一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置及其扫描方法

摘要

本发明公开了一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置及其扫描方法。由于植物有大量的叶子，导致尖锐处较多，常规扫描装置进行扫描时易出现坏点，扫描精度较低。本发明一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置包括工作台、机架、第一转盘、第二转盘、滑轨、滑块、第一同步带轮、第一同步带、激光传感器、扫描台、第一电机、驱动组件和第三电机。第一转盘、第二转盘分别支承在机架的两端。第一转盘及第二转盘的轴线共线且水平设置。扫描台固定在工作台上。扫描台的顶面与第一转盘及第二转盘的轴线的平齐设置。本发明能够自动完成盆栽扫描和模型建立，且建立的模型能够完整还原盆栽的形状，避免盆栽的尖锐边四周对应的扫描数据出现大量坏点。

说明书

技术领域

本发明属于三维扫描技术领域，具体涉及一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置及其扫描方法。

背景技术

目前对于植物形态检测的装置大部分为一些利用核磁共振、CT成像等方法获得待扫描部位的断层扫描图像，再通过建立三维模型来获得植物的形态。但这部分所用仪器的成本很高，消耗材料昂贵。还有一种运用相机视觉标定的方法来获取植物模型，在装置设备成本上略微便宜，但是处理过程还是较为繁琐，要经过采集图像、相机定标获得系列参数、提取系列图像轮廓、建立点云模型等过程。由于植物有大量的叶子，导致尖锐处较多，常规扫描装置进行扫描时易出现坏点，扫描精度较低。

随着深度摄像、激光测距等三维测量和信息获取技术的发展，激光传感器的应用越发广泛。激光传感器测距的特点能够应用于三维扫描技术。激光传感器扫描时不会出现常规扫描器易在尖锐位置产生坏点的问题，能够提高植物扫描精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置及其扫描方法。

本发明一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置包括工作台、机架、第一转盘、第二转盘、滑轨、滑块、第一同步带轮、第一同步带、激光传感器、扫描台、第一电机、驱动组件和第三电机。所述的机架固定在工作台上。所述的第一转盘、第二转盘分别支承在机架的两端。第一转盘及第二转盘的轴线共线且水平设置。所述的第一转盘由第一电机驱动。所述的第二转盘由第三电机驱动。所述滑轨的一端与第一转盘偏心固定，另一端与第二转盘偏心固定。滑轨水平设置。第一转盘、第二转盘的相对侧侧面上均支承有转轴。两根转轴上均固定有第一同步带轮。两个第一同步带轮通过第一同步带连接。其中一个第一同步带轮由驱动组件驱动。所述的滑块与滑轨构成滑动副。滑块与第一同步带固定。所述的激光传感器固定在滑块上。所述的扫描台固定在工作台上。扫描台的顶面水平设置，且与第一转盘及第二转盘的轴线平齐设置。

进一步地，所述的激光传感器的型号为TIM510。

进一步地，所述的驱动组件包括第二同步带轮、第二同步带和第二电机。所述的第二同步带轮共有两个。其中一个第二同步带轮固定在其中一根转轴上，另一个第二同步带轮与第二电机的输出轴固定。第二电机与第一转盘或第二转盘固定。两个第二同步带轮通过第二同步带连接。

进一步地，所述转轴的轴线与滑轨的长度方向垂直。

进一步地，所述激光传感器的激光发射口朝向第一转盘及第二转盘的轴线。所述激光传感器的扫描角所在平面与第一转盘的轴线垂直。

该应用于植物盆栽的三维激光扫描装置的扫描方法具体如下：

步骤一、以初始状态下激光传感器激光发射口的位置为坐标原点建立绝对坐标系。绝对坐标系的x轴正方向为第二电机正转时滑块的滑动方向，z轴正方向为竖直向上的方向。

步骤二、将待扫描植物盆栽放置到扫描台上。

步骤三、第二电机正转，滑块水平滑动，直至从扫描台上方经过。激光传感器输出第一点云数组。第一点云数组内任意一个离散点的信息都由s_1i、q_1i和θ_1i三个空间位置信息组成。其中，s_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口在绝对坐标系中的x轴坐标值；q_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器器激光发射口与该离散点的距离；θ_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器激光发射口的竖直轴线的夹角。

