（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）
择要：激光扫描测距仪以飞思卡尔MK60DN512ZVLQ10微掌握器为处理及掌握的核心单元，通过CMOS图像传感器对线状激光在物体上形成截面反射进行实时捕捉采集图像，利用DMA快速储存办法存储图像，并对图像进行剖析处理得到激光的坐标，再结合舵机旋转扫描得到多列数据，终极将数据转化为各点的三维坐标，由此得到扫描物体或场景的三维点云数据并实现三维模型重修。该设计方案可靠，本钱低廉，同时拥有良好的丈量精度。
0弁言
人类对付外界事物的感知80%是通过视觉来获取的［1］。而通过激光扫描实现的实景复制则可以很好地重现立体视觉感知，以是3D扫描技能具有相称广泛的用场，例如工业设计、机器人导航、地貌丈量、逆向工程、数字文物典藏、生物信息、电影制片、游戏素材创作等都可运用。
但3D激光扫描研究更多地被运用于大型工程精确丈量中，实际用于家庭及个人的民用低本钱研究相对较少，并且成熟的设计方案也不多。因此研究低本钱并具有良好性能的激光扫描测距仪有十分主要的现实意义和市场代价。
1激光扫描仪系统构造
本设计基于飞思卡尔公司Kinetis系列的MK60DN512ZVLQ10（K60）ARM CortexM4内核架构的微处理器,其外围功能丰富，最高主频可达100 MHz，具有强大的数据处理能力和丰富的功能外设，具备了所需的PWM、DMA、IIC等功能模块，并且拥有FlexBus存储接口，支持外部SRAM的扩展［2］。详细的系统构造图如图1所示。
激光扫描系统不仅须要掌握舵机完成图像序列扫描，而且须要实时采集大量的图像数据，并对这些图像数据进行剖析处理天生精确的点云数据。以是系统对ARM的掌握哀求较高，它不仅要卖力传感器的掌握和数据传输，还需外扩SRAM用于图像存储，同时为了提高数据传输速率还需配置DMA通道，完成采集和实行数据处理算法，打算出点云数据再通过UART输出到打算机。该系统构造能够充分利用掌握器的内部资源，提高运行效率。同时也让扫描变得更灵巧，掌握器可以不依赖打算机单独运行，末了的数据输出可以通过蓝牙无线传送。
2图像采集和存储
2.1OV7670图像传感器的采集
型号为OV7670的图像传感器是市情上较为常见并且价格较低的一款可编程传感器，很适宜利用于嵌入式的底层设计。为了便于调试不雅观察可将图像传感器配置为输出固定QVGA的八色的色条测试图案。图像传感器默认的图案数据输出格式为YUV的YUYV（4∶2∶2）。为了便于数据不雅观察，将U值和V值的输出配置成固定值，在上位机只显示Y值即灰度值，效果如图2。
测试图案的采集涉及到的寄存器配置相对较少，而拍摄图像的采集要涉及到上百个寄存器的配置，个中关键的配置在于时钟，时钟的配置直接影响到图像采集是否成功。这涉及到微处理器地址0X11内部时钟的选择和0X6B内部PLL掌握这两个关键寄存器的配置。对0X11利用内部时钟并二分频，0X6B中PLL配置为输入时钟×4，即可正常利用OV7670采集图像数据，通过OV7670采集得到的部分灰度图像如图3所示。
2.2SRAM的扩展和图像的完全采集与存储
对付图像传感器采集的大量数据，一样平常的微掌握器自带的SRAM根本不足存储，由打算可得一帧YUV格式的QVGA至少要占用150 KB的容量，而微掌握器自带的SRAM只有128 KB，不能完全地存储一帧YUV格式的QVGA图像。以是图像的存储便涉及到SRAM的扩展。SRAM的扩展可以通过外部存储和设备掌握总线接口FlexBus实现。分配的外部SRAM分别进行全范围的8位、16位和32位的写入读出操作，通过判断数据的精确与否来验证外部SRAM是否精确驱动。对QVGA图像的完全采集和存储就要结合图像传感器的采集和外部SRAM的存储。实现两者之间的连接可以直接将DMA的目标地址指向外部SRAM的基地址，从而完全地存储图像传感器采集的数据，在实现QVGA八色颜色条的采集和存储根本上，对拍摄图像同样进行采集和存储，如下图4、5所示。图4完全的QVGA八色颜色条灰度显示
