陳鑌，黃曉權(quán)
?。ㄎ湟膶W(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）
摘要：激光掃描測距儀以飛思卡爾MK60DN512ZVLQ10微控制器為處理及控制的核心單元，通過CMOS圖像傳感器對線狀激光在物體上形成截面反射進(jìn)行實時捕捉采集圖像，利用DMA快速儲存方式存儲圖像，并對圖像進(jìn)行分析處理獲得激光的坐標(biāo)，再結(jié)合舵機(jī)旋轉(zhuǎn)掃描獲得多列數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各點的三維坐標(biāo)，由此獲得掃描物體或場景的三維點云數(shù)據(jù)并實現(xiàn)三維模型重建。該設(shè)計方案可靠，成本低廉，同時擁有良好的測量精度。
關(guān)鍵詞：激光掃描；CMOS圖像傳感器；飛思卡爾MK60；點云數(shù)據(jù)；3D模型重建
0引言
人類對于外界事物的感知80%是通過視覺來獲取的［1］。而通過激光掃描實現(xiàn)的實景復(fù)制則可以很好地重現(xiàn)立體視覺感知，所以3D掃描技術(shù)具有相當(dāng)廣泛的用途，例如工業(yè)設(shè)計、機(jī)器人導(dǎo)航、地貌測量、逆向工程、數(shù)字文物典藏、生物信息、電影制片、游戲素材創(chuàng)作等都可應(yīng)用。
但3D激光掃描研究更多地被應(yīng)用于大型工程精確測量中，實際用于家庭及個人的民用低成本研究相對較少，并且成熟的設(shè)計方案也不多。因此研究低成本并具有良好性能的激光掃描測距儀有十分重要的現(xiàn)實意義和市場價值。
1激光掃描儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計基于飛思卡爾公司Kinetis系列的MK60DN512ZVLQ10（K60）ARM CortexM4內(nèi)核架構(gòu)的微處理器,其外圍功能豐富，最高主頻可達(dá)100 MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的功能外設(shè)，具備了所需的PWM、DMA、IIC等功能模塊，并且擁有FlexBus存儲接口，支持外部SRAM的擴(kuò)展［2］。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
激光掃描系統(tǒng)不僅需要控制舵機(jī)完成圖像序列掃描，而且需要實時采集大量的圖像數(shù)據(jù)，并對這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理生成精確的點云數(shù)據(jù)。所以系統(tǒng)對ARM的控制要求較高，它不僅要負(fù)責(zé)傳感器的控制和數(shù)據(jù)傳輸，還需外擴(kuò)SRAM用于圖像存儲，同時為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率還需配置DMA通道，完成采集和執(zhí)行數(shù)據(jù)處理算法，計算出點云數(shù)據(jù)再通過UART輸出到計算機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠充分利用控制器的內(nèi)部資源，提高運(yùn)行效率。同時也讓掃描變得更靈活，控制器可以不依賴計算機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，最后的數(shù)據(jù)輸出可以通過藍(lán)牙無線傳送。
2圖像采集和存儲
2.1OV7670圖像傳感器的采集
型號為OV7670的圖像傳感器是市面上較為常見并且價格較低的一款可編程傳感器，很適合運(yùn)用于嵌入式的底層設(shè)計。為了便于調(diào)試觀察可將圖像傳感器配置為輸出固定QVGA的八色的色條測試圖案。圖像傳感器默認(rèn)的圖案數(shù)據(jù)輸出格式為YUV的YUYV（4∶2∶2）。為了便于數(shù)據(jù)觀察，將U值和V值的輸出配置成固定值，在上位機(jī)只顯示Y值即灰度值，效果如圖2。
測試圖案的采集涉及到的寄存器配置相對較少，而拍攝圖像的采集要涉及到上百個寄存器的配置，其中關(guān)鍵的配置在于時鐘，時鐘的配置直接影響到圖像采集是否成功。這涉及到微處理器地址0X11內(nèi)部時鐘的選擇和0X6B內(nèi)部PLL控制這兩個關(guān)鍵寄存器的配置。對0X11使用內(nèi)部時鐘并二分頻，0X6B中PLL配置為輸入時鐘×4，即可正常使用OV7670采集圖像數(shù)據(jù)，通過OV7670采集得到的部分灰度圖像如圖3所示。
2.2SRAM的擴(kuò)展和圖像的完整采集與存儲
對于圖像傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，一般的微控制器自帶的SRAM根本不夠存儲，由計算可得一幀YUV格式的QVGA至少要占用150 KB的容量，而微控制器自帶的SRAM只有128 KB，不能完整地存儲一幀YUV格式的QVGA圖像。所以圖像的存儲便涉及到SRAM的擴(kuò)展。SRAM的擴(kuò)展可以通過外部存儲和設(shè)備控制總線接口FlexBus實現(xiàn)。分配的外部SRAM分別進(jìn)行全范圍的8位、16位和32位的寫入讀出操作，通過判斷數(shù)據(jù)的正確與否來驗證外部SRAM是否正確驅(qū)動。對QVGA圖像的完整采集和存儲就要結(jié)合圖像傳感器的采集和外部SRAM的存儲。實現(xiàn)兩者之間的連接可以直接將DMA的目標(biāo)地址指向外部SRAM的基地址，從而完整地存儲圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)QVGA八色顏色條的采集和存儲基礎(chǔ)上，對拍攝圖像同樣進(jìn)行采集和存儲，如下圖4、5所示。圖4完整的QVGA八色顏色條灰度顯示