步骤四、第二电机反转，使得滑块复位。

步骤五、第一电机及第三电机同步正转，使得滑轨翻转90°，激光传感器的激光发射口朝向y轴正方向。

步骤六、第二电机正转，滑块以水平滑动，直至从扫描台的侧面经过。激光传感器输出第二点云数组。第二点云数组内任意一个点的信息都由s_2i、q_2i和θ_2i三个空间位置信息组成。其中，s_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口在绝对坐标系内的x轴坐标值；q_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口与该离散点的距离；θ_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器激光发射口的竖直轴轴线的夹角。

步骤七、第二电机反转，使得激光传感器复位。

步骤八、第一电机及第三电机同步正转，使得滑轨翻转180°，激光传感器的激光发射口朝向y轴负方向。

步骤九、第二电机正转，滑块水平滑动，直至从扫描台的侧面经过。激光传感器输出第三点云数组。第三点云数组内任意一个点的信息都由s_3i、_q3i和θ_3i三个空间位置信息组成。其中s_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口在绝对坐标系内的x轴坐标值；q_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口与该离散点的距离；θ_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器激光发射口的竖直轴轴线的夹角。

步骤十、将激光传感器采集到第一点云数组、第二点云数组、第三点云数组内空间位置信息转化为空间直角坐标系中对应的直角坐标信息。第一点云数组内的空间位置信息转化为(x_1i，y_1i，z_1i)，其中，x_1i＝s_1i，y_1i＝q_1i·sinθ_1i，z_1i＝-q_1i·cosθ_1i。第二点云数组内的空间位置信息转化为(x_2i，y_2i，z_2i)，其中，x_2i＝s_2i，y_2i＝q_2i·sinθ_2i，z_2i＝-q_2i·cosθ_2i。第三点云数组内的空间位置信息转化为(x_3i，y_3i，z_3i)，其中，x_3i＝s_3i，y_3i＝q_3i·sinθ_3i，z_3i＝-q_3i·cosθ_3i。

步骤十一、将第一点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_1i，y′_1i，z′_1i)，x′_1i＝x_1i，y′_1i＝y_1i，z′_1i＝z_1i。将第二点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_2i，y′_2i，z′_2i)，x′_2i＝x_2i，y′_2i＝|z_2i|-R，z′_2i＝|y_2i|-R。将第三点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_3i，y′_3i，z′_3i)，x′_3i＝x_3i，y′_3i＝R-|z_3i|，z′_3i＝|y_3i|-R。

步骤十二、第一点云数组、第二点云数组及第三点云数组内所有离散点按照自身在绝对坐标系内的坐标放置到同一空间内，得到植物盆栽模型。

进一步地，步骤十二得到植物盆栽模型后，对植物盆栽模型内的离散点依次进行去除噪声点、数据插补和数据光滑操作。去除噪声点的方法如下：若一个离散点在以该离散点为球心的半径为d的球形范围内不存在其他离散点，则该点为噪声点，d＝1mm，删除所有噪声点。数据插补采用均值替换法。数据光滑采用移动最小二乘法。

进一步地，步骤二中，需要测量待扫描植物盆栽沿y轴方向的最大维度尺寸b，沿z轴方向的最大维度尺寸c。待扫描植物盆栽沿y轴方向上最外侧的两个点到绝对坐标系内x-z平面的距离均为0.5b。

步骤三中，激光传感器的扫描范围设置为R为激光传感器的激光发射口到第一转盘轴线的距离。

步骤六中，激光传感器的扫描范围设置为

步骤九中，激光传感器的扫描范围设置为

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够自动完成盆栽扫描和模型建立，且建立的模型能够完整还原盆栽的形状，避免盆栽的尖锐边四周对应的扫描数据出现大量坏点。

