基于樹(shù)莓派的激光掃描建模儀

項(xiàng)目通過(guò)線激光發(fā)射器和樹(shù)莓派攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)采集。激光定位的角度與激光成 45 度傾斜，同時(shí)在物體的垂直切片上投射出一條明亮的紅線。

攝像頭檢測(cè)切片到中心的距離并給出網(wǎng)格切片。物體在旋轉(zhuǎn)托盤上慢慢的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到掃描完整個(gè)物體。

最后生成的obj文件可以自動(dòng)通過(guò)郵件的形式發(fā)送到使用者的收件箱中。

創(chuàng)作靈感

開(kāi)始制作前，我做了一些基礎(chǔ)研究。發(fā)現(xiàn)許多 3D 掃描儀都利用到了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，然后使用各種不同的傳感器來(lái)測(cè)量距中心的距離，建立旋轉(zhuǎn)模型。其中很多都使用了類似于 Kinect 的雙攝像頭。

偶然的機(jī)會(huì)，我發(fā)現(xiàn)了Yscanner，這是一種使用激光的低分辨率掃描儀。考慮到簡(jiǎn)單性和可行性，在這種激光技術(shù)中，激光相對(duì)于相機(jī)偏置照射來(lái)測(cè)量與中心的距離，看起來(lái)似乎還不錯(cuò)。

材料清單

樹(shù)莓派 × 1

樹(shù)莓派攝像頭V2 × 1

LED × 1

電阻 × 1

電線 × 若干

3D 打印燈絲 × 若干

木板 × 1

M3 硬件 × 若干

步進(jìn)電機(jī) × 1

線激光發(fā)射器 × 1

LN298 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 × 1

金屬按鈕 × 1

烙鐵 × 1

激光切割機(jī) × 1

3D 打印機(jī) × 1

螺絲刀 × 1

鉗子 × 1

設(shè)計(jì)原理

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心組件就是能夠垂直投射在物體上的線激光發(fā)射器。通過(guò)樹(shù)莓派攝像頭來(lái)抓取投影，對(duì)它透視進(jìn)行校正，然后在進(jìn)行圖像處理前過(guò)濾。在圖像處理中，收集線的每個(gè)部分到物體中心的距離。

在徑向坐標(biāo)中，此圖片將同時(shí)產(chǎn)生 r 和 z 的分量，然后通過(guò)將物體旋轉(zhuǎn)得到新的切片來(lái)實(shí)現(xiàn)三維效果。

為了達(dá)到預(yù)想的效果，我使用樹(shù)莓派作為中央計(jì)算單元。

首先，將樹(shù)莓派與步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。由外部 5V 電源供電并由樹(shù)莓派的 GPIO 引腳控制。

然后，將線激光發(fā)射器連接到樹(shù)莓派的 3.3V 線上，并將樹(shù)莓派攝像頭連接到攝像頭的輸入上。

最后，安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的下拉按鈕和一個(gè)用來(lái)顯示狀態(tài)的 LED 來(lái)向用戶展示系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)。具體如圖二所示。

需要注意的地方：

1、將電子設(shè)備安裝到由 T 型槽和 M3 硬件搭建的激光切割盒中。

將電子設(shè)備安裝在激光切割盒中，并與T形槽和M3硬件結(jié)合在一起。

2、將電子設(shè)備隱藏在底部隔間中，蓋子上放置旋轉(zhuǎn)托盤，便于放置物品。這個(gè)蓋子可以最大程度地減少外部光照射到系統(tǒng)中。（外部光可能在最終的掃描中產(chǎn)生干擾）

硬件部分

在開(kāi)始3D打印之前，先用了 Autodesk Fusion 360 設(shè)計(jì)出 3D 外殼模型?？偟膩?lái)說(shuō)，外殼設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，一個(gè)盒子和帶活頁(yè)的蓋子。

