CN102980511B - 一种扫描动态物体的三维扫描系统及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描动态物体的三维扫描系统，用于获取一动态物体的三维图像，其包括一第一投影装置，用于向所述动态物体投射第一单色光。一与第一投影装置对应的第一感光装置，该第一感光装置能且只能采集从动态物体反射的第一单色光，形成第一图像。一第二投影装置，用于向所述动态物体投射第二单色光。一与第二投影装置对应的第二感光装置，该第二感光装置能且只能采集从动态物体反射的第二单色光，形成第二图像。一控制系统，所述控制系统控制所述第一投影装置与第二投影装置同时向所述动态物体投射第一单色光及第二单色光，并将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体的三维图像。另外，本发明还提供了一种三维扫描仪的扫描方法。

Description

一种扫描动态物体的三维扫描系统及其扫描方法

技术领域

本发明涉及一种三维扫描仪及其扫描方法，尤其涉及一种能高质量、低失真度获取动态物体三维图像的三维扫描仪及其扫描方法。

背景技术

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对被扫描物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得该物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实际物体的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为物体数字化提供了相当方便快捷的手段。利用三维扫描技术制备的三维扫描仪(3DScanner)作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点，而成为将物体三维建模的重要工具，得到越来越广泛的应用。譬如，用三维扫描仪对手板、样品、模型等被扫描物体进行扫描，可以得到该物体立体尺寸数据，这些数据能直接与计算机辅助设计(CAD：ComputerAidedDesign)或计算机辅助制造(CAM：ComputerAidedMaking)软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。

一般的三维扫描仪采用一投影仪投射条纹光到被扫描物体，再采用一相机采集从所述被扫描物体反射过来的条纹光，通过计算条纹光在被扫描物体的变形，从而获得被扫描物体的三维图像。然而，当采用单台三维扫描仪获取被扫描物体的三维图像时，所述相机所能接收到的条纹光仅限于被扫描物体被投影仪投射到的区域，而无法获得该被扫描物体未被投影仪投射到的区域(盲区)反射过来的条纹光。即，由于所述投影仪在被扫描物体有投射盲区，通过单台三维扫描仪所获取的三维图像质量不高或失真。

为解决投影仪投射盲区的问题，通常采用如下两种方式获取被扫描物体的三维图像：一是用单台三维扫描仪一个角度获取被扫描物体的扫描模型，再移动到另一角度扫描获取被扫描物体的扫描模型，然后对从不同角度获取到的扫描模型进行拼接得到被扫描物体的三维图像；二是采用多台三维扫描仪错时获取被扫描物体的扫描模型，然后对该多台三维扫描仪获取到的扫描模型进行拼接得到被扫描物体的三维图像。然而，以上两种扫描方式虽然能解决部分投射盲区的问题，但当被扫描物体为动态物体，如人脸时，其获取到的三维图像依然存在较大失真，质量较低。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能高质量、低失真度获取动态物体三维图像的三维扫描系统及其扫描方法，以解决上述问题。

本发明是这样实现的：

提供一种扫描动态物体的三维扫描系统，用于获取一动态物体的三维图像，其包括一第一投影装置，用于向所述动态物体投射第一单色光。一与第一投影装置对应的第一感光装置，该第一感光装置能且只能采集从动态物体反射的第一单色光，形成第一图像。一第二投影装置，用于向所述动态物体投射第二单色光。一与第二投影装置对应的第二感光装置，该第二感光装置能且只能采集从动态物体反射的第二单色光，形成第二图像。一控制系统，所述控制系统控制所述第一投影装置与第二投影装置同时向所述动态物体投射第一单色光及第二单色光，并将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体的三维图像。其中，所述第一感光装置与所述第一投影装置组合在一起或固定在同一壳体中，所述第二感光装置与所述第二投影装置组合在一起或固定在同一壳体中；以动态物体为顶点，所述第一投影装置的投光方向与第二投影装置的投光方向之间的夹角大于等于30度小于等于180度；所述第一投影装置包括一第一白光投光光源及一第一滤光片，该第一滤光片设置在所述第一白光投光光源与动态物体之间，该第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二投影装置包括一第二白光投光光源及一第二滤光片，该第二滤光片设置在所述第二白光投光光源与动态物体之间，该第二滤光片仅允许第二单色光通过；所述第一感光装置包括一第一滤光片及第一相机，所述第一滤光片设置在所述第一相机与动态物体之间，所述第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二感光装置包括一第二滤光片及第二相机，所述第二滤光片设置在所述第二相机与动态物体之间，所述第二滤光片仅允许第二单色光通过。

