CN103292697A

CN103292697A - 一种三维扫描系统

Info

Publication number: CN103292697A
Application number: CN2013102013779A
Authority: CN
Inventors: 宋展
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Oriental beauty Technology Co. Ltd.
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: CN103292697B

Abstract

本发明适用于三维扫描技术领域，提供了一种三维扫描系统，所述系统包括：三维扫描设备、控制设备、透明底板和旋转平台；旋转平台在控制设备的控制下，带动透明底板和待扫描物体按照预设的旋转角度依次旋转一周；三维扫描设备在控制设备的控制下，在每次旋转平台正向旋转预设的旋转角度后，获取待扫描物体的侧面、顶部和底部的三维信息，得到三组三维数据；控制设备依次对三组三维数据进行配准和融合，得到待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据，再对完整扫描数据进行配准和融合，得到待扫描物体的三维模型。本发明，实现了全自动的物体三维信息采集，较现有人工操作技术在扫描效率和配准精度上有显著提高。

Description

一种三维扫描系统

技术领域

本发明属于三维扫描技术领域，尤其涉及一种三维扫描系统。

背景技术

三维扫描技术发展迅速，目前已应用到工业检测、设计、动漫及电影特效制作、3D展示、虚拟手术、反求工程等诸多领域和行业。

从现有的三维扫描技术手段来看，以激光三维扫描和基于投影仪的结构光三维扫描技术为主。激光三维扫描系统通过投射激光线或者点阵，用摄像头捕捉投射的激光特征，通过三角测量恢复物体的三维深度信息，这种逐点和逐线的扫描方式的主要缺点是速度慢；在基于投影仪的结构光三维扫描系统中，其通过结构光编码技术，实现物体整个面的一次性测量，具有速度快和精度高的明显优势，因而基于投影的结构光三维扫描技术已成为目前的主流技术手段。

然而，现有的基于投影仪的结构光三维扫描技术，其单次扫描只能获取一个角度的物体三维信息，要实现完整的物体扫描，需要移动扫描装置，拍摄多个角度的物体三维信息，为了实现多角度获取的三维数据的配准，现有技术手段主要是采用在物体表面粘贴标记点的方法，通过这些人为的标记点来实现多角度三维数据的配准和融合，这样的操作带来的主要问题：1）粘贴标记费时费力，操作繁琐；2）如果粘贴的标记位置不理想，可能导致配准失败；3）粘贴标记出的三维数据的缺失，往往通过后期的空洞填充来人为修补。

