CN100371836C - 通过分布式网络控制分发的数字成像系统 - Google Patents

Abstract

一种通过分布式网络提供分发的三维成像系统。便捷的低成本三维成像系统具有数字化仪和定向装置，它们彼此自动获取并校准。自动获取和校准极大地改善了使用的便捷性。所述系统与分布式网络连接、使得可以通过分布式网络在远程节点上控制关于对所捕获数据的操作和/或访问的授权。

Description

通过分布式网络控制分发的数字成像系统

背景

发明领域

本发明涉及三维成像。更具体地说，本发明涉及三维数字图像的捕获和分发。

背景

存在各种用于建立三维对象的三维模型的非接触式方法。有四大类非接触式三维数字化仪。第一类称作轮廓数字化仪，因为当对象在成像装置前旋转或者成像装置围绕对象旋转时，成像装置反复拍摄对象的轮廓。这种数字化仪相对地说不适合于处理三维对象的凹度，因为凹度不改变所述轮廓。

第二类是定时数字化仪。定时数字化仪采用诸如雷达信号源之类的信号源。通过确定信号从目标对象上的不同点反射所需的时间量，展现对象的表面特性。但这种数字化方法的实现极为昂贵。

第三类是投影图案数字化仪，其中，某种图案投射到待数字化的对象上，并且从图案与对象的交互作用中确定对象的尺寸。投影图案数字化仪分为三个主要子类。这些子类包括等高线数字化仪，它采用来自等高线的投影图案的空间失真来确定三维对象的表面特性。下一个子类是干涉投影图案数字化仪，它采用两个源，并基于这两个源的局部干涉图案，确定待数字化的三维对象的表面特性。第三子类称作彩色投影图案数字化仪，因为这一类采用投影彩色图案以及所产生的彩色梯度来确定有关待数字化对象的相关信息。

最后的一个大类是立体数字化仪，它采用多个摄像机从不同角度捕获对象的图像。这种系统从图片中进行特征识别。然后再建立不同图片中的特征之间的相关性，以产生三维数据。

所有这些不同方法的共同点是高成本，并且每一种通常都要求严格限定的环境，其中通常需要类似实验室的设置来执行成像以获得必要的对准。这种高成本以及使用的难度使这类系统无法被普通用户所使用。

附图简要说明

本发明通过例子说明而不受附图中各图的限制，附图中相同的参考标记表示类似的部件。应当指出，本公开内容中对“一个”实施例的引用不一定指的是同一实施例，这类引用表示至少一个实施例。

图1是本发明的一个实施例的系统框图。

图2是本发明的一个实施例的系统框图。

图3是本发明的另一个实施例的框图。

图4是本发明的一个实施例中主机的操作流程图。

图5是本发明的一个实施例中服务器节点的操作流程图。

图6是本发明的一个实施例中数字化仪的操作流程图。

图7是本发明的一个实施例的数字化仪中建立和数据捕获的流程图。

详细说明

图1是本发明一个实施例的系统框图。诸如因特网的分布式网络100提供多个用户节点110、服务器节点120和主机150之间的互联。服务器节点120可以是传统的服务器或者服务器集合，以处理所述分布式网络上的业务量和请求。用户节点可以是分立的通过其万维网浏览器运行的计算机、企业网络、另一服务器站点或者分布式网络上任何别的节点。主机150可以是计算机(膝上型、台式、手持式、服务器、工作站等等)、因特网设备或其它任何可通过其在分布式网络上转发数据的设备。

主机150可以通过诸如通用串行总线(USB)的有线链路或无线链路162与数字化仪170通信。数字化仪170可以是无数非接触式数字化仪中任何一个。在共同未决的系列号为——，发明名称为：“利用亮度梯度对三维对象特性成像的数字化仪”的专利申请中描述了一种合适的数字化仪，所述申请转让给本申请的受让方。

在一个实施例中，数字化仪170物理上独立于定向装置180。为了方便用户，希望减少永久分配给所述系统的空间并减少安装时间。多数用户不能分配足够的空间来使系统配置好供随时使用。因此要求用户每次使用之前重新引入系统的某部分。需要交换电缆和以其它方式重新连线，成为消费者广泛使用的重大障碍。

这里所说的“物理上独立”意味着在操作过程中，物理上独立的单元之间不存在机械或有线的电连接。作为例子而非限制，通过电信号线直接或者经由主机连接在一起的两个装置，物理上不独立，而没有物理连接而是通过无线链路通信的两个装置被认为是“物理上独立的”。连接到共用电源，例如，房间内的两个电源插座，不视为破坏物理独立性。