进一步地，所述第一单色光与第二单色光为红光、蓝光、绿光中的任意两种单色光。

本发明还涉及一种扫描动态物体的三维扫描系统的扫描方法，其包括如下步骤：a.采用第一投影装置及第二投影装置同时向一动态物体投射第一单色光及第二单色光，其中，所述第一感光装置与所述第一投影装置组合在一起或固定在同一壳体中，所述第二感光装置与所述第二投影装置组合在一起或固定在同一壳体中；所述第一投影装置包括一第一白光投光光源及一第一滤光片，该第一滤光片设置在所述第一白光投光光源与动态物体之间，该第一滤光片仅允许第一单色光通过，第二投影装置包括一第二白光投光光源及一第二滤光片，该第二滤光片设置在所述第二白光投光光源与动态物体之间，该第二滤光片仅允许第二单色光通过，并且以动态物体为顶点，所述第一投影装置的投光方向与第二投影装置的投光方向之间的夹角大于等于30度小于等于180度；b.采用第一感光装置仅采集从动态物体反射的第一单色光，形成第一图像，同时采用第二感光装置仅采集从动态物体反射的第二单色光，形成第二图像，其中，所述第一感光装置包括一第一滤光片及第一相机，所述第一滤光片设置在所述第一相机与动态物体之间，所述第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二感光装置包括一第二滤光片及第二相机，所述第二滤光片设置在所述第二相机与动态物体之间，所述第二滤光片仅允许第二单色光通过；c.采用一控制系统将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体的三维图像。

与现有技术相比，本发明的扫描动态物体的三维扫描系统及其扫描方法中，通过采用两台或两台以上的投影装置同时向动态物体投射单色光，而与投影装置对应的感光装置，仅采集与之对应的投影装置投射的单色光，形成图像。因此，所述扫描动态物体的三维扫描系统及其扫描方法不仅能够降低甚至消除因单台投影装置投射盲区所带来的影响，还能在同一时间获取到动态物体在不同角度的多个图像，消除因动态物体在不同时间图像不对应的问题。最后，所述扫描动态物体的三维扫描系统及其扫描方法中不同投影装置的单色光彼此之间不产生干涉，解决了不同方向的透射光彼此干扰的问题，避免投影到动态物体上的光信息失真，从而导致重建得到的物体三维信息失真或图像质量不高，从而能进一步提高所述动态物体三维图像的质量，降低失真度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

以下结合附图描述本发明的实施例，其中：

图1是本发明实施例提供的一种扫描动态物体的三维扫描系统的示意图。

图2是本发明实施例提供的一种扫描动态物体的三维扫描系统的扫描方法的流程图。

图3是本发明另一实施例提供的一种扫描动态物体的三维扫描系统的扫描方法的流程图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅作为实施例，并不用于限定本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一扫描动态物体的三维扫描系统100，用于获取一动态物体200的三维图像。所谓动态物体系指其三维图像或模型随着时间变化会有所变化的物体。譬如人脸，在不同时间点，由于表情不同而其三维图像也会有所不同。

