CN103162643A - 单目结构光三维扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种单相机单投影的结构光三维扫描仪设备，采用时域编码结构光技术，获得光栅条纹图案，并根据相位法和三角法解析条纹曲率变化，精确计算出每个像素在物体表面上对应的空间坐标点信息和纹理RGB或BW信息。该发明实现了扫描仪真正的便携性，是一款“光机电”高度融合的设备。其工作原理是：投影组件将多组条纹光投影到物体表面，相机组件拍摄物体表面条纹图案并将图案信息传输到主控板，主控板将图案信息经计算机通信接口传输至计算机，计算机根据相位法和三角法等解析条纹曲率变化，精确计算出每个像素对应物体表面的空间点坐标和纹理信息，最终达到获得物体表面三维(彩色)点云数据。

Description

单目结构光三维扫描仪

技术领域

本发明是一种涉及了光学、机械、电子、计算机通信等技术的非接触式三维测量仪，是一款解决曲面测量、异变形件测量、微小件测量问题的重要设备，属于测量设备领域。

背景技术

早先我国的三维测量设备大多为三坐标测量机，这种设备的特点是单点坐标提取，测量直线距离尚可，对于曲面和一些容易变形的软胶类样件，就不能很快捷、简便的解决问题了。由于生产技术的不断提高，大量如此类的测量需求，促使了非接触式的三维扫描仪的问世。非接触式三维扫描仪是通过光反射原理来取得样件表面影像，在通过软件的解析工作来分析出每个反射点相对于坐标0点的位置信息，形成一组真实的点群，也称之为点云。三维点云真实的反映了物件表面的三维外形，最高精确度可达到0.02MM。

非接触式扫描仪大量解决了曲面测量，尤其是非规则曲面的测量问题。例如：人们可以扫描人脸的三维数据，提取三维曲线，制作一个与脸型吻合的面罩，由此来实现个性化定制；可以利用三维扫描仪对文物的外形扫描，做成真实度很高的虚拟博物馆；可以利用三维扫描仪技术改善传统手工模具开模方式，配合三维数字化技术，提高模具的生产效率；可以利用三维扫描仪技术检测产品曲面外形是否符合标准；可以利用三维扫描仪，逆向各类产品的三维图纸。诸如此类，只要在数字化时代中，想以不规则曲面、不规则曲线为依据做研究，做生产，做开发都离不开三维扫描仪设备的帮忙。三维扫描仪设备已经潜移默化的成为了三维工业时代的必要设备。

三维扫描仪的发展历程基本是三个阶段：

第一阶段是点测量阶段，测量设备有三坐标测量仪、点激光测量仪、关节臂扫描仪(精度不高)通过每一次的测量点反映物体表面特征，优点是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在测量较规则物体上有优势。

第二阶段是线测量阶段，测量设备有三维台式激光扫描仪、三维手持式激光扫描仪、关节臂+激光扫描头，通过一段(一般为几公分，激光线过长会发散)有效的激光线照射物体表面，再通过传感器得到物体表面数据信息。适合扫描中小件物体，扫描景深小(一般只有5CM)。

第三阶段是面测量阶段，测量设备主要是光栅式扫描仪。光栅式扫描仪以矩形面的范围进行扫描，单次曝光扫描时间以秒为单位来计算，比激光扫描仪的扫描时间快了几十倍，甚至几百倍。并且在扫描的精细程度上也同样比激光扫描仪强大很多。

目前我国的三维曲面测量设备大多数是激光测量设备，偶尔有结构光类的三维扫描设备也是结构繁杂便携性能低，不符合市场的需求。

发明内容

本发明是一种单投影单相机的结构光三维扫描仪，采用时域编码结构光技术，获得序列光栅条纹图案，并根据相位法和三角法解析条纹曲率变化，精确计算出每个像素在物体表面上对应的空间坐标点信息和纹理RGB或BW信息。最终以文件后缀名为XYZ和BMP的文件形式存储在计算机默认的工作路径下。然后根据测量需求，采用不同的三维软件对点数据进行不同的处理，以达到解决测量问题为目的。