定向装置180对由数字化仪170数字化的对象重新定位、使得所述对象的不同方面相对于数字化仪在不同时刻暴露。在一个实施例中，定向装置180是一个转盘。在共同未决的系列号为——、发明名称为“无线转盘”的申请中描述了一种合适的转盘，所述申请转让给本申请的受让方。定向装置也可能是机械手或者机器人装置、或者可能是与机械手或其它机器人装置合作的转盘。其它能够相对于数字化仪暴露对象的不同方面的机构被视为在定向装置的范围之内。

如前所述，定向装置独立于数字化仪。所述系统的前提之一是相对容易安装，便于广泛接受。这样，由于物理上独立，希望数字化仪170和定向装置180能够“找到”对方。为了达到这个目的，可以这样装备数字化仪170、以便利用其读出装置扫描区域，寻找定向装置180的特征。定向装置180可以包括诸如标记的特征，例如占用标记188，或者可以包含一些其它的物理上可观测的结构，这些结构允许数字化仪识别并获取定向装置180，而不需要用户引入或除去独立的参考对象。获取定向装置可以允许、例如以下各项中任何一项：数字化仪自动定标、自动确定数字化仪和定向装置的相对位置以及定向装置的取向或状态。在一个实施例中，在特征的透视以已知的方式随距离变化时，对特征进行成像提供了焦距指示。可以通过对特征成像和将结果与对应于所述特征的参考数据比较来完成定标。这样，可以自动地将数字化仪的设置优化，以便在现有条件下提供最好的可用精度。或者，可以基于参考目标或完全在数字化仪范围内的路径来完成定标。

或者，定向装置可以具有局部辐射源186，它允许数字化仪170基于来自辐射源186的局部辐射，搜索并识别定向装置的位置。同样处于本发明范围之内及考虑中的是使定向装置自身相对于数字化仪定位、使得定向装置控制由定向装置180的数字化仪170进行的获取、从而控制待定向的对象，这也是在本发明的范围和规划之内。在这种实施例的系统中，定向装置可能是移动机器人单元。

在一个实施例中，数字化仪和定向装置通过无线链路184通信，以便使对象的取向与数字化仪的图像捕获相配合。无线链路可以是红外线(“IR”)、射频(“RF”)、光信号或者其它模式的无线通信。在一个实施例中，定向装置180包括诸如电池的自备电源194。这种自备电源也可以是太阳能板、燃料电池或其它别的适合的电源。

在本发明的一个实施例中，数字化仪170捕获有关由定向装置180定位的对象信息，从所述信息可导出三维模型。数字化仪170中的控制器192控制数字化仪170的数据捕获和定向装置180方位角变化之间的相配合。所述控制器驻留于主机，数字化仪，定向装置或独立单元内，在本发明的范围和规划之内。这里提及的控制器视为包括但不受所有这些选项的限制。数字化仪170也可包括数据分析仪196，它检查所捕获的数据，以查找错误、异常或者其它感兴趣的需要进一步检查的地方，进一步的检查可能包括重新扫描相应区域。经任何更正之后，数字化仪170捕获的数据被输送到主机150，它根据所述数据再现三维模型。主机150可以对所述数据执行本技术领域已知的压缩或任何其他处理。然后，可以通过分布式网络100将所述三维模型发送给远程节点，例如用户节点110或服务器节点120。这提供通过分布式网络100分发的最大的便利。

在某些情况下，希望控制数字化仪捕获信息的分发，例如，便于用户收费管理。为了达此目的，在一个实施例中，数字化仪配备有硬件联锁装置190，所述装置防止系统在未接收到授权的情况下工作。这种授权可由服务器节点120通过分布式网络发送授权而提供。也可以或者在数字化仪170中或者在主机150中使用另一种锁定机构诸如软件的或基于固件的锁定机构。通过以下方法来进一步影响所述系统的安全性：在启动捕获和/或将数字化仪170所捕获的数据转移到主机150之前，除了授权数据，还要求主机150上的应用程序提供有效的数字签名。

数字化仪170的某些实施例可在把所捕获的数据发送到主机150之前，对其进行加密。在那种情况下，除非主机能够解密并再现所述数据，否则主机把所述数据通过分布式网络转发到服务器节点120，随后在服务器节点120上再现三维模型。这样，除非向本地用户提供密匙，否则他们不能访问由其导出三维模型的数据。在另外一个实施例中，主机150可以包含加密能力，可在把再现的图像向服务器节点120转发之前对其进行加密。密匙信息可由服务器节点120提供给数字化仪和/或主机。服务器节点可在本地数据库122中维护密匙信息和授权数据。一旦所述三维数据由服务器节点120安全地控制，用户节点110可免费或付费访问所述数据，或者返回到主机150。