发明内容

本发明实施例提供了一种三维扫描系统，旨在解决现有技术提供的三维扫描系统，必须涉及人工操作，扫描效率和配准精度均过低的问题。

一方面，提供一种三维扫描系统，所述系统包括：三维扫描设备、控制设备、透明底板和旋转平台；

所述透明底板，用于放置待扫描物体；

所述旋转平台，用于放置所述透明底板；

所述旋转平台还用于，在所述控制设备的控制下，带动所述透明底板和所述待扫描物体按照预设的旋转角度依次旋转一周；

所述三维扫描设备，用于在所述控制设备的控制下，在每次所述旋转平台正向旋转预设的旋转角度后，获取所述待扫描物体的侧面、顶部和底部的三维信息，得到三组三维数据；

所述控制设备包括：

完整扫描数据获取单元，用于依次对所述三组三维数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据；

三维模型获取单元，用于对所述待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的三维模型。

进一步地，所述三维扫描设备包括：一个或者三个相同的三维扫描装置。

进一步地，所述三个相同的三维扫描装置分别是水平扫描装置、顶部扫描装置和底部扫描装置；

所述水平扫描装置用于获取所述待扫描物体的侧面的三维信息，得到一组水平扫描的三维数据；

所述底部扫描装置用于获取所述待扫描物体的底部的三维信息，得到一组底部扫描的三维数据；

所述顶部扫描装置用于获取所述待扫描物体的顶部的三维信息，得到一组顶部扫描的三维数据。

进一步地，所述三维扫描设备还用于，在所述控制设备的控制下，获取坐标转换参照物体的三个三维数据；

所述控制设备还包括：

水平旋转轴获取单元，用于获取所述旋转平台在所述水平三维扫描装置坐标系下的旋转轴L；

底部旋转轴获取单元，用于根据所述三个三维数据获取所述旋转平台在所述底部三维扫描装置坐标系下的旋转轴L-M2；

顶部旋转轴获取单元，用于根据所述三个三维数据获取所述旋转平台在所述顶部三维扫描装置坐标系下的旋转轴L-M3。

进一步地，所述完整扫描数据获取单元用于分别在所述旋转轴L、L-M2和L-M3下依次对所述三组三维数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据MD1、MD2和MD3。

进一步地，所述控制设备包括还包括：

变换矩阵获取单元，用于根据所述三个三维数据获取所述底部扫描装置和所述顶部扫描装置至所述水平扫描装置的空间变化矩阵T1-2和T1-2。

进一步地，所述三维模型获取单元包括：

转换模块，用于将所述MD2和MD3分别转换至水平三维扫描装置坐标系下；

处理模块，用于将转换至水平三维扫描装置坐标系下的所述MD2和MD3与所述MD1进行配准和融合，得到所述待扫描物体的三维模型。

进一步地，所述水平旋转轴获取单元包括：

第一三维数据获取模块，用于获取辅助物体的第一三维扫描数据P1，所述辅助物体放置与所述旋转平台的圆心处；

第二三维数据获取模块，用于控制所述旋转平台旋转预设的角度，并获取该角度下时，所述辅助物体的第二三维扫描数据P2；

水平旋转轴获取模块，用于根据所述第一三维扫描数据P1和所述第二三维扫描数据P2得到所述旋转平台在所述水平三维扫描装置坐标系下的旋转轴L。

进一步地，所述辅助物体是轴对称物体。

进一步地，所述坐标转换参照物体是一个规则几何物体。

在本发明实施例，三维扫描设备分别从侧面、底部和顶部对同一待扫描物体进行三维扫描，待扫描物体置于透明底板上方，透明底板由旋转平台驱动，旋转平台每旋转一定角度，三维扫描设备分别从不同角度进行三维扫描操作，再通过所提出的自动配准算法，分别对侧面扫描三维数据组、底部扫描数据组和顶部扫描数据组进行自动配准和融合，然后再对融合后的三组不同角度三维数据进行自动配准和融合，从而得到完整的待扫描物体三维模型。整个过程可以实现全自动的操作，不需要人为参与，不需要人工贴标辅助配准处理，从而实现了全自动的物体三维信息采集，较现有人工操作技术在扫描效率和配准精度上有显著提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维扫描系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的各个三维扫描装置在三维扫描系统中的分布示意图；

图3是本发明实施例提供的旋转平台的旋转轴计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，三维扫描设备分别从侧面、底部和顶部对同一待扫描物体进行三维扫描，待扫描物体置于透明底板上方，透明底板由旋转平台驱动，旋转平台每旋转一定角度，三维扫描设备分别从不同角度进行三维扫描操作，再通过所提出的自动配准算法，分别对侧面扫描三维数据组、底部扫描数据组和顶部扫描数据组进行自动配准和融合，然后再对融合后的三组不同角度三维数据进行自动配准和融合，从而得到完整的待扫描物体三维模型。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图1示出了本发明实施例提供的三维扫描系统的具体结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该三维扫描系统1包括：三维扫描设备11、控制设备12、透明底板13和旋转平台14。

