🔬 3D Line Laser Scanner

基于线激光三角测量原理的桌面级 3D 扫描系统

通过步进电机驱动竖直线激光绕扫描轴旋转，目标物静止放置，结合 USB 摄像头与激光三角测量，实时重建物体三维点云。

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📖 目录

• ✨ 功能特性
• 🏗️ 系统架构
• 🔩 硬件组成
• 📦 软件依赖
• 📁 目录结构
• 🔨 构建方法
• 📐 标定流程
• 🚀 使用方法
• ⚙️ 配置文件说明
• ☁️ 点云查看
• 📡 串口协议简介
• 📄 开源协议

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✨ 功能特性

功能	说明
🎯 线激光中心提取	绿色通道重心法（Gravity Center Method），支持亚像素精度，可扩展为 Steger 算法
📐 线面交会 3D 重建	基于相机内参、外参与动态激光平面方程，在相机坐标系下还原 3D 点
🔧 全流程标定工具	棋盘格内参标定 + 激光平面外参标定，一键写入 config.yaml
💻 硬件 / 仿真双模式	--simulate 标志可脱离硬件在纯软件环境中调试
🖥️ 实时双视图显示	OpenCV 2D 激光标记窗口 + PCL 3D 点云实时生长（可选）
💾 PCD 点云保存	扫描结束后自动保存为标准 .pcd 文件

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🏗️ 系统架构

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                     主机 (PC/Linux)                   │
│                                                     │
│  ┌──────────┐   ┌──────────────┐   ┌─────────────┐ │
│  │  Serial  │   │    Camera    │   │   Viewer    │ │
│  │  Comm    │   │   Capture    │   │  (2D + 3D)  │ │
│  └────┬─────┘   └──────┬───────┘   └──────┬──────┘ │
│       │                │                  │         │
│  ┌────▼────────────────▼──────────────────▼──────┐  │
│  │               main.cpp (扫描主循环)             │  │
│  │  1. 线激光臂旋转一步（目标物静止放置）           │  │
│  │  2. 获取去畸变帧                               │  │
│  │  3. LaserExtractor → 2D 亚像素中心点            │  │
│  │  4. Reconstructor  → 3D 点云切片               │  │
│  │  5. Viewer 实时渲染 & 累积                     │  │
│  └────────────────────────────────────────────────┘  │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
         │ 串口 (115200 baud)
┌────────▼────────┐
│   STM32 控制板   │
│  步进电机驱动    │
│  激光开关控制    │
└─────────────────┘

核心数学模型（线面交会）：

$$ \text{射线方程:} \quad P_c = \lambda \cdot K^{-1} \cdot [u,\ v,\ 1]^T $$ $$ \text{动态平面:} \quad \pi_C(\theta) = (T_{CB} \cdot T_{BR}(\theta))^{-T} \cdot \pi_R $$ $$ \text{交会求解:} \quad \lambda = -d_c ;/; (n_c^T \cdot K^{-1} \cdot p) $$

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🔩 硬件组成

组件	规格 / 说明
📷 USB 摄像头	640×480，支持关闭自动曝光（曝光固定有助于激光提取）
🔴 线激光器	532 nm 绿色线激光，沿目标物体垂直投射
🎛️ STM32 控制板	通过串口接收步进指令，控制激光臂旋转与激光开关
⚙️ 步进电机 + 旋转臂	激光器安装于旋转臂上，默认步进角 0.1125°，扫描半角 60°（可在配置中调整）

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📦 软件依赖

依赖	版本要求	用途
OpenCV	≥ 4.0	图像采集、去畸变、标定、显示
Eigen3	≥ 3.3	矩阵运算、坐标变换
PCL	≥ 1.12 (可选)	3D 点云实时可视化与 PCD 保存
Open3D	≥ 0.17 (Python)	离线点云查看脚本
CMake	≥ 3.15	构建系统
C++ 编译器	支持 C++17	std::filesystem 等特性

Note

PCL 为可选依赖。若未安装 PCL，系统会自动禁用 3D 实时窗口，点云仍可通过 Python 脚本查看。

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📁 目录结构

3D-Line-Laser-Scanner/
├── include/
│   ├── algorithm/
│   │   ├── laser_extractor.h    # 激光条纹中心提取接口
│   │   └── reconstructor.h      # 线面交会 3D 重建接口
│   ├── hardware/
│   │   ├── camera_capture.h     # USB 摄像头采集与去畸变接口
│   │   └── serial_comm.h        # STM32 串口通信协议接口
│   └── ui/
│       └── viewer.h             # 2D/3D 可视化接口
├── src/
│   ├── algorithm/
│   │   ├── laser_extractor.cpp
│   │   └── reconstructor.cpp
│   ├── hardware/
│   │   ├── camera_capture.cpp
│   │   └── serial_comm.cpp
│   ├── ui/
│   │   └── viewer.cpp
│   └── main.cpp                 # 扫描主程序入口
├── tools/
│   └── calibrator_main.cpp      # 独立标定工具
├── pcd_viewer.py                # Python 点云可视化脚本
└── config.yaml                  # 扫描参数与标定结果（运行前创建）