所述三维扫描系统100包括一第一投影装置10、一第一感光装置20、一第二投影装置30、一第二感光装置40及一控制系统50。

所述第一投影装置10用于向所述动态物体200投射第一单色光。所述第一单色光为单色条纹光(又称单色结构光)，当该条纹光照射到动态物体，被反射的条纹光能够携带该动态物体200的三维轮廓信息。该第一单色光的光谱不限，只要是可见光即可，优选地，所述第一单色光为红、蓝、绿三种单色光中的一种。为使所述第一投影装置10能投射出第一单色光，所述第一投影装置10可包括一第一单色投光光源，从而仅能发射第一单色光。在本实施例中，所述第一投影装置10可包括一第一白光投光光源11及一第一滤光片12。该第一滤光片12设置在所述第一白光投光光源11与动态物体200之间，该第一滤光片12仅允许第一单色光通过。可以理解，选用第一单色投光光源投射第一单色光，能够减少元器件，而选用第一白光投光光源11配合第一滤光片12投射第一单色光，则仅需在现有的投影仪前增设一滤光片即可。

所述第一感光装置20与所述第一投影装置10对应，能且只能采集从动态物体200反射的第一单色光，形成第一图像。通常，为工作方便，所述第一感光装置20与第一投影装置10组合在一起或固定在同一壳体中，形成一个三维扫描仪。所述第一感光装置20包括一第一相机21。所述第一相机21仅能采集第一单色光，所述第一相机21与动态物体200之间设置有另一第一滤光片12，通过相应的滤光片12，从动态物体200发射过来的光中，仅第一单色光能通过且被第一相机21采集到。所述第一相机21可包括一组镜片及一感光元件，镜片设置在第一滤光片12及感光元件之间。所述感光元件包括CCD(电子耦合器件图像传感器)与CMOS(互补金属氧化物半导体图像传感器)，在本实施例中，所述感光元件为CCD。

所述第二投影装置30用于向所述动态物体200投射第二单色光。以动态物体200为顶点，所述第一投影装置10的投光方向与第二投影装置20的投光方向之间的夹角不限。优选地，所述第一投影装置10的投光方向与第二投影装置20的投光方向之间的夹角大于等于30度小于等于180度，从而能进一步降低甚至消除在动态物体200上的投射盲区。所述第二单色光为单色条纹光(又称单色结构光)，当该条纹光照射到动态物体，被反射的条纹光能够携带该动态物体200的三维轮廓信息。该第二单色光的光谱不限，只要是可见光且非第一单色光即可，优选地，所述第二单色光为红、蓝、绿三种单色光中的一种且不能为第一单色光。在本实施例中，所述第一单色光为红光，第二单色光为蓝光。为使所述第二投影装置30能投射出第二单色光，所述第二投影装置20可包括一第二单色投光光源，从而仅能发射第二单色光。在本实施例中，所述第二投影装置30可包括一第二白光投光光源31及一第二滤光片32。该第二滤光片32设置在所述第二白光投光光源31与动态物体200之间，该第二滤光片32仅允许第二单色光通过。可以理解，选用第二单色投光光源投射第二单色光，能够减少元器件，而选用第二白光投光光源31配合第二滤光片32投射第二单色光，则仅需在现有的投影仪前增设一滤光片即可。

所述第二感光装置40与所述第二投影装置30对应，能且只能采集从动态物体200反射的第二单色光，形成第二图像。通常，为工作方便，所述第二感光装置40与第二投影装置30组合在一起或固定在同一壳体中，形成一个三维扫描仪。所述第二感光装置40包括一第二相机41。所述第二相机41仅能采集第二单色光，所述第二相机41与动态物体200之间设置有另一第二滤光片32，通过相应的滤光片32，从动态物体200发射过来的光中，仅第二单色光能通过且被第二相机41采集到。所述第二相机41可包括一组镜片及一感光元件，镜片设置在第二滤光片32及感光元件之间。所述感光元件包括CCD(电子耦合器件图像传感器)与CMOS(互补金属氧化物半导体图像传感器)，在本实施例中，所述感光元件为CCD。

所述控制装置50与所述第一投影装置10、第一感光装置20、第二投影装置30及第二感光装置40均数据连接。当所述三维扫描系统200工作时，所述控制系统50控制所述第一投影装置10与第二投影装置40同时向所述动态物体200投射第一单色光及第二单色光，并将采集到第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体200的三维图像。重建所述动态物体200的三维图像的方法不限，譬如，可采用双目视差法原理对所述动态物体200的三维图像进行重建。

