CN101969523A - 一种三维扫描装置及三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描装置，包括两个图像采集模块、一字线激光发射模块、图像处理模块；所述一字线激光发射模块用于发射一字激光线扫描待扫描物体，所述两个图像采集模块用于同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息，所述图像处理模块用于处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。还公开了一种三维扫描方法。本发明的三维扫描装置生产成本低、操作容易、携带方便、扫描速度快。

Description

一种三维扫描装置及三维扫描方法

技术领域

本发明涉及三维信息技术领域，尤其涉及一种三维扫描装置及三维扫描方法。

背景技术

随着信息和通信技术的发展，人们在生活和工作中接触到越来越多的图形图像。获取图像的方法包括使用各种摄像机、照相机、扫描仪等，利用这些手段通常只能得到物体的平面图像，即物体的二维信息。在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息是必不可少的。因此，如何如何迅速获取物体的立体彩色信息并将其转化为计算机能直接处理的三维数字模型。三维扫描仪正是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具，但在国外大部分工业化较发达国家，此类设备一般用作三维检测，与逆向工程、优化设计中，所以更长时间被叫做三维测量机。

常用的三维扫描仪根据传感方式的不同，分为接触式和非接触式两种。接触式的采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量。其缺点是：测量费用较高、探头易磨损、测量速度较慢；非接触式三维扫描仪因其接触性，对物体表面不会有损伤，同时相比接触式的具有速度快，容易操作等特征。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维扫描装置及三维扫描方法。

本发明采用如下技术方案：

一种三维扫描装置，包括两个图像采集模块、一字线激光发射模块、图像处理模块；所述一字线激光发射模块用于发射一字激光线扫描待扫描物体，所述两个图像采集模块用于同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息，所述图像处理模块用于处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。

所述的三维扫描装置，所述图像处理模块包括二值化处理模块、二维坐标提取及转换模块和三维重建模块，所述二值化处理模块用于处理所述图像信息得到二值化图像信息，所述二维坐标提取及转换模块用于提取所述二值化图像信息中的激光线的二维坐标，然后转化为该激光线的三维坐标，最后转换为待扫描物体的真实坐标信息；所述三维重建模块用于根据所述真实坐标信息构建待扫描物体的三维模型信息。

一种三维扫描方法，包括以下步骤：A1，使用一字激光线扫描待扫描物体；A2，使用两个图像采集模块同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息；A3，处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。

所述的三维扫描方法，所述步骤A3，具体执行以下操作：A31，处理所述图像信息得到二值化图像信息；A32，提取所述二值化图像信息中的激光线的二维坐标，将所述二维坐标转化为该激光线的三维坐标；A33，根据所述三维坐标转换得到待扫描物体的真实坐标信息；A34，根据所述真实坐标信息构建待扫描物体的三维模型信息。

所述的三维扫描方法，所述步骤A31具体执行以下操作：调用OpenCV的函数cvCvtColor将原图转化为灰度图，再调用cvThreshold将灰度图进行转化得到二值化图像信息。

所述的三维扫描方法，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式

和

将所述二维坐标转换为所述三维坐标，以其中一个所述图像采集模块为原点建立空间坐标系，(x0，y0，z0)为待扫描物体在该空间坐标系中的的点坐标，(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)分别表示所述点在所述两个图像采集模块所捕获图像中的坐标；imageWidth为图片的宽度，imageHeight为图片的高度，focalLength为图像采集模块的焦距。

所述的三维扫描方法，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式t＝y2L/(x1y2+y1L-x2y1)计算待扫描物体上的点的真实坐标信息，其中L为两个图像采集模块之间的距离。

(1)生产成本低。目前的商业三维扫描仪的售价都在10万元以上，难以推广，本产品目的之一在于用最简单的仪器达到最高的性能。因此，本产品的生产成本相对较低。

(2)操作容易。市场上的许多扫描仪都需要用户进行自行标定，费时费力。并且软件也需要用户具备一定知识才能使用。本产品的标定简单，对环境的要求不高，并且软件界面十分友好简单，用户不需要具有专业知识也能使用。