数字化仪也可以包括现场可编程门阵列(“FPGA”)或者其它可重新配置的逻辑电路。在这种情况下，为了处理或保密的目的，服务器节点周期性地对FPGA重新编程，以实施更新或加强的算法，例如，随后开发的算法。

图2是本发明一个实施例的系统框图。可以插入图2的子系统以便代替图1的主机150、数字化仪120和定向装置180。数字化仪70连接到主机50。这种连接可以通过总线60，诸如通用串行总线(USB)，IEEE1394或者任何别的适合的数据传送系统。数字化仪通过无线互连与主机通信也在本发明的范围和规划之内。主机50可以是个人计算机、工作站、因特网装置或者任何别的其它提供足够智能和处理能力以根据数字化仪捕获的数据再现图像的装置。数字化仪70捕获图像数据，可将其转发给主机50用于再现。用这种方式，可以限制数字化仪70上的处理过程，从而允许低成本的结构。数字化仪再现图像并直接将其发送到分布式网络上，这也在本发明的范围和规划之内。数字化仪将所述数据发送到分布式网络以便在远程节点上再现，这亦在本发明的范围和规划之内。

数字化仪70包括投影仪，用于通过投影窗口74把一条白光投射到远处的对象、例如投射在远离数字化仪的转盘80上的人82上。数字化仪还包括与图像捕获窗口76对齐的图像传感阵列(ISA)，它在聚焦带范围内捕获对象82的图像。在一个实施例中，ISA是线性电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化半导体(CMOS)传感器，而聚焦带是目标对象上的一条线。在某些实施例中，数字化仪包括基座，包括投影仪和ISA的上部装置可以绕着基座沿任一方向旋转。这使聚焦线可以沿一条弧线来回地对目标对象进行扫描。这种扫描减少了图像捕获过程中的细节损失，这种损失是静止聚焦线的透视在所述对象上的阴影造成的。数字化仪70还包括无线接口，用于通过无线链路84和转盘80通信。

转盘80可以是以下共同未决的专利申请中所描述的类型：所述申请的系列号为——，发明名称为“无线转盘”，转让给本申请的受让人。通过无线链路84，数字化仪向转盘80发送命令，并接收来自转盘的转盘表面相对于原位置的角度位置指示。当启动数字化仪时，它通过发送要求转盘80对其作出响应的信号来搜索转盘80。如果转盘作出响应，则数字化仪就寻找期望存在于转盘表面的预定的图案。例如，所述图案可以是转盘表面的同心园。这种情况下，基于捕获到的图像，数字化仪可同时找到转盘并确定它与自己的距离。然后，在接收到响应之后，数字化仪向转盘发送“回家”信号。在某些实施例中，数字化仪向转盘发送加速和旋转规范概要，以控制其旋转。每一种规范概要可以保留在数字化仪上的固件中或从主机50下载。

一般讲，数字化仪70的投影部分和成像部分保持固定的关系。如前所述投影部分在对象82上产生光条。或者通过让光条来回通过所述聚焦线扫描，或者通过机械地按照已知速率遮挡光条，就可产生强度梯度。在一个实施例中，遮挡率在一个周期中从0％到100％。因为ISA对照明度在时间上积分，所以三维表面的轮廓反映在ISA捕获的数据中。这是因为向外突出的部分保持受照明的时间更长一些。于是，ISA捕获到对应这些部分的更多的光子。当转盘80转动对象每次一个条纹重复所述遮挡过程之后或者在数字化仪绕底座旋转时来回扫描整个数字化仪的过程中，就可实现效能价格合算的三维成像。数字化仪也可以用于通过来回扫描对象，捕获二维对象的高分辨率的扫描图像。在把艺术作品数字化时尤其需要这种特性。

图3是本发明的另一个实施例的框图。在这个实施例中用户节点再次连接到分布式网络100。服务器节点120和主机150也连接到分布式节点100。不过，在这个实施例中，数字化仪270和定向单元280物理上并不独立，而是一起连接起来形成单个集成单元。所述单元与主机通过无线链路262通信。或者，所述单元可以通过USB或其它任何别的合适的有线通信链路以有线方式连接到主机。数字化仪可用线性图像传感器将对象成像在定向装置280上。光源274可提供成像传感阵列所用的照明，以分辨三维数据。通过将数字化仪和定向单元集成在一起，系统的安装得到简化。可以以可旋转的方式连接数字化仪、使得它可对由定向装置280所定位的对象进行来回扫描。这种实施方式特别适合于小尺寸对象，例如珠宝，在这种情况下所需的焦距较短。其它如上所述的结合图1讨论的特性同样可用于图2所示的实施例。