2、本发明采用激光传感器6所谓扫描元件，对于粉尘、烟雾环境及干扰光的干扰环境下依然能够正常工作。

3、本发明对于低反射率的植物依然能够有良好扫描效果。

4、本发明能够通过控制扫描点的数量，来控制扫描精度和扫描速度，进而适应不同场合的需求。

5、本发明成本低，扫描范围大，可运用于不同尺寸植物盆栽的检测，适合室内外各种形态的扫描。

6、本发明全过程实现了自动化操作，只需控制电机转动，即可实现对待扫描植物盆栽不同扫描面进行扫描的需求，不需要对植物进行移动。

7、本发明使用安全可靠，不会损坏环境，对扫描对象无损害。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中A部分的放大视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种应用于植物盆栽的三维激光扫描装置，包括工作台1、机架2、第一转盘3、第二转盘4、滑轨5、滑块9、第一同步带轮、第一同步带8、第二同步带轮、第二同步带、激光传感器6、扫描台7、第一电机、第二电机和第三电机。激光传感器6的型号为TIM510。机架2固定在工作台1上。第一转盘3、第二转盘4分别支承在机架2的两端。第一转盘3及第二转盘4的轴线共线且均水平设置。第一转盘3由第一电机驱动。第二转盘4由第三电机驱动。设置在第一转盘3与第二转盘4之间的滑轨5的一端与第一转盘3偏心固定，另一端与第二转盘4偏心固定。滑轨5水平设置。第一转盘、第二转盘的相对侧侧面上均支承有转轴。转轴的轴线与滑轨5的长度方向垂直。两根转轴上均固定有第一同步带轮。两个第一同步带轮通过第一同步带8连接。第二同步带轮共有两个。其中一个第二同步带轮固定在其中一根转轴上，另一个第二同步带轮与第二电机的输出轴固定。第二电机与第一转盘3或第二转盘4固定。两个第二同步带轮通过第二同步带连接。滑块9与滑轨5构成滑动副。滑块9与第一同步带8固定。激光传感器6固定在滑块9上。激光传感器6的激光发射口朝向第一转盘3及第二转盘4的轴线，即滑轨5翻转至最高点时，激光传感器6的激光发射口朝向正下方。激光传感器6的扫描角所在平面与第一转盘3的轴线垂直。扫描台7固定在工作台1上。扫描台7的顶面水平设置，且与第一转盘3及第二转盘4的轴线平齐设置。即第一转盘3及第二转盘4的轴线在扫描台7的顶面所在平面内。

初始状态下，滑块9位于滑轨5的一端，激光传感器6的激光发射口竖直向下。

该应用于植物盆栽的三维激光扫描装置的扫描方法具体如下：

步骤一、以初始状态下激光传感器6激光发射口的位置为坐标原点建立绝对坐标系。绝对坐标系的x轴正方向为第二电机正转时滑块9的滑动方向，z轴正方向为竖直向上的方向。

步骤二、将待扫描植物盆栽放置到扫描台7上，并测量待扫描植物盆栽沿y轴方向的最大维度尺寸b，沿z轴方向的最大维度尺寸c。待扫描植物盆栽沿y轴方向上最外侧的两个点到绝对坐标系内x-z平面的距离均为0.5b。

步骤三、设置激光传感器6的扫描范围为R为激光传感器6的激光发射口到第一转盘3轴线的距离，此时激光传感器6扫描正下方角度范围内的物体。第二电机正转，滑块9以1mm/s的速度水平滑动，直至从扫描台7上方经过。使得激光传感器6从待扫描植物盆栽的上方扫过。激光传感器6输出第一点云数组。第一点云数组内各离散点的位置对应待扫描植物盆栽顶部的形状。第一点云数组内任意一个离散点的信息都由s_1i、q_1i和θ_1i三个空间位置信息组成。其中，s_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口在绝对坐标系中的x轴坐标值；q_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6器激光发射口与该离散点的距离；θ_1i为采集第一点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器6激光发射口的竖直轴线的夹角(若第一点云数组内第i个点位于x-z平面的y轴正方向一侧，则θ_1i＞0，若第一点云数组内第i个点位于x-z平面的y轴负方向一侧，则θ_1i＜0)。