其中，透明底板13，用于放置待扫描物体；

旋转平台14，用于放置透明底板13；

旋转平台14还用于，在控制设备12的控制下，带动透明底板13和待扫描物体按照预设的旋转角度依次旋转一周；

三维扫描设备11，用于在控制设备12的控制下，在每次旋转平台14正向旋转预设的旋转角度后，获取待扫描物体的侧面、顶部和底部的三维信息，得到三组三维数据；

控制设备12包括：

完整扫描数据获取单元121，用于依次对三组三维数据进行配准和融合，得到待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据；

三维模型获取单元122，用于对待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据进行配准和融合，得到待扫描物体的三维模型。

具体的，三维扫描设备包括：一个或者三个相同的三维扫描装置。

本发明实施例以三个相同的三维扫描装置为例来进行说明，这三个三维扫描装置分别是水平扫描装置21、顶部扫描装置22和底部扫描装置23，在三维扫描系统中的分布如图2所示，其中，待扫描物体24放置在透明底板25上，透明底板25放置在旋转平台26上，这样底部扫描装置23可以清楚的扫描到待扫描物体24底部的三维信息。水平扫描装置21位于旋转平台24的左侧，当然可以是右侧，只要位置与旋转平台26平行即可，用于获取待扫描物体的侧面的三维信息，得到一组水平扫描的三维数据；

底部扫描装置位于旋转平台的底部，用于获取待扫描物体的底部的三维信息，得到一组底部扫描的三维数据；

顶部扫描装置位于旋转平台的顶部，用于获取待扫描物体的顶部的三维信息，得到一组顶部扫描的三维数据。

其中，每个扫描装置都是由摄影机和相机组成，基于编码结构光的三维扫描技术为业内常用手段，本发明不做详述。

另外，当该三维扫描设备中只有一个三维扫描设备时，在系统中要增加精密的机械臂等装置，将一个三维扫描设备分别放置在三个位置进行三次扫描，分别得到水平、顶部、底部的三维数据。

具体的，三维扫描设备还用于，在控制设备的控制下，获取坐标转换参照物体的三个三维数据，其中，坐标转换参照物体是一个规则几何物体，可以为一个正十二面体，也可以是圆柱体，在此不做限制。

本实施例中以正十二面体为例来进行说明，具体实现时，可以将该转换参照物体摆放在旋转平台的中间位置，同时启动三个扫描装置，得到该转换参照物体的三个三维数据，这三个三维数据是该转换参照物体的三个不同方向的三维扫描数据。

具体的，控制设备还包括：

水平旋转轴获取单元，用于获取旋转平台在水平三维扫描装置坐标系下的旋转轴L；

底部旋转轴获取单元，用于根据三个三维数据获取旋转平台在底部三维扫描装置坐标系M2下的旋转轴L-M2；

顶部旋转轴获取单元，用于根据三个三维数据获取旋转平台在顶部三维扫描装置坐标系M3下的旋转轴L-M3。

具体的，通过三维扫描设备获取到坐标转换参照物体的三个方向的三个三维数据data1、data2和data3后，由于物体本身的规则形状，则data1和data2，data1和data3存在较大的重叠区域，此时采用传统的配准算法，可以实现精确的计算出旋转轴L-M2和L-M3。

其中，水平旋转轴获取单元包括：

第一三维数据获取模块，用于获取辅助物体的第一三维扫描数据P1，辅助物体放置与所述旋转平台的圆心处；

第二三维数据获取模块，用于控制旋转平台旋转预设的角度，并获取该角度下时，辅助物体的第二三维扫描数据P2；

水平旋转轴获取模块，用于根据第一三维扫描数据P1和第二三维扫描数据P2得到旋转平台在水平三维扫描装置坐标系下的旋转轴L；

其中，该辅助物体是轴对称物体，可以是二维平面物体，也可以是三维立体物体。

本实施例中，以该辅助物体是一个平面为例来进行说明，在旋转平台表面过圆心处放置一个平面，如图3所示，由水平扫描装置扫描该平面先获得其三维扫描数据P1；再将旋转瓶体转过一定角度，由水平扫描装置扫描该平面，获得该平面在该角度下的三维扫描数据P2；最后求取根据P1与P2构建的两个平面的交线L，该交线L为旋转平台在水平扫描装置坐标系下的旋转轴L。

