A Novel Dynamic Light-Section 3D Reconstruction Method for Wide-Range Sensing

📄 arXiv: 2403.01374v1 📥 PDF

作者: Mengjuan Chen, Qing Li, Kohei Shimasaki, Shaopeng Hu, Qingyi Gu, Idaku Ishii

分类: cs.RO

发布日期: 2024-03-03

备注: 9 pages,6 figures, Journal

💡 一句话要点

提出一种新型动态光切割三维重建方法以解决多尺度重建问题

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 三维重建 激光扫描 动态光切割 工业应用 高精度标定

📋 核心要点

  1. 现有激光扫描系统难以在多尺度三维重建中实现高精度与广范围的平衡，限制了其应用。
  2. 本文提出通过多伺服电机同步激光扫描并切换相机视场的创新方法，解决了上述问题。
  3. 实验表明，所提系统在扩大重建范围的同时，保持了0.3 mm的高重建精度，提升幅度显著。

📝 摘要（中文）

现有基于光学扫描的激光扫描系统在多尺度三维重建中面临高重建精度与广泛重建范围之间的平衡难题。本文提出了一种新方法，通过使用多台伺服电机同步激光扫描，并切换相机的视场（FOV）。在先进硬件设置的基础上，建立了动态相机、动态激光及其相互作用的综合数学模型。通过构建误差模型并最小化目标函数，提出了一种高精度灵活的标定方法。实验结果表明，该系统在测量范围达到1100 mm × 1300 mm × 650 mm时，重建精度可达0.3 mm，且在相同精度下，重建范围扩大了25倍，显示出该方法在工业应用中实现高精度与广范围三维重建的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于伺服电机的激光扫描系统在多尺度三维重建中难以实现高精度与广泛重建范围的平衡，导致应用受限。

核心思路：本文提出通过多台伺服电机同步激光扫描，并动态切换相机视场（FOV），以实现高精度与广范围的三维重建。该设计旨在克服传统方法的局限性。

技术框架：整体架构包括动态相机与激光的综合数学模型，标定方法通过构建误差模型并最小化目标函数来实现。主要模块包括激光扫描、相机视场切换及数据处理。

关键创新：最重要的技术创新在于通过多伺服电机的协同工作与动态视场切换，显著提高了重建范围与精度的兼容性，与现有方法相比具有本质区别。

关键设计：在标定过程中，采用了灵活的误差模型，优化了目标函数的设计，确保了系统的高精度与稳定性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果显示，所提三维重建系统在测量范围达到1100 mm × 1300 mm × 650 mm时，重建精度可达0.3 mm。与传统方法相比，重建范围扩大了25倍，展示了该方法在工业应用中的显著优势。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括工业检测、机器人导航及逆向工程等。通过实现高精度与广范围的三维重建，该方法能够提升自动化生产线的检测效率，降低成本，并推动智能制造的发展。

📄 摘要（原文）

Existing galvanometer-based laser scanning systems are challenging to apply in multi-scale 3D reconstruction because of the difficulty in achieving a balance between high reconstruction accuracy and a wide reconstruction range. This paper presents a novel method that synchronizes laser scanning by switching the field-of-view (FOV) of a camera using multi-galvanometers. In addition to the advanced hardware setup, we establish a comprehensive mathematical model of the system by modeling dynamic camera, dynamic laser, and their combined interaction. We then propose a high-precision and flexible calibration method by constructing an error model and minimizing the objective function. Finally, we evaluate the performance of the proposed system by scanning standard components. The evaluation results demonstrate that the accuracy of the proposed 3D reconstruction system achieves 0.3 mm when the measurement range is extended to 1100 mm $\times$ 1300 mm $\times$ 650 mm. With the same reconstruction accuracy, the reconstruction range is expanded by a factor of 25, indicating that the proposed method simultaneously allows for high-precision and wide-range 3D reconstruction in industrial applications.