步骤四、第二电机反转，使得滑块9复位。

步骤五、第一电机及第三电机同步正转，使得滑轨5翻转90°，激光传感器6的激光发射口朝向y轴正方向。此时，激光传感器6的激光发射口与扫描台平齐设置。

步骤六、设置激光传感器6的扫描范围为

第二电机正转，滑块9以1mm/s的速度水平滑动，直至从扫描台7的侧面经过。使得激光传感器6从待扫描植物盆栽上扫过。激光传感器6输出第二点云数组。第二点云数组内的各离散点对应待扫描植物盆栽朝向y轴负方向一侧的形状。第二点云数组内任意一个点的信息都由s_2i、q_2i和θ_2i三个空间位置信息组成。其中，s_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口在绝对坐标系内的x轴坐标值；q_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口与该离散点的距离；θ_2i为采集第二点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器6激光发射口的竖直轴轴线的夹角。

步骤七、第二电机反转，使得激光传感器6复位。

步骤八、第一电机及第三电机同步正转，使得滑轨5翻转180°，激光传感器6的激光发射口朝向y轴负方向。此时，激光传感器6的激光发射口与扫描台平齐设置。

步骤九、设置激光传感器6的扫描范围为

第二电机正转，滑块9以1mm/s的速度水平滑动，直至从扫描台7的侧面经过。使得激光传感器6从待扫描植物盆栽上扫过。激光传感器6输出第三点云数组。第三点云数组内的各离散点对应待扫描植物盆栽朝向y轴正方向一侧的形状。第三点云数组内任意一个点的信息都由s_3i、q_3i和θ_3i三个空间位置信息组成。其中s_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口在绝对坐标系内的x轴坐标值；q_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口与该离散点的距离；θ_3i为采集第三点云数组内第i个离散点的信息时，激光传感器6激光发射口到该离散点的连线与经过激光传感器6激光发射口的竖直轴轴线的夹角。

步骤十、将激光传感器6采集到第一点云数组、第二点云数组、第三点云数组内空间位置信息转化为空间直角坐标系中对应的直角坐标信息。第一点云数组内的空间位置信息转化为(x_1i，y_1i，z_1i)，其中，x_1i＝s_1i，y_1i＝q_1i·sinθ_1i，z_1i＝-q_1i·cosθ_1i。第二点云数组内的空间位置信息转化为(x_2i，y_2i，z_2i)，其中，x_2i＝s_2i，y_2i＝q_2i·sinθ_2i，z_2i＝-q_2i·cosθ_2i。第三点云数组内的空间位置信息转化为(x_3i，y_3i，z_3i)，其中，x_3i＝s_3i，y_3i＝q_3i·sinθ_3i，z_3i＝-q_3i·cosθ_3i。

步骤十一、数据拼接：将第一点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_1i，y′_1i，z′_1i)，x′_1i＝x_1i，y′_1i＝y_1i，z′_1i＝z_1i。将第二点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_2i，_y′_2i，z′_2i)，x′_2i＝x_2i，y′_2i＝|z_2i|-R，z′_2i＝|y_2i|-R。将第三点云数组内所有离散点的直角坐标信息转化到在绝对坐标系内的坐标(x′_3i，y′_3i，z′_3i)，x′_3i＝x_3i，y′_3i＝R-|z_3i|，z′_3i＝|y_3i|-R。

步骤十二、第一点云数组、第二点云数组及第三点云数组内所有离散点按照自身在绝对坐标系内的坐标放置到同一空间内，得到植物盆栽模型。对植物盆栽模型内的离散点依次进行去除噪声点、数据插补和数据光滑操作，实现植物盆栽模型的优化。去除噪声点的方法如下：若一个点在以该点为球心的半径为d的球形范围内不存在其他点，则该点为噪声点，d＝1mm。删除所有噪声点。数据插补采用均值替换法。数据光滑采用移动最小二乘法。