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基于转动式二维 扫描仪和多传感器的三维重建方法

张新荣,王鑫,王瑶,向高峰

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张新荣, 王鑫, 王瑶, 向高峰. 基于转动式二维 扫描仪和多传感器的三维重建方法[J]. , 2023, 16(3): 663-672. doi: 10.37188/CO.2022-0159
引用本文: 张新荣, 王鑫, 王瑶, 向高峰. 基于转动式二维 扫描仪和多传感器的三维重建方法[J]. , 2023, 16(3): 663-672.doi:10.37188/CO.2022-0159
ZHANG Xin-rong, WANG Xin, WANG Yao, XIANG Gao-feng. 3D reconstruction method based on a rotating 2D laser scanner and multi-sensor[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 663-672. doi: 10.37188/CO.2022-0159
Citation: ZHANG Xin-rong, WANG Xin, WANG Yao, XIANG Gao-feng. 3D reconstruction method based on a rotating 2D laser scanner and multi-sensor[J].Chinese Optics, 2023, 16(3): 663-672.doi:10.37188/CO.2022-0159

基于转动式二维 扫描仪和多传感器的三维重建方法

doi:10.37188/CO.2022-0159
基金项目:陕西省重点研发计划国际科技合作计划项目(No. 2019KW-015);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(No. 300102259306)
详细信息
    作者简介:

    张新荣(1968—),男,陕西三原人,博士,教授,1990年于吉林工业大学获得学士学位,1993年于西安公路学院获得硕士学位,2000年于西安公路交通大学获得博士学位,主要从事机械系统动力学与控制。E-mail:zxrong@chd.edu.cn

    王 鑫(1998—),男,湖北十堰人,硕士研究生,2021年于湖北汽车工业学院获得学士学位,研究方向为机械系统动力学及其控制。E-mail:2021225022@chd.edu.cn

  • 中图分类号:TP394.1;TH691.9

3D reconstruction method based on a rotating 2D laser scanner and multi-sensor

Funds:Supported by Shaanxi International Science and Technology Cooperation Project (No. 2019KW-015); the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 300102259306)
More Information
  • 摘要:

    三维重建技术是机器视觉中最热门的研究方向之一,在无人驾驶和数字化加工与生产等领域得到了广泛的应用。传统的三维重建方法包括深度相机和多线 扫描仪,但是通过深度相机获得的点云存在着信息不完整和不精确的问题,而多线 扫描仪成本高,阻碍了该项技术的应用和研究。为解决上述问题,提出了一种基于转动式二维 扫描仪的三维重建方法。首先,用步进电机带动二维 扫描仪旋转运动来获取三维点云数据。然后,用多传感器融合的方法对 扫描仪的位置进行标定,采用坐标系变换完成点云数据的匹配。最后,对采集得到的点云数据进行了滤波和精简处理。实验结果表明:相较于深度相机/IMU数据融合的重建方法,平均误差降低了0.93 mm,为4.24 mm;精度达到了毫米级别,误差率也控制在了2%以内;整套设备的成本相较于多线 扫描仪大大降低。本文方法基本满足保留物体的外形特征、高精度和成本低的要求。

  • 图 1二维扫描原理

    Figure 1.Scanning principle of 2D laser scanner

    图 2三维扫描原理

    Figure 2.Scanning principle of 3D laser scanner

    图 3多视角扫描方法

    Figure 3.Multi-view scanning method

    图 4位姿估测

    Figure 4.Position and attitude estimation

    图 5三维重建系统组成示意图

    Figure 5.Diagram of 3D reconstruction system

    图 6 扫描仪运动装置结构图

    Figure 6.Structure diagram of laser scanner motion device

    图 7扫描实验电路图

    Figure 7.Scanning experimental circuit diagram

    图 8软件程序处理流程

    Figure 8.Software program processing flow

    图 9半径滤波原理

    Figure 9.Principle of radius filter algorithm

    图 10实验装置

    Figure 10.Experimental device

    图 11(a)原始物体及其(b)点云图像

    Figure 11.(a) Original object and (b) it's point cloud image

    图 12点云数据滤波结果

    Figure 12.Filter results of point cloud data

    图 13点云数据精简结果

    Figure 13.Point cloud data reduction results

    图 14误差修正前后相对误差对比图

    Figure 14.Comparison of measurement error rates before and after error correction

    图 15深度相机/IMU的物体重建结果

    Figure 15.Object reconstruction results of depth camera/IMU

    表 1根据V′对点云进行分类

    Table 1.Categorizion of the point cloud according toV

    分类类别 V′的取值区间
    1 [0,0.003)
    2 [0.003,0.004)
    3 [0.004,0.008)
    4 [0.008,0.016)
    5 [0.016,0.032)
    6 [0.032,0.064)
    7 [0.064,1]
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    表 2实验测量结果

    Table 2.Experimental measurement results

    测量次数 实际距离(mm) 误差修正前(mm) 误差修正后(mm)
    1 374 389.6 377.2
    2 377 396.5 383.4
    3 452 471.8 457.1
    4 397 414.4 399.9
    5 445 465.5 449.2
    6 421 439.5 424.6
    7 385 404.2 389.3
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    表 3实验结果对比

    Table 3.Comparison of experimental results

    测量次数 实际距离
    (mm)
    本文方法
    (mm)
    深度相机的重建方法
    (mm)
    1 374 377.2 379.5
    2 377 383.4 383.1
    3 452 457.1 447.3
    4 397 399.9 402.6
    5 445 449.2 440.5
    6 421 424.6 417.4
    7 385 389.3 391.2
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出版历程
  • 收稿日期:2022-07-14
  • 录用日期:2022-11-11
  • 修回日期:2022-09-06
  • 网络出版日期:2022-11-22

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