图4是本发明的一个实施例的主机的操作流程图。在功能快400处，主机要求授权以便从远程节点(诸如服务器节点)扫描。在功能快402，主机节点通过网路接收授权数据。在功能快404，主机向数字化仪转发授权数据。在功能快406，主机从数字化仪接收扫描数据。

在判定块408，决定是否在本地再现三维模型。如果再现不在本地进行，则在功能块420将所述数据转发到远程节点。所述转发数据可加密或不加密，可压缩或不压缩，且转发协议可以是基于信元的、基于分组的或者任何别的普遍用于分布式网络的传输协议。

如果再现在本地进行，则在判定块422判定数据是否是加密的。如果判定块422处的数据没有加密，则在功能块412根据所述数据再现三维模型。在判定块41 4判定是否要在本地存储已再现的模型。如果判定要在本地存储所述模型，则在功能块416存储所述模型。如果判定所述模型不应该在本地存储，则在功能块418向远程节点转发已再现的模型。在某些情况下，如果在本地存储图像，则可以不将其转发到远程节点。在本发明的一个实施例中，授权数据指示本地存储是否是允许的。如果不允许本地存储，则成像应用程序负责对用于转发扫描数据的任何临时缓存空间进行电子细分。

如果在判定块422判定数据是加密的，则在功能块424通过分布式网络请求来自远程节点的密匙信息(或者其它允许解密的信息)。所述请求可包括用于得到访问权限的付款。一旦在功能块426接收到密匙信息，在功能块428主机就能够对数据解密。然后，如上所述，流程在功能块412继续。

图5是本发明一个实施例中服务器节点的操作流程图。在功能块500，所述服务器节点接收扫描授权请求。在判定块502判定是否提出请求的帐户有良好的名望。如果它没有，则在功能块526拒绝授权。如果所述帐户有良好的名望，则在功能块504向请求者发送授权数据。在判定块506判定请求者是否要再现图像。如果请求者要再现图像，在判定块508判定是否要求加密。要求加密可以由服务器节点来选择，这是使用授权的一部分。如果要求加密，则在功能块510服务器接收解密请求。然后，在功能块512，服务器节点向请求者发送密匙信息(或者其它允许解密的信息)。如果没有任何加密请求或者在密匙信息已经发送之后，在功能块514服务器节点可接收已再现的三维模型。

如果在判定块506，请求者不再现图像，则服务器节点接收扫描数据并在功能块516根据需要对其解密。然后，服务器节点在功能块518再现三维模型。在三维模型由服务器再现或者由服务器接收之后，将所述模型存储下来以便随后在功能块520分发。一旦已经存储，服务器可向任意节点或分布式网络提供所述模型。

在功能块522，接收访问模型的请求。在判定块524，判定是否允许请求者访问所述模型。可基于如下条件作出所述判定：基于不同模型的预定访问权限，它包括请求者是否是模型的建立者，由建立者建立的访问权限级别，或者基于这种访问的某种支付方式。如果判定允许访问所述模型，则在功能块526将所述模型发送给请求者。所述模型可以以任何形式发送并可加密以保证安全。在某些实施例中，可能会让请求者选择所发送文件的类型。否则，访问请求被拒绝。

图6是本发明一个实施例中数字化仪的操作流程图。在功能块600，从主机接收授权数据。在功能块602判定授权数据是否有效。授权数据可以包括编码以及例如成像应用程序的数字签名，以便确保授权了的成像应用程序在主机上工作。如果授权数据有效，则在功能块604将图像捕获系统解锁并激活它。在功能块606，数字化仪捕获由定向装置定位的对象的扫描数据。在判定块608判定是否应该对扫描数据加密。如果扫描数据应该加密，则在功能块612数字化仪可对所述数据加密。如果所述数据无需加密，或以后加密，则在功能块614可以向主机发送所述扫描数据。在功能块616，图像捕获系统重新锁定。

在一个实施例中，服务器节点能够同时控制成像子系统的工作启动以及对随后捕获到的数据的访问。这允许对成像子系统的宽分布式网络进行远程控制，这种方式由于容易操作且成本低而对广大用户具有吸引力。