設(shè)備主要分為兩層：電子設(shè)備層和主體層，兩層之間有孔可供電線通過(guò)。

使用 Epilog Zing 40 W 激光切割機(jī)進(jìn)行切割。如上圖所示，外殼主要由主體層、電子設(shè)備層、兩個(gè)蓋子部件、前片、后片以及兩個(gè)側(cè)片組成。

在主體層上，有三個(gè)切口：一個(gè)用于安裝步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)用于放置激光器的電線，另一個(gè)用于放置樹(shù)莓派攝像頭的軟排線。

底座有安裝孔，用來(lái)固定樹(shù)莓派、面包板，還有一個(gè)較大的切口和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的安裝孔，以及用于放入步進(jìn)電機(jī)的較大切口。外殼的蓋子可以簡(jiǎn)單地卡在一起，形成一個(gè)類似三角形狀的蓋子，合頁(yè)寬度為側(cè)板孔的直徑。

背板和其中一個(gè)側(cè)板在側(cè)面都有插槽，便于可以輕松訪問(wèn)樹(shù)莓派的端口（HDMI、USB、以太網(wǎng)以及電源）。前板是一個(gè)簡(jiǎn)單的部分，可以利用手動(dòng)鉆孔，然后安裝上按鈕和 LED。

所有的零件通過(guò)M3硬件、T型接頭和插槽連接在一起。這種方法非常牢固。組拼時(shí)可以使用M3螺釘將零件固定在一起。

因?yàn)樗俣群捅憬菪缘膬?yōu)勢(shì)，我們使用激光切割機(jī)來(lái)處理大部分組件。但是，由于3D幾何形狀在裁紙器上非常難創(chuàng)建，仍然不得不對(duì)其進(jìn)行3D打印。

第一個(gè)組件是線激光發(fā)射器的支架。它將被安裝在與攝像頭視線成 45 度角的主體層上，并有一個(gè)孔，可將激光器牢牢固定住。

另外還需一個(gè)馬達(dá)支架，因?yàn)轳R達(dá)的軸太長(zhǎng)了。支架產(chǎn)生的摩擦力不妨礙激光切割的組件，并降低了電機(jī)連接的平面，使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與主體層齊平。

電子部分

該項(xiàng)目的硬件接線非常簡(jiǎn)單，只需要將電機(jī)、按鈕、LED、激光器以及攝像頭連接到樹(shù)莓派。如上圖所示。

首先，將電阻與每個(gè)引腳串聯(lián)，以保護(hù)引腳。GPIO 的一個(gè)引腳專用于控制 LED，當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好后，LED 會(huì)亮起，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，它會(huì)使用 PWM 進(jìn)行脈沖控制。

其次，將 GPIO 的另一個(gè)引腳連接到上拉按鈕上，未按下按鈕時(shí)為高電平，按下按鈕時(shí)為低電平。

最后，用GPIO的四個(gè)引腳用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

由于項(xiàng)目中的電動(dòng)機(jī)只需要一定程度上的步進(jìn)而無(wú)需控制速度，我們選用了一款很簡(jiǎn)單的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（L298N）。該驅(qū)動(dòng)器只是將控制線升壓以饋入電動(dòng)機(jī)的輸入。

為了了解步進(jìn)電機(jī)如何在非常低的水平上操作，我們同時(shí)參考了L298N數(shù)據(jù)表和Arduino庫(kù)。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)磁芯，磁芯上有交替極性的磁極。

使用四根線纏繞去控制兩個(gè)電磁鐵，這兩個(gè)電磁鐵分別為電動(dòng)機(jī)中的每個(gè)相對(duì)的軸供電。通過(guò)切換軸的極性，就可以推動(dòng)步進(jìn)器。

了解完步進(jìn)電機(jī)的工作原理，就能夠更容易地控制步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)的最大電流約為 0.8A，超出了樹(shù)莓派的供電能力，我們最后選用了5V電源而不是樹(shù)莓派為步進(jìn)電機(jī)供電。