本发明实施例中的三维扫描系统100，通过采用第一投影装置10与第二投影装置30同时向动态物体200投射第一单色光与第二单色光。由于第一单色光与第二单色光波长不一样，照射在动态物体200时，彼此不产生干涉，避免投影到动态物体200上的光信息失真，降低重建得到的动态物体200三维信息失真度或提高图像质量，从而能进一步提高所述动态物体200三维图像的质量。而且，被动态物体200发射回来携带有动态物体200三维轮廓信息的第一单色光与第二单色光也易于被分离。而第一滤光片12过滤掉第二单色光，仅允许第一感光装置20采集第一单色光形成第一图像。第二滤光片32过滤掉第一单色光，仅允许第二感光装置40采集第二单色光形成第二图像。可以理解，由于本三维扫描系统100中的第一投影装置10与第二投影装置30同时照射动态物体200，能够降低甚至消除因单台投影装置投射所带来的盲区，还能在同一时间在不同角度获取到动态物体200的图像，消除因动态物体200在不同时间图像不对应的问题。

除本实施例外，所述三维扫描系统100还可以包括两台以上的投影装置、感光装置，从而可在更多角度获取动态物体200的图像，每一单色光均对应一副图像。用户可根据实际需要选择不同台数的投影装置及感光装置。譬如，当扫描人脸时，由于扫描面积仅是前面大约180度方位的区域，不需要扫描后面的区域，所以采用两台投影装置及感光装置较佳。可以理解，当采用两台投影装置及感光装置时，所述三维扫描系统100的成本较为低廉。而采用两台以上的投影装置、感光装置时，所获得到的动态物体200的图像区域更全面。例如，当要全方位的扫描雕塑时，则需要采用三台或以上的投影装置及感光装置较佳，综合考虑成本及图像质量，可以采用三组投影装置及感光装置，其中，以雕塑为顶点，三台投影装置中相邻的投影装置的投光方向呈120度角夹角。

由于传统的三维扫描仪仅包括相机与投影仪，因此，所述三维扫描系统也可做如下描述：该三维扫描系统包括多台三维扫描仪及一控制系统。该三维扫描系统进一步包括多个与三维扫描仪对应的滤光片设置在该三维扫描仪与动态物体之间。所述多台三维扫描仪用于从多个角度拍摄动态物体的多个图像。每台三维扫描仪所对应的滤光片所允许通过的单色光均相互独立，从而使每台三维扫描仪投射出来的光均为单色光且只能接收同一种单色光。所述控制系统用于控制所述多台三维扫描仪同时向所述动态物体投射单色光并根据所述多台三维扫描仪所拍摄到的图像得到动态物体的三维图像。

请参阅图2，本发明实施例提供的三维扫描仪100的扫描方法包括以下步骤：

步骤a.采用第一投影装置10及第二投影装置30同时向动态物体200投射第一单色光及第二单色光。

步骤b.采用第一感光装置20仅采集从动态物体200反射的第一单色光，形成第一图像。采用第二感光装置40仅采集从动态物体200反射的第二单色光，形成第二图像。在步骤b中，还可包括如下步骤：采用第一相机21及设置在所述第一相机21与动态物体200之间的第一滤光片12组成所述第一感光装置20，采用第二相机41及设置在所述第二相机41与动态物体200之间的第二滤光片32组成所述第二感光装置40。其中，所述第一滤光片12仅允许第一单色光通过，所述第二滤光片仅32允许第二单色光通过。