本发明从外型结构到内部元器件功能上都做到便携、简洁、精准、快速、安全、高度集成的特点。

一种单目结构光三维扫描仪，其外壳材料采用了ABS高强度塑料，即减轻了三维扫描仪本身的重量，同时保证了三维扫描仪各机件所要求的稳定性，发明中的小型单目设备重量可小于1.5KG，实现了三维测量设备真正意义上的便携。这样的设计，可以很容易的将三维扫描仪与其它设备搭载组合使用，如机械臂、三坐标测量机、雕刻机等设备，搭载机械设备的效果可以省去很多点云拼接工作，提高点云数据的准确度。另外也可以和一些流水线机床搭载实现在线检测，许多的流水线生产中，产品的外型质量很难得以检验，如果能便捷的与三维扫描设备组合，可以解决生产中的在线检测问题，大大的提高产品出厂质量。

本设备三维扫描的精确度非常高，采用进口工业检测光学镜头，其扫描面识多样包话：6MM×4.8MM；10×8MM；30×24MM；50×40MM；100×80MM；200×160MM；300MM×240MM；400×320MM；1200MM×960MM等。其中6MM×4.8MM幅面相机镜头，可达到的最小精确度是0.006MM，是目前行业中精细度最高的设备。这样高精度的扫描仪可以应用于微雕行业扫描，因为细节微小的样件同样可以在这样的高精度扫描下实现三维数字化。

与激光扫描设备相比，本设备具有很高的安全性。本发明采用高亮度蓝色、白色LED冷光源，对人体无任何伤害，比激光扫描设备更有益于扫描人体数据。仅仅是LED光源的安全性能，本设备就可以被组合利用到人体三维数据的扫描，从而被利用在服装行业、医疗整形行业等等。并且LED冷光源这项技术的采用可以使光源寿命延长为十万小时，大大提高了三维扫描设备的使用寿命。

本发明设备各元器件实现了集成控制，主要集中表现在(1)主控板上。本发明的(1)主控板集成三种板卡。一是电源主板，为各零部件提供电源能量；二是光源控制板，控制(2)投影组件的投光效果；三是图像捉捕器控制板，控制(4)面阵图像捉捕器的工作。设备与计算机之间只有一个连接线，由于主控板的集中控制功能，计算机只要向主控板发出一个指令，就可以完成扫描仪内部投光和图像捉捕的两个工作，大节省了运算时间，确保每次扫描工作都在1秒内完成，提高了三维扫描的工作效率，非常快捷。此项技术的发明促使整个设备有益于人体扫描，因为人体自主的能动性，一般人体可供扫描的时间有限，必须在较短的时间内完成，并且时间越短越考验技术水平。其它的扫描设备大多是将投光控制和拍照控制分别连于计算机的内部，操作起来相对比较复杂

附图说明

图1本发明设备的内部结构示意图

(1)主控板  (2)投影组件  (3)投影镜头  (4)面阵图像捉捕器

(5)相机镜头  (6)相机机架  (7)组件固定板  (8)计算机通信接口

(9)电源插座  (10)扫描仪外壳

图2本发明设备的外型示意图

图3本发明的点云效果示意图

具体实施方式

参照图1本三维扫描仪结构包括(1)主控板(2)投影组件(3)投影镜头(4)面阵图像捕捉器(5)相机镜头(6)相机机架(7)组件固定板(8)计算机通信接口(9)电源插座(10)扫描仪外壳。其中(2)(3)连接组成的投影系统，(4)(5)连接组成的相机系统，以及(1)主控板通过连接件固定在(6)相机机架上；再将(6)固定在(7)组件固定板上；最后将(7)再固定到(10)扫描仪外壳上。另外将(8)(9)分别固定在(10)扫描仪外壳上。