图7是本发明一个实施例的数字化仪中建立和数据捕获流程图。在功能块702，数字化仪扫描搜索定向装置。在一个实施例中，这可以采取数字化仪围绕它作弧线扫描以寻找醒目的特征。在功能块704，数字化仪找到定向装置。在功能块706，数字化仪识别出数字化仪上的特征，数字化仪可以从所述特征导出某些信息。在功能块708，确定特征数据的位置。特征数据提供一种参考，根据所述参考，例如可以确定转盘中心的位置。在功能块710，将变形特征与已存的参考值比较，例如，这种变形可能或者是所述特征的变形或者是整个定向装置的变形。基于这种比较，在功能块712计算相对位置。在功能块714，同样的变形可用于计算数据并对数据定标，以优化随后根据现状进行的扫描的精度。在功能块716，数字化仪准备好扫描。

在功能块718，数字化仪开始扫描并捕获数据，根据所述数据，可导出正被扫描的对象的三维模型。在判定块720，判定扫描是否完成。如果扫描未完成，则在判定块722判定是否部分扫描破坏了、反常或者不可用。如果数据不可用，则在功能块724可针对所述对象的部分区域重新扫描。如果在判定块720，扫描已完成，就分析扫描数据以识别感兴趣的部分。在功能块726，那些感兴趣的部分可能包括异常数据、错误、需要更高分辨率的部分、或者任何别的需要进一步检查和审核的对象的各方面。在判定块728判定是否存在任何感兴趣的部分。如果感兴趣的部分存在，则在判定块730判定是否所有感兴趣的部分都已经得到处理。在功能块732，如果不是所有感兴趣的部分都已得到处理，则系统重新对对应于感兴趣部分的部分进行扫描。这次可以用比原先的扫描更高的分辨率，和原先一样高的分辨率、或者甚至可用另外一种捕获方法重新扫描。在功能块734，根据重新扫描结果调整模型。然后流程回到判定块730，以便判定是否所有感兴趣的部分已经得到处理。如果已经得到处理，则系统返回到功能块726识别感兴趣的部分。这样，如果重新扫描调整造成新的感兴趣部分，则随后会把它们挑出来加以处理。如果在判定块728，不存在感兴趣的部分，则在功能块736系统再现图像。

在前述的详细说明中，参照本发明的具体的实施例对其进行了描述。然而，在不背离所附权利要求书中提出的较宽的精神和范围的前提下，显然对它们可以进行各种修改和变化。因此所作的详细说明和附图应视为说明性的而不是限制性的。

Claims (15)

1.一种系统，它包括：

数字化仪，它能够收集关于对象的三维数据；

定向装置，用于自动将所述对象从第一取向重新定位到第二取向，以便相对于所述数字化仪暴露所述对象的第一方位及第二方位；以及

控制器，它使所述自动重新定位与所述数字化仪进行的数据捕获相配合；

其中，所述定向装置和所述数字化仪是没有预先定义的相对位置的、物理上无关的单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数字化仪和所述定向装置中至少一个能够自动确定另一个的相对位置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数字化仪能够自动校准。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括：

主机，用于处理所述三维数据以便再现所述对象的至少一部分的三维图像。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述主机包括：

分布式网络接口，所述接口向远程用户节点发送所述三维图像。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述数字化仪通过无线链路与所述主机通信。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数字化仪通过无线链路与所述定向装置通信。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述定向装置包括自备电源。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述数字化仪包括自备电源。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述定向装置包括鉴别性特征，所述鉴别性特征允许所述数字化仪通过扫描关于所述鉴别性特征的区域来获取所述定向装置。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述定向装置包括：

局部能源，所述局部能源允许所述数字化仪获取所述定向装置。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述定向装置是转台。

13.一种系统，它包括：

数字化仪，它能够收集关于对象的三维数据；

定向装置，用于自动将所述对象从第一取向重新定位到第二取向，以便相对于所述数字化仪暴露所述对象的第一方位和第二方位；

控制器，用于使所述自动重新定位与所述数字化仪进行的数据收集相配合；以及

数据分析器，用于识别所收集的数据中的重要的点，其中，所述数字化仪和定向装置自动重新扫描所述对象中与所识别的重要的点对应的部分，并且根据所述重新扫描来调整所述对象的一部分的三维模型，以改进之前捕获的对应于所述重要的点的数据的质量。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于以高于原始扫描的分辨率的分辨率进行所述重新扫描。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于采用不同的捕获方法进行所述重新扫描。

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