的投射亮度来得到正常的曝光图案。
[0021] 本发明所述的手持激光三维扫描仪通过对激光投影器开启时间的调节，在一个摄像头的曝光周期内可同时获得曝光合适的激光投影图案，从而保证手持激光三维扫描仪的扫描精度。相比固定亮度的激光投影器的三维扫描仪，本发明所述的手持激光扫描扫描仪可以显著降低扫描仪对工作环境的要求，提高扫描各自表面颜色和材质的适应性。另外，将激光投影器的开启时间从整个扫描过程调整为摄像头的快门开启周期内可以显著降低系统的功耗，同时也防止激光亮度过亮而对人眼睛造成伤害。
[0022] 本发明的有益效果主要表现在：1、扫描效果良好、扫描精度较高；2、降低功耗，安全性较高。
附图说明
[0023] 图1是投射单条线状激光的激光投影器投射到一定灰度的目标物体表面的示意图。
[0024] 图2是激光的法向方向的一维亮度分布曲线，纵坐标为像素上的灰度值，从0到255对应暗到亮。
[0025] 图3是手持激光三维扫描仪的控制原理图。
[0026] 图4是触发时序的示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0028] 参照图1～图4，一种手持激光三维扫描仪的激光投影器曝光时间控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
[0029] 4)设定一个摄像头采样周期内的激光投影器的曝光时间Ts作为反馈控制的初始值，并采集摄像头的图像数据；
[0030] 5)在摄像头采集的图像中筛选得到真实的激光线投影；
[0031] 6)在获得激光线投影的连通区域后，统计连通区域内的像素点，将统计结果与设定的激光合理曝光区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。
[0032] 进一步，所述步骤3)中，沿识别出的激光线所有位置的法向量方向搜索每一行灰度最大的像素点所获得的像素点集合称为该激光所投影线条的脊线；统计该激光投影图案中的每一条脊线灰度值，将统计结果与设定的合理曝光灰度区间进行比较，如果属于该合理曝光灰度区间，将Ts作为激光投影器的曝光时间，否则，调节Ts。
[0033] 再进一步，所述合理曝光区间包括下限经验阀值Gth1和上限经验阀值Gth2，统计出该区域激光线的脊线中所有像素Pi的灰度Gi低于Gth1的像素点的个数N1、高于Gth2的像素点的个数N2和处于Gth1和Gth2之间的像素点个数N3：最后判断灰度值处于Gth1和Gth2之间的正常曝光像素点所占
的比例是否大于经验阀值： 如果是则完成激光曝光值的设定；如果
则根据N1和N2的值的大小来反馈控制激光投影器的曝光时间Ts是增
大还是减小：如果N1>N2，则调大Ts，反之则调小Ts，返回步骤1)。
[0034] 或者是：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中获得激光投影线第i行的法向有效线宽的像素和亚像素的总个数Wi，1≤i≤n，n为总行数，并求出整幅图像上的激光投影线的平均有效线宽
[0035] 所述激光合理曝光区间包括线宽上下阀值Wth1和Wth2，如果 则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果 则调小Ts，返回步骤1)。
[0036] 再或者是：所述步骤3)中，从识别出的激光线的连通区域中统计其所有像素的平均灰度
[0037] 所述激光合理曝光区间包括平均灰度上下阀值EGth1和EGth2，如果则完成激光曝光值的设定；如果 则调大Ts，如果则调小Ts，返回步骤1)。
[0038] 进一步，所述步骤2)中，在摄像头采集的图像中用边缘提取方法得到灰度值高于设定阀值的连通区域，并根据其形状特征进行模式识别，筛选得到真实的激光线投影。
[0039] 所述激光投影器的投影频率与摄像头的曝光频率同步，即激光投影器在摄像头的快门开启时间段内处于工作状态，而在摄像头的快门闭合的时间段内激光图案投影器处于关闭状态。
[0040] 再进一步，所述摄像头的同步曝光时间的长度大于等于所述的激光器投影器的开启时间。
[0041] 以两个摄像头及三个激光投影器组成的手持激光三维扫描仪为例，如图4所示，Ta1～Ta3为两个摄像头同步触发连续的三个快门曝光周期的曝光时间，每个周期的曝光时间相等，即Ta1＝Ta2＝Ta3；Tb1～Tb3分别为1#、2#和3#激光投影器的开启的时间，其触发周期是摄像头曝光触发周期的3倍。由于激光投影器和补光光源均需要在摄像头快门开启之后触发开启而在摄像头快门关闭之前停止才有意义，否则将不会对摄像头所采集的图像任何产生影响，因此Ta≥Tb。摄像头在激光投影器停止触发后继续开启快门曝光并不会改变摄像头采集的目标物体表面的激光投影图案和标记点的成像，而且还会增加环境光对图像的干扰，因此摄像头曝光时间可设置为激光投影器启动时间，即Ta＝Tb。
[0042] 本实施例根据摄像头快门开启期间调节激光投影器启动时间以获得最佳激光曝光图像。
[0043] 以两个摄像头及三个激光投影器组成的手持激光三维扫描仪为例，如图3所示。逻辑主控芯片MCU通过信号隔离电路与同时与两路摄像头的曝光触发接口连接，控制两路摄像头进行同步曝光；通过三个MOS管分别控制三个激光投影器以设定的频率和开启时间进行激光图案投影。