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🔨 构建方法

# 克隆仓库
git clone https://github.com/cloudy440/3D-Line-Laser-Scanner.git
cd 3D-Line-Laser-Scanner

# 创建构建目录并编译
mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build . --parallel

编译成功后将生成两个可执行文件：

可执行文件	说明
LineLaserScanner3D	主扫描程序
CalibratorTool	标定工具

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📐 标定流程

Important

首次扫描前，需依次完成内参标定和外参标定。

第一步：采集内参标定图像（模式 A）

./CalibratorTool capture --camera 1 --outdir ./calib_images

• 按 Space 保存当前帧
• 建议从不同角度拍摄 15–20 张棋盘格图像
• 按 Q / ESC 退出

第二步：计算相机内参（模式 B）

./CalibratorTool calibrate \
    --imgdir ./calib_images \
    --board 9x6 \
    --square 25.0

参数	说明
--board	棋盘格内角点数（列×行）
--square	单格边长（mm）

结果写入 config.yaml（Camera_Matrix、Distortion_Coeffs）。

第三步：采集外参标定图像（模式 C）

./CalibratorTool excapture --camera 1 --outdir ./excalib_images

将棋盘格放置在激光平面内，开启激光线后采集。

第四步：计算外参与激光平面（模式 D）

./CalibratorTool excalib \
    --imgdir ./excalib_images \
    --board 9x6 \
    --square 25.0 \
    --dist 150

参数	说明
--dist	棋盘格到转台中心的距离（mm）

结果更新 config.yaml（T_CB、pi_R）。

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🚀 使用方法

硬件模式（连接 STM32）

./LineLaserScanner3D

使用 config.yaml 中的默认串口和摄像头参数。

指定配置文件

./LineLaserScanner3D --config /path/to/my_config.yaml

仿真模式（无硬件调试）

./LineLaserScanner3D --simulate

脱离串口连接，以固定步角递增模拟电机旋转，用于算法调试。

扫描流程：

程序启动 → 移动到扫描起点 → 逐步旋转采集 → 实时重建显示
    → 扫描完成复位 → 保存 scan_result.pcd → 按任意键退出

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⚙️ 配置文件说明

config.yaml 示例（标定工具会自动生成大部分参数）：

# ── 串口与摄像头 ─────────────────────────────────────
Serial_Port:     "COM10"    # Windows: COMx  |  Linux: /dev/ttyUSBx
Serial_BaudRate: 115200
Camera_Index:    1

# ── 扫描参数 ──────────────────────────────────────────
StepAngle_Deg:   0.1125     # 每步旋转角度（°）
Scan_Half_Angle: 60.0       # 扫描半角（°），范围 [-θ, +θ]

# ── 相机内参（由标定工具写入）────────────────────────
Camera_Matrix: !!opencv-matrix
  rows: 3
  cols: 3
  data: [ ... ]

Distortion_Coeffs: !!opencv-matrix
  rows: 1
  cols: 5
  data: [ ... ]

# ── 外参与激光平面（由标定工具写入）──────────────────
T_CB: !!opencv-matrix      # 基座 → 相机齐次变换（4×4）
  rows: 4
  cols: 4
  data: [ ... ]

LaserPlane_R: !!opencv-matrix  # 转子坐标系激光平面 [nx, ny, nz, d]
  rows: 1
  cols: 4
  data: [ ... ]

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☁️ 点云查看

扫描完成后，使用 Python 脚本可视化 .pcd 文件：

pip install open3d
python pcd_viewer.py

默认读取当前目录下的 scan_result.pcd。如需指定路径，修改脚本中的文件名即可。

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📡 串口协议简介

主机与 STM32 通过自定义帧格式通信：

帧结构：

字段	大小	值 / 说明
FRAME_HEAD	2 字节	0xAA 0xBB
CMD	1 字节	指令类型（见下表）
DATA	4 字节	float 数据（步数 / 角度）
CRC16	2 字节	校验码
FRAME_TAIL	2 字节	0xCC 0xDD

指令集：

指令	值	说明
CMD_STEP	0x01	单步进
CMD_MOVE	0x05	多步移动
CMD_LASER_ON	0x03	激光开
CMD_LASER_OFF	0x04	激光关

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📄 开源协议

本项目基于 MIT License 开源，允许自由使用、修改与分发，保留原始版权声明即可。

MIT License

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