步骤c.采用控制系统50将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体200的三维图像。

请参阅图3，可以理解，由于本发明中实施例中的三维扫描系统100也可由传统的三维扫描仪改进而成，因此，本发明另一实施例提供的三维扫描仪100的扫描方法还可以包括以下步骤：

a.提供多台三维扫描仪及一控制系统。所述的三维扫描仪为传统的三维扫描仪，通常由相机与投影仪组成。

b.在每台三维扫描仪与动态物体之间设置滤光片，每台三维扫描仪所对应的滤光片所允许通过的单色光均相互独立，从而使每台三维扫描仪投射出来的光均为单色光且只能接收同一种单色光。同台三维扫描仪中，可采用较大面积的滤光片设置在三维扫描仪与动态物体之间，同时过滤投影仪的投射光及反射回来的光；也可采用两片滤光性质一致的滤光片，分别设置在同台三维扫描仪中的投影仪与动态物体之间及相机与动态物体之间。

c.控制所述多台三维扫描仪同时向所述动态物体投射单色光并根据所述多台三维扫描仪所拍摄到的图像得到动态物体的三维图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种扫描动态物体的三维扫描系统，用于获取一动态物体的三维图像，其包括：

一第一投影装置，用于向所述动态物体投射第一单色光；

一与第一投影装置对应的第一感光装置，该第一感光装置能且只能采集从动态物体反射的第一单色光，形成第一图像；一第二投影装置，用于向所述动态物体投射第二单色光；

一与第二投影装置对应的第二感光装置，该第二感光装置能且只能采集从动态物体反射的第二单色光，形成第二图像；以及

一控制系统，所述控制系统控制所述第一投影装置与第二投影装置同时向所述动态物体投射第一单色光及第二单色光，并将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体的三维图像；

其中，所述第一感光装置与所述第一投影装置组合在一起或固定在同一壳体中，所述第二感光装置与所述第二投影装置组合在一起或固定在同一壳体中；

以动态物体为顶点，所述第一投影装置的投光方向与第二投影装置的投光方向之间的夹角大于等于30度小于等于180度；

所述第一投影装置包括一第一白光投光光源及一第一滤光片，该第一滤光片设置在所述第一白光投光光源与动态物体之间，该第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二投影装置包括一第二白光投光光源及一第二滤光片，该第二滤光片设置在所述第二白光投光光源与动态物体之间，该第二滤光片仅允许第二单色光通过；

所述第一感光装置包括一第一滤光片及第一相机，所述第一滤光片设置在所述第一相机与动态物体之间，所述第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二感光装置包括一第二滤光片及第二相机，所述第二滤光片设置在所述第二相机与动态物体之间，所述第二滤光片仅允许第二单色光通过。

2.如权利要求1所述的扫描动态物体的三维扫描系统，其特征在于，所述第一单色光与第二单色光为红光、蓝光、绿光中的任意两种单色光。

3.一种扫描动态物体的三维扫描系统的扫描方法，其包括如下步骤：a.采用第一投影装置及第二投影装置同时向一动态物体投射第一单色光及第二单色光，其中，所述第一投影装置包括一第一白光投光光源及一第一滤光片，该第一滤光片设置在所述第一白光投光光源与动态物体之间，该第一滤光片仅允许第一单色光通过，第二投影装置包括一第二白光投光光源及一第二滤光片，该第二滤光片设置在所述第二白光投光光源与动态物体之间，该第二滤光片仅允许第二单色光通过，并且以动态物体为顶点，所述第一投影装置的投光方向与第二投影装置的投光方向之间的夹角大于等于30度小于等于180度；b.采用第一感光装置仅采集从动态物体反射的第一单色光，形成第一图像，同时采用第二感光装置仅采集从动态物体反射的第二单色光，形成第二图像，其中，所述第一感光装置与所述第一投影装置组合在一起或固定在同一壳体中，所述第二感光装置与所述第二投影装置组合在一起或固定在同一壳体中；所述第一感光装置包括一第一滤光片及第一相机，所述第一滤光片设置在所述第一相机与动态物体之间，所述第一滤光片仅允许第一单色光通过；所述第二感光装置包括一第二滤光片及第二相机，所述第二滤光片设置在所述第二相机与动态物体之间，所述第二滤光片仅允许第二单色光通过；c.采用一控制系统将第一图像及第二图像进行计算拟合，从而得到所述动态物体的三维图像。