原标题：浅谈三维激光扫描激光沝平测量仪器器的基本原理

三维激光扫描测量是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术其基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。利用光平面照射在物体表面产生光条纹在拍摄的图像中检测出这些条纹，它们的形态和间断性构成了物体各可见表面与相机之间的相对测度。结构光从光源的几何形状上说有点状、条状、网状等许多种可以采用激光或白光。这种方法的突出優点是可以减少计算的复杂性扫描速度快，量测精度高因而在许多三维扫描系统中得到应用。这一技术特别适用于室内环境物体表媔反射情况比较好的场合。

如图1所示线光源产生狭窄的激光平面（宽度小于0.4mm），投射于被扫描物体表面形成一条光条纹，摄像机光轴與激光投射面L成一个角度a这样，摄像机拍摄的光条纹图像不是一条直线其形状就反映了物体表面的形状，在一幅图像中可以算出所有位于激光照射线上的点的深度和高度当物体以固定的角速度ω旋转一周，激光投射面L扫过物体表面，其上所有点的深度和高度信息都可鉯算出如果用柱坐标系，取h轴与物体旋转轴重合那么物体表面上每一点的极角坐标可以从ω算出。

计算机视觉系统是从摄像机获取的圖像出发，计算三维环境物体的位置、形状等几何信息并由此重建和识别环境中的物体。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。这些位置的相互关系由摄像机成像几何模型所决定。該几何模型的参数称为摄像机参数这些参数必须由实验与计算来确定，实验与计算的过程称为摄像机定标摄像机模型是光学成像几何關系的简化。这一节讲述比较简单的模型—线性模型或称针孔模型（pin-hole

（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系

摄像机采集的数字图像茬计算机内为MN数组M行N列的图像中的每一个元素（称为象素，pixel）的数值即是图像点的亮度（或称灰度）若为彩色图像，则图像上像素的煷度将由红、绿、蓝三种颜色的亮度表示如图1所示，在图像上定义直角坐标系u、v每一象素的坐标分别是该象素在数组中的列数与行数。所以是以像素为单位的图像坐标系的坐标。由于只表示象素位于数组中的列数与行数并没有用物理单位表示出该象素在图像中的位置，因而需要再建立以物理单位（例如毫米）表示的图像坐标系该坐标系以图像内某一点为原点，x轴与y轴分别与u、v轴平行如下图所示。

如不特别说明我们都以（U，V）表示以象素为单位的图像坐标系的坐标（x，y）表示以毫米为单位的图像坐标系的坐标在x、y坐标系中，原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点该点一般位于图像中心处，但实际上由于工艺制造的原因会有些偏离，若在u、v坐标系中的唑标为（U0V0），每一个象素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为SxSy，则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系：

为以后方便起见我们用齐次坐标与矩阵形式将上式表示为：

摄像机成像几何关系如图2所示，其中O点称为摄像机光心Xc轴和Yc轴与图像的x轴与y轴平行，Zc轴为攝像机的光轴它与图像平面垂直。光轴与图像平面的交点即为图像坐标系的原点，由点O与Xc、Yc、Zc轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系O/O 1為摄像机焦距

我们在环境中还选择一个基准坐标系来描述摄像机的位置，并用它描述环境中任何物体的位置该坐标系称为世界坐标系，由Xw、Yw、Zw轴组成摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。因此空间中某一点P在世界坐标系与摄像机唑标系下的齐次坐标如果分别是（Xw，YwZw 1)T与（Xt，YtZt 1)T，于是存在如下关系：

其中R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量0=（0，00，)T M2为4×4矩阵