軟件部分

該項(xiàng)目的軟件部分由四塊組成：圖像處理、電機(jī)控制、網(wǎng)格創(chuàng)建和嵌入式功能。

1、如圖所示，隨著系統(tǒng)啟動(dòng) .bashrc 自動(dòng)登錄到樹(shù)莓派并開(kāi)始運(yùn)行 python 代碼。系統(tǒng)點(diǎn)亮狀態(tài)燈，告知用戶它已正確啟動(dòng)，并等待按下按鈕。

2、用戶可以放置要掃描的物品并合上蓋子。按下按鈕后，LED 會(huì)閃爍，告知用戶設(shè)備正在工作。

設(shè)備將在圖像處理和電機(jī)控制之間循環(huán)，直到旋轉(zhuǎn)收集完物品的所有數(shù)據(jù)。最后，創(chuàng)建網(wǎng)格模型文件并通過(guò)電子郵件將文件發(fā)送到預(yù)設(shè)的電子郵箱。

3、設(shè)備可以重新啟動(dòng)循環(huán)，只需按一下按鈕就可以執(zhí)行另一次掃描。

圖像處理

第一步是處理獲取的圖像，以便將存儲(chǔ)在圖像中的信息提取為可用于創(chuàng)建空間點(diǎn)陣列的形式。

首先拍攝了平臺(tái)上物體的照片，以及由激光照射到盒子背面并分散后產(chǎn)生的所有背景噪點(diǎn)。

該圖片的原始形式存在兩個(gè)主要問(wèn)題。一是拍攝物體的角度較高，二是背景噪點(diǎn)很大。視角的問(wèn)題是第一個(gè)要考慮的，因?yàn)榘丛瓨邮褂谜掌瑢o(wú)法確定的物體一致高度。

如圖二所示，倒置的 “L” 形的高度是一致的。但是，由于一側(cè)比另一側(cè)長(zhǎng)，它們?cè)谧羁拷^察者的邊緣處的高度似乎不同。

為了解決此問(wèn)題，我必須將圖像中的工作空間從之前的梯形形狀轉(zhuǎn)換為矩形。為此，我使用了鏈接中提供的代碼。

https://www.pyimagesearch.com/2014/08/25/4-point-opencv-getperspective-transform-example/

當(dāng)給定一個(gè)圖像和四個(gè)點(diǎn)時(shí)，該代碼將在四個(gè)點(diǎn)之間裁剪圖像并補(bǔ)償轉(zhuǎn)換裁剪后的圖像。使用四個(gè)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建矩形，而不是之前的梯形形狀。

下一個(gè)需要解決的問(wèn)題是外部光形成的背景噪點(diǎn)和激光本身反射的光。我使用 OpenCV 的 inRange() 函數(shù)過(guò)濾光。我將閾值設(shè)置為僅在特定水平上拾取紅光。

為了獲得正確的值，設(shè)置了一個(gè)比較寬的閾值區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)不斷提高閾值水平，直到唯一被拾取的光是來(lái)自掃描物體上的激光。

獲得此圖像后，我找到了每行中最亮的像素，得到了一條每行一個(gè)像素的線，它與激光線的最左側(cè)相接。最后，將每個(gè)像素轉(zhuǎn)換為 3D 空間中的頂點(diǎn)并存儲(chǔ)在數(shù)組中，如網(wǎng)格創(chuàng)建部分所述。

電機(jī)控制

在成功處理單個(gè)圖像以獲取物體的切片之后，我還需要旋轉(zhuǎn)物體獲得不同角度的新照片。為此要控制好掃描物體平臺(tái)下的步進(jìn)電機(jī)。

我通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)變量來(lái)跟蹤電機(jī)的狀態(tài)和細(xì)分控制四個(gè)電機(jī)的輸入，這些是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)功能的基礎(chǔ)。