(3)携带方便。目前的商业三维扫描仪通常体积较大，而本产品只需要两个摄像头和一个激光笔，十分便携。

(4)扫描速度快。很多三维扫描仪的扫描时间长。本扫描仪虽然依据环境问题速度上有些差异，不过平均时间在20秒之内。对于应用已经足够。

附图说明

图1为由两个摄像头拍摄到的两幅图片中的坐标点求得物体上该点的坐标的原理示意图；

图2为本发明扫描装置扫描方法示意图；

图3为左摄像头和右摄像头分别拍摄到的图像；

图4为在一字线激光笔扫描下的物体在左右两个摄像头所得的图像

图5为经过二值化处理后的图像；

图6为经过三维重建得到的图像。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)器材：两个摄像头，一个一字线激光笔。

(2)原理：如图1所示，以左摄像头为空间坐标系原点建立空间坐标系。L为两个摄像头间的距离，(x0，y0，z0)为空间物体某一点的坐标，图中的两个长方形为摄像头捕获的两幅图像，(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)分别表示空间实际物体的点在左右摄像头所捕获图像中的坐标点。由数学关系可得：

t＝y2L/(x1y2+y1L-x2y1)

$\left\{\begin{array}{c}x0=x1t\\ y0=y1t\\ z0=z1t\end{array}\right.---\left(1\right)$

由于图片中的坐标是二维坐标，所以需要转换为三维坐标，设imageWidth为图片的宽度(像素数)，imageHeight为图片的高度(像素数)，focalLength为摄像头的焦距；则：

在左图中图片某一像素点的二维坐标：(u1，v1)

则其对应的物体中的相应点的三维坐标为：(x1，y1，z1)

$\left\{\begin{array}{c}x1=u1-\mathrm{imageWidth}/2\\ y1=v1-\mathrm{imageHeight}/2\\ z1=\mathrm{focalLength}\end{array}\right.---\left(2\right)$

同理，在右图中图片某一像素点的二维坐标：(u2，v2)

则其对应的物体中的相应点的三维坐标点为：(x2，y2，z2)

$\left\{\begin{array}{c}x2=u2-\mathrm{imageWidth}/2+L\\ y2=v2-\mathrm{imageHeight}/2\\ z2=\mathrm{focalLength}\end{array}\right.---\left(3\right)$

综上所述，左摄像头的三维坐标点和左图片的某一点的三维坐标点连成一条直线，右摄像头的三维坐标点和右图片的某一点的三维坐标点连成一条直线，用求空间中的两条直线的交点的方法，可求出对应物体的真实坐标。

上述器材按照以下方法设置：

1.两个摄像头水平平行放置，不可移动，因为软件设定以左摄像头所在位置为空间坐标系的坐标原点。两个摄像头的距离固定，测量出两个摄像头的距离L，在软件中能够自行设定参数L的值(建议5cm-10cm)。除此之外，还需测出摄像头的焦距focalLength，由于最后得到的是相对坐标，因此如无特殊要求可用软件的默认值。

2.驱动两个摄像头捕获图像。使用OpenCV的Highgui函数库中的函数cvCreateCameraCapture驱动摄像头，虽然不能达到很高的帧率，但在此处已经够用。在摄像头能够捕获图像之后，将需要扫描的物体在所捕获的图像中框出，这么做不仅能加快扫描速度，而且能有效地除去背景点。如图3所示，物体外围的框即为扫描范围。

3.一字线激光竖直照射在物体上，要注意不能暴露在强光下，否则可能不能识别出激光线。在这里尽可能使用细而强的激光，这样的效果较好。不过在实际使用中用户可以自行设定参数，自由度较大，用户可自行设定直到得到满意的结果为止。系统自带一组默认的参数，普通情况下焦距无需更改。

4.对左右摄像头捕获的两幅图片进行二值化处理，提取出激光线。二值化处理可调用OpenCV的函数cvCvtColor将原图转化为灰度图，再调用cvThreshold将灰度图进行转化得到二值化处理的结果图。

由公式(2)和(3)可将图片中激光线的二维坐标转换为三维坐标。即每次可得到在两张图片中同一条激光线对应的三维坐标。

5.人手持激光笔将照射到物体上的激光线左右移动，移动速度没有要求，左右往复移动或单向移动皆可，只要当扫描的物体符合用户的要求时用户点击软件上的按钮将其停止扫描即可。摄像头不停的捕获图像，每次都提取一条激光线，由公式(1)计算这条激光线的真实坐标，即物体的真实坐标，直到整个物体扫描完毕为止。结果如图6所示。