其中(1)主控板的功能具有多样性，即将24V电源电压通过板卡上电容电阻的组合排列，按需求分配给各电子元器件；又是整个扫描仪的命令枢纽，控制光源系统和图像捉捕系统。(2)投影组件承担投光工作，将LED灯、各种透镜、以及光栅模块排列组合后实现条纹光投射的功能。(3)投影镜头控制光源投射焦距，将最清晰的条纹光投射到规定的焦距范围内。(5)相机镜头控制成像焦距，确保图像捕捉设备看到最清晰的条纹图像。(4)面阵图像传感器获取图像后，将图像信息传输到(1)主控板。(6)相机机架承一定角度，将投影组件与相机组件固定在固定角度上，实现稳固投影组与相机成像组的功能。(7)组件固定板连接(6)相机机架与(10)扫描仪外壳，使扫描仪内部组件牢固的集成在扫描仪壳体内。(8)计算机通信接口是(1)主控板的唯一的输出输入端口，负责计算机与主控板卡的信息传递工作。(9)电源插座是整个扫描仪的供电接口，向(1)主控板供电，满足扫描仪所有电子元器件正常工作的能量需求。(10)扫描仪外壳将所有器件集成到扫描仪外壳空间内部，防止灰尘落入精密元器件上影响设备正常工作效率，实现设备地的便携稳定。

具体工作运行方式：电源通过(9)电源插座连接的电源线向(1)主控板供电；(1)主控板分别与投影系统和相机系统建立电源和信息传输连接；(1)主控板通过USB线与(8)计算机通信接口连接然后再接向外部计算机。当(1)主控板接到计算机发出的扫描命令时，会快速的向投影系统发出投光命令，向相机系统发出拍照命令。拍照结束后，(4)面阵图像传感器将图案信息传输到(1)主控板，再由(1)主控板将图案信息经过(8)计算机通信接口传送到计算机，由软件计算出图案的三维点坐标信息。至此完成基本的扫描工作，用时小于1秒。

Claims (6)

1.一种单目结构光三维扫描仪其结构包括(1)主控板(2)投影组件(3)投影镜头(4)面阵图像捉捕器(5)相机镜头(6)相机机架(7)组件固定板(8)计算机通信接口(9)电源插座(10)扫描仪外壳。

2.所述发明的外形结构高度集成，集成情况是：(2)(3)连接组成的投影系统，(4)(5)连接组成的相机系统，以及(1)主控板通过连接件固定在(6)相机机架上；再将(6)固定在(7)组件固定板上；最后将(7)再固定到(10)扫描仪外壳上。另外将(8)(9)分别固定在(10)扫描仪外壳上。

3.所述发明的(2)投影组件采用结构光技术，并且采用的是时域编码结构光技术。

4.所述发明的(2)投影组件所采用的光源是LED冷光源。

5.所述发明的控制系统是高度集成自主控制，集中在(1)主控板上实现，该结构集成三个分板，分别是电源板、投影组控制板、图像捉捕控制板，分别实现电源提供、光源控制和图像捉捕器控制功能。另外光源板上有一集成通信接口，将图像捉捕控制板上的信息与光源板上的信息集成到此通信接口，并且引一个USB线与(8)计算机通信接口连接，实现与计算机的通信功能。

6.所述发明通电后各零部件工作流程是：电源通过(9)电源插座连接的电源线向(1)主控板供电；(1)主控板分别与投影系统和相机系统建立电源和信息传输连接；(1)主控板通过USB线与(8)计算机通信接口连接然后再接向外部计算机。当(1)主控板接收到计算机发出的扫描命令时，会迅速的向投影系统发出投光命令，向相机系统发出拍照命令。拍照结束后，(4)面阵图像捉捕器将图案信息传输到(1)主控板，再由(1)主控板将图案信息经过(8)计算机通信接口连接线传送到计算机，由软件计算出图案的三维点坐标信息。至此完成基本的扫描工作，用时小于1秒。

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