进一步地，完整扫描数据获取单元用于分别在旋转轴L、L-M2和L-M3下依次对三组三维数据进行配准和融合，得到待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据MD1、MD2和MD3。

例如，对于水平三维扫描装置，控制设备控制旋转平台旋转角度A，如A=30度，则总计旋转12次，可以完成目标的全面扫描，假设第一次扫描得到的三维数据为D1，以此类推，我们可以得到D1…D12，共计12个三维数据，将这12个三维数据称为第一组三维数据。

同样，通过底部和顶部三维扫描装置分别可以获取到第二组三维数据和第三组三维数据，方法通水平扫描装置，在此不再赘述。

由于已知旋转平台的旋转角度A和旋转轴L，且转动过程中，待扫描物体、三维扫描装置、旋转平台的相对空间位置不会发生变化，将根据D2构建的三维模型绕旋转轴L旋转-A度，则可以实现与D1的精确配准，依此类推，完成第一组三维数据的旋转后的配准和融合，得到水平扫描的完整三维数据MD1。

对于底部三维扫描装置，其原理类似，将旋转轴定义为L-M2，进行自动的数据配准和融合,得到底部的完整扫描数据MD2。

对于顶部扫描装置，其原理类似，将旋转轴定义为L-M3，进行自动的数据配准和融合,得到顶部的完整扫描数据MD3。

进一步地，控制设备还包括：

变换矩阵获取单元，用于根据三个三维数据获取底部扫描装置和顶部扫描装置至水平扫描装置的空间变化矩阵T1-2和T1-2。

具体的，通过三维扫描设备获取到坐标转换参照物体的三个方向的三个三维数据data1、data2和data3后，由于物体本身的规则形状，则data1和data2，data1和data3存在较大的重叠区域，此时采用传统的配准算法，可以实现精确的计算空间变换矩阵T1-2和T1-3。

进一步地，三维模型获取单元包括：

转换模块，用于将MD2和MD3分别转换至水平三维扫描装置坐标系下；

处理模块，用于将转换至水平三维扫描装置坐标系下的MD2和MD3与MD1进行配准和融合，得到待扫描物体的三维模型。

具体的，通过变换矩阵获取单元获取到三个三维扫描装置的空间坐标系的变换矩阵T1-2和T1-3后，通过算式MD2*T1-2和MD3*T1-3就可以将MD2和MD3转到与MD1同样的水平三维扫描装置坐标系下，再将转换至水平三维扫描装置坐标系下的MD2和MD3与MD1进行配准，最后融合MD1-3，则可以得到待扫描物体的完整的三维模型。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

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

1.一种三维扫描系统，其特征在于，所述系统包括：三维扫描设备、控制设备、透明底板和旋转平台；

所述透明底板，用于放置待扫描物体；

所述旋转平台，用于放置所述透明底板；

所述控制设备包括：

2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描设备包括：一个或者三个相同的三维扫描装置。

3.如权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三个相同的三维扫描装置分别是水平扫描装置、顶部扫描装置和底部扫描装置；

4.如权利要求3所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描设备还用于，在所述控制设备的控制下，获取坐标转换参照物体的三个三维数据；

所述控制设备还包括：

5.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于，所述完整扫描数据获取单元用于分别在所述旋转轴L、L-M2和L-M3下依次对所述三组三维数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的侧面、顶部和底部的完整扫描数据MD1、MD2和MD3。

6.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于，所述控制设备包括还包括：

7.如权利要求6所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维模型获取单元包括：

8.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于，所述水平旋转轴获取单元包括：

9.如权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，所述辅助物体是轴对称物体。

10.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于，所述坐标转换参照物体是一个规则几何物体。