6.如图6所示，得到的三维图形可保存为obj格式，供用户处理和调用。

实施例2

参考图2至图6，本实施例提供一种三维扫描方法，包括以下步骤：A1，使用一字激光线扫描待扫描物体；A2，使用两个图像采集模块同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息，如图4；A3，处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。

所述的三维扫描方法，所述步骤A3，具体执行以下操作：A31，处理所述图像信息得到二值化图像信息，如图5；A32，提取所述二值化图像信息中的激光线的二维坐标，将所述二维坐标转化为该激光线的三维坐标；A33，根据所述三维坐标转换得到待扫描物体的真实坐标信息；A34，根据所述真实坐标信息构建待扫描物体的三维模型信息，如图6。

所述的三维扫描方法，所述步骤A31具体执行以下操作：调用OpenCV的函数cvCvtColor将原图转化为灰度图，再调用cvThreshold将灰度图进行转化得到二值化图像信息。

所述的三维扫描方法，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式

和

将所述二维坐标转换为所述三维坐标，以其中一个所述图像采集模块为原点建立空间坐标系，(x0，y0，z0)为待扫描物体在该空间坐标系中的的点坐标，(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)分别表示所述点在所述两个图像采集模块所捕获图像中的坐标；imageWidth为图片的宽度，imageHeight为图片的高度，focalLength为图像采集模块的焦距。

所述的三维扫描方法，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式

t＝y2L/(x1y2+y1L-x2y1)计算待扫描物体上的点的真实坐标信息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维扫描装置，其特征在于，包括两个图像采集模块、一字线激光发射模块、图像处理模块；所述一字线激光发射模块用于发射一字激光线扫描待扫描物体，所述两个图像采集模块用于同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息，所述图像处理模块用于处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。

2.根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于，所述图像处理模块包括二值化处理模块、二维坐标提取及转换模块和三维重建模块，所述二值化处理模块用于处理所述图像信息得到二值化图像信息，所述二维坐标提取及转换模块用于提取所述二值化图像信息中的激光线的二维坐标，然后转化为该激光线的三维坐标，最后转换为待扫描物体的真实坐标信息；所述三维重建模块用于根据所述真实坐标信息构建待扫描物体的三维模型信息。

3.一种三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：A1，使用一字激光线扫描待扫描物体；A2，使用两个图像采集模块同时采集所述一字线激光发射模块扫描下的所述待扫描物体的图像信息；A3，处理所述图像信息，得到待扫描物体的三维模型信息。

4.根据权利要求3所述的三维扫描方法，其特征在于，所述步骤A3，具体执行以下操作：A31，处理所述图像信息得到二值化图像信息；A32，提取所述二值化图像信息中的激光线的二维坐标，将所述二维坐标转化为该激光线的三维坐标；A33，根据所述三维坐标转换得到待扫描物体的真实坐标信息；A34，根据所述真实坐标信息构建待扫描物体的三维模型信息。

5.根据权利要求3所述的三维扫描方法，其特征在于，所述步骤A31具体执行以下操作：调用OpenCV的函数cvCvtColor将原图转化为灰度图，再调用cvThreshold将灰度图进行转化得到二值化图像信息。

6.根据权利要求3所述的三维扫描方法，其特征在于，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式

和

将所述二维坐标转换为所述三维坐标，以其中一个所述图像采集模块为原点建立空间坐标系，(x₀，y₀，z₀)为待扫描物体在该空间坐标系中的的点坐标，(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)分别表示所述点在所述两个图像采集模块所捕获图像中的坐标；imageWidth为图片的宽度，imageHeight为图片的高度，focalLength为图像采集模块的焦距。

7.根据权利要求3所述的三维扫描方法，其特征在于，所述步骤A32具体执行以下操作：由公式t＝y₂L/(x₁y₂+y₁L-x₂y₁)计算待扫描物体上的点的真实坐标信息，其中L为两个图像采集模块之间的距离。

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