3点云数据打算及3D模型重修
要得到点云数据就须要前辈行图像剖析，识别出激光光斑的像素坐标并处理输出，再根据事理剖析公式与实际校正数据拟合的曲线公式打算得到实际间隔，并由几何打算得到整列激光各点的实际间隔值，同时结合舵机进行转角扫描得到多列间隔数据，末了由间隔数据再经三维坐标的转换得到点云数据。之后，将点云数据传输到打算机并导入第三方模型编辑软件，实现3D模型的重修。
3.1图像剖析和处理
图像采集和输出中一贯只用Y值即灰度值，以是图像剖析也用Y值进行剖析。Y值的范围为0X00~0XFF，0X00为玄色，0XFF为白色，激光光斑的值是每行中最高的，由于激光光斑本色是反射的光源，而激光正是定向发光且亮度极高的光源，其余由于图像传感器加装了红外虑光片，很好地削弱了可见光，保留了红外激光。但激光光斑并不是仅占一个像素点，以是该当以激光光斑像素点中的最高值代表激光光斑中央的位置［3］。图像剖析算法可以逐行求出Y的最高值以确定激光光斑中央的位置，再输出转换打算后的坐标值。如下图6所示。
3.2曲线拟合
公式中利用的参数在实际中并不能准确地由丈量得到，以是这些参数应以实际的校正为准。本设计结合摄像头的参数，采取指数函数曲线进行拟合［4］。从拟合结果中可以看出，拟合公式和采集的数据吻合度还是非常高的，如下图7所示，曲线拟合的公式将可以实现纵列中点的单点测距，公式如下：
3.3整列激光各点实际间隔的打算
在求得了单点激光间隔的根本上，再扩展到整列激光各点的实际间隔打算，同时在求出垂线间隔d’后，需再经由几何打算转化为实际的间隔D，如图8所示，进行间隔打算剖析［5］。
3.4整列激光各点实际间隔的打算
点云数据是扫描物体外表面各点三维坐标的凑集，点云数据的打算本色便是对各点激光的实际间隔经几何打算转换为三维坐标的过程［5］。三维坐标求解公式如下：
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)
本设计中3D模型的重修直接采取第三方模型编辑软件Meshlab，须要将点云数据从系统传输至打算机并保存成软件能够查看的文件格式如：.txt、.ply或.xyz文件。
终极得到的3D重修效果如图9、10所示。图9扫描的真实环境图像
4结论
经由实验测试，基于飞思卡尔K60激光扫描测距仪在0~3 m范围内的扫描精度为0.045 m，并且全体系统可靠，价格低廉。该设计利用图103D扫描重修的正视效果
便携扫描的方案，让3D扫描仪能方便地利用于不同场合，如家用小场景小模型的三维扫描、机器人的智能导航、室内繁芜场景三维建模等。同时自主研究了一套图像传感器底层嵌入式驱动的方法，具有广泛的运用代价。
参考文献
［1］ 湛金辉.基于激光和CCD的三维重修关键技能研究［D］.南昌:南昌航空大学,2008.
［2］ 飞思卡尔技能部.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.
［3］ 向劲松,吴金勇,李晓双，等.高帧频激光光斑采集系统设计［J］.电子技能运用,2014,40(1):1315,19.
［4］ 王刚,张超.电涡流传感器及其最佳特性曲线拟合方程式［J］.石油化工自动化,2005（3）:2628.
［5］ 刘江,汪涛,唐清清，等.激光三角法厚度丈量仪的设计与研究［J］.微型机与运用,2014,33(10):1619.