3點云數(shù)據(jù)計算及3D模型重建
要獲得點云數(shù)據(jù)就需要先進(jìn)行圖像分析，識別出激光光斑的像素坐標(biāo)并處理輸出，再根據(jù)原理分析公式與實際校正數(shù)據(jù)擬合的曲線公式計算獲得實際距離，并由幾何計算獲得整列激光各點的實際距離值，同時結(jié)合舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)角掃描獲得多列距離數(shù)據(jù)，最后由距離數(shù)據(jù)再經(jīng)三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換獲得點云數(shù)據(jù)。之后，將點云數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)并導(dǎo)入第三方模型編輯軟件，實現(xiàn)3D模型的重建。
3.1圖像分析和處理
圖像采集和輸出中一直只用Y值即灰度值，所以圖像分析也用Y值進(jìn)行分析。Y值的范圍為0X00~0XFF，0X00為黑色，0XFF為白色，激光光斑的值是每行中最高的，因為激光光斑實質(zhì)是反射的光源，而激光正是定向發(fā)光且亮度極高的光源，另外由于圖像傳感器加裝了紅外慮光片，很好地削弱了可見光，保留了紅外激光。但激光光斑并不是僅占一個像素點，所以應(yīng)該以激光光斑像素點中的最高值代表激光光斑中心的位置［3］。圖像分析算法可以逐行求出Y的最高值以確定激光光斑中心的位置，再輸出轉(zhuǎn)換計算后的坐標(biāo)值。如下圖6所示。
3.2曲線擬合
公式中運(yùn)用的參數(shù)在實際中并不能準(zhǔn)確地由測量獲得，所以這些參數(shù)應(yīng)以實際的校正為準(zhǔn)。本設(shè)計結(jié)合攝像頭的參數(shù)，采用指數(shù)函數(shù)曲線進(jìn)行擬合［4］。從擬合結(jié)果中可以看出，擬合公式和采集的數(shù)據(jù)吻合度還是非常高的，如下圖7所示，曲線擬合的公式將可以實現(xiàn)縱列中點的單點測距，公式如下：
3.3整列激光各點實際距離的計算
在求得了單點激光距離的基礎(chǔ)上，再擴(kuò)展到整列激光各點的實際距離計算，同時在求出垂線距離d’后，需再經(jīng)過幾何計算轉(zhuǎn)化為實際的距離D，如圖8所示，進(jìn)行距離計算分析［5］。
3.4整列激光各點實際距離的計算
點云數(shù)據(jù)是掃描物體外表面各點三維坐標(biāo)的集合，點云數(shù)據(jù)的計算實質(zhì)就是對各點激光的實際距離經(jīng)幾何計算轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)的過程［5］。三維坐標(biāo)求解公式如下：
pX=real_distance×cos(pitch_angle)×sin(yaw_angle+CurrentAngle×π/180)
pY=real_distance×cos(pitch_angle)×cos(yaw_angle+CurrentAngle×π/180)
pZ=real_distance×sin(－pitch_angle)
本設(shè)計中3D模型的重建直接采用第三方模型編輯軟件Meshlab，需要將點云數(shù)據(jù)從系統(tǒng)傳輸至計算機(jī)并保存成軟件能夠查看的文件格式如：.txt、.ply或.xyz文件。
最終得到的3D重建效果如圖9、10所示。圖9掃描的真實環(huán)境圖像
4結(jié)論
經(jīng)過實驗測試，基于飛思卡爾K60激光掃描測距儀在0~3 m范圍內(nèi)的掃描精度為0.045 m，并且整個系統(tǒng)可靠，價格低廉。該設(shè)計使用圖103D掃描重建的正視效果
便攜掃描的方案，讓3D掃描儀能方便地運(yùn)用于不同場合，如家用小場景小模型的三維掃描、機(jī)器人的智能導(dǎo)航、室內(nèi)復(fù)雜場景三維建模等。同時自主研究了一套圖像傳感器底層嵌入式驅(qū)動的方法，具有廣泛的應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 湛金輝.基于激光和CCD的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南昌:南昌航空大學(xué),2008.
［2］ 飛思卡爾技術(shù)部.ARM CortexM4高性能MCU：Kinetis K系列［EB/OL］.（20151207）http://www.freescale.com/zhHans/webapp/sps/site/taxonomy.jsp?code=KINETIS_K_SERIES&cof=0&am=0.
?。?］ 向勁松,吳金勇,李曉雙，等.高幀頻激光光斑采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1):1315,19.
?。?］ 王剛,張超.電渦流傳感器及其最佳特性曲線擬合方程式［J］.石油化工自動化,2005（3）:2628.
［5］ 劉江,汪濤,唐清清，等.激光三角法厚度測量儀的設(shè)計與研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(10):1619.