網(wǎng)格創(chuàng)建

要從所有處理的圖像創(chuàng)建網(wǎng)格，我必須首先將處理的圖像中的每個(gè)白色像素轉(zhuǎn)換為 3D 空間中的頂點(diǎn)。我要收集具有圓柱對(duì)稱性的單個(gè)對(duì)象切片，所以要收集圓柱的坐標(biāo)。

圖片的高度可以用 z 軸表示，到旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心的距離可以用 R 軸表示，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)可以用 theta 軸表示。由于我將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在圓柱坐標(biāo)中，因此必須將每個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)。

頂點(diǎn)創(chuàng)建好后，將它們存儲(chǔ)在一個(gè)列表中。然后再將所述列表存儲(chǔ)在另一個(gè)列表中，該列表包含為獲取的每個(gè)圖像創(chuàng)建的頂點(diǎn)列表。處理完所有圖像并將其轉(zhuǎn)換為頂點(diǎn)后，在最終網(wǎng)格中顯示頂點(diǎn)。

其中，最好包含頂部頂點(diǎn)和底部頂點(diǎn)，然后根據(jù)分辨率，我選擇了均勻分布的頂點(diǎn)數(shù)以用于每個(gè)圖像。因?yàn)椴⒎撬许旤c(diǎn)列表的長(zhǎng)度都相同，所以我不得不通過(guò)找到頂點(diǎn)數(shù)量最少的列表并將所有其他列表中的頂點(diǎn)移除，直到它們均等為止。

創(chuàng)建頂點(diǎn)列表后就可以創(chuàng)建網(wǎng)格。我使用 .obj 文件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置網(wǎng)格格式，因?yàn)樗芎?jiǎn)單并且支持 3D 打印。

嵌入式功能

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行后，我通過(guò)添加完整的嵌入式功能對(duì)其進(jìn)行了完善。這意味著移除鍵盤，鼠標(biāo)和顯示器，處理完成后以無(wú)線方式將.obj文件發(fā)送過(guò)去。

1、將.bashrc代碼更改為自動(dòng)登錄并在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng) python 主程序。執(zhí)行sudo raspi-config命令，設(shè)置 “Console Autologin”，并將sudo python /home/pi/finalProject/FINAL.py行添加到/home/pi/.bashrc。

2、添加一個(gè)按鈕和 LED 狀態(tài)顯示，用于用戶輸入和輸出。按鈕將會(huì)告知用戶設(shè)備何時(shí)開(kāi)始掃描，LED 將告訴用戶機(jī)器的狀態(tài)。

如果 LED 點(diǎn)亮，則表明設(shè)備已準(zhǔn)備好開(kāi)始掃描。如果 LED 閃爍，則表明設(shè)備當(dāng)前正在掃描。如果 LED 報(bào)錯(cuò)，則表明軟件錯(cuò)誤，要求重啟系統(tǒng)。

最后，我通過(guò)電子郵件向設(shè)備發(fā)送 .obj 文件。使用 smtplib 和 email 庫(kù)來(lái)完成。這種無(wú)線的發(fā)送方式很方便，將生成的文件傳送給用戶，以便在許多不同的平臺(tái)上訪問(wèn)。

組裝

完成以上步驟后，現(xiàn)在可以將組件組合在一起。

在制造出設(shè)備的各種零件之后，我們可以把它們組裝在一起。如上圖所示：

1、組裝外殼箱體。

2、將攝像頭和激光器安裝到盒子里。

3、安裝其他電子設(shè)備。

4、樹(shù)莓派的背面，可使用樹(shù)莓派端口和 5V 電動(dòng)機(jī)輸入。

5、安裝好設(shè)備正面以及帶有 LED 狀態(tài)指示燈的按鈕。

完工！

激光 3D 掃描儀能夠高精度地掃描物體。物體的特征清晰可變，并且使用切片軟件（例如Repetier）可以很容易地對(duì)零件進(jìn)行 3D 打印。

通過(guò)測(cè)試最大的驚喜是設(shè)備的一致性很好。在對(duì)同一物品進(jìn)行多次試驗(yàn)中，即使稍微改了物品的位置，掃描程序也都能生成非常相似的 .obj 文件。

如上圖所示，三次掃描的結(jié)果都非常的相似，能夠獲取到同樣多的細(xì)節(jié)。系統(tǒng)的一致性非常不錯(cuò)。

可以調(diào)整的地方

可調(diào)整的變量之一是掃描的分辨率。因?yàn)椴竭M(jìn)器有 400 步，所以我可以選擇每個(gè) ΔΘ 來(lái)決定角度分辨率。在默認(rèn)情況下，我將角度分辨率設(shè)置為 20 次迭代，這意味著電機(jī)每幀旋轉(zhuǎn) 20 步（400/20=20）。

選擇此項(xiàng)主要是為了節(jié)省時(shí)間，以這種方式完成掃描大約需要 45 秒。但是如果想要更高質(zhì)量的掃描，就需要將迭代次數(shù)增加到 400。這為 3D 構(gòu)造模型提供了更多的點(diǎn)，從而可以進(jìn)行更詳細(xì)的掃描。

除了角分辨率外，還可以調(diào)整垂直分辨率，或選擇沿激光切片掃描多少個(gè)不同的點(diǎn)。為了節(jié)省時(shí)間，我將默認(rèn)值設(shè)置為 20，如果你想得到更好的效果可以增加數(shù)值。

如圖所示，通過(guò)改變角分辨率和空間分辨率的參數(shù)，可以顯示出不同的掃描結(jié)果。每個(gè)標(biāo)簽的格式設(shè)置為角度分辨率x空間分辨率。從默認(rèn)的掃描設(shè)置中可以看出鴨子的功能是可識(shí)別的，但并不明顯。

但是，隨著分辨率的提高，精確的功能開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)，包括眼睛、嘴巴、尾巴和鴨子的翅膀。最高分辨率的圖像大約需要 5 分鐘掃描。高分辨率的效果是非常成功的。

不足的地方

盡管該項(xiàng)目取得了成功，但在設(shè)計(jì)和實(shí)施方面仍然存在一些局限性。隨著激光的使用，光的散射帶來(lái)了許多問(wèn)題。我掃描的物體要么是半透明，很亮或者很暗的物體，它們?cè)诒砻娴姆瓷渚痛嬖谌毕?。如果物體是半透明的，光線就會(huì)被吸收并散射，從而使切片的讀數(shù)非常不準(zhǔn)確。在發(fā)亮和黑暗的物體中，光線要么被反射，要么被吸收，以至于難以收集。

此外，我使用攝像頭獲取物體的特征，就能感受到視線遮擋的限制，凹面的物體和銳角通常會(huì)被物體的其他部分阻擋。像示例中小黃鴨的尾巴在掃描中就失去曲率了。攝像頭只能檢測(cè)物體表面結(jié)構(gòu)，無(wú)法獲取孔或者內(nèi)部為幾何形狀的物體。這一常見(jiàn)問(wèn)題也在其他掃描機(jī)中存在。

可以優(yōu)化的地方

雖然項(xiàng)目整體效果還不錯(cuò)，但還有可以優(yōu)化的地方：

1、在當(dāng)前狀態(tài)下，只能通過(guò)更改代碼中的硬編碼分辨率變量來(lái)更改掃描分辨率。為了使項(xiàng)目更具嵌入式性，可以添加一個(gè)分辨率電位計(jì)，以便用戶可以更改分辨率，而不用將監(jiān)視器和鍵盤插入掃描儀。

2、掃描儀在創(chuàng)建時(shí)的圖像效果不是很好。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用網(wǎng)格平滑技術(shù)來(lái)平滑不規(guī)則和粗糙的拐角。

3、像素坐標(biāo)不能很好地縮放到實(shí)際環(huán)境中。我創(chuàng)建的網(wǎng)格比實(shí)際物品大六到七倍。