CN103292699B - 一种三维扫描系统及方法 - Google Patents
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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、方法，所述系统包括：三维扫描设备和控制设备；三维扫描设备包括至少3套三维扫描装置；所述至少3套三维扫描装置均匀的摆放于待扫描物体的周围；每套三维扫描装置的投影机镜头和相机镜头均加装有预设波段的窄带滤光片，用于在控制设备的控制下，从不同的角度进行三维扫描，得到待扫描物体在至少3个不同角度的3D数据；控制设备用于将不同角度3D数据变换至同一坐标系下进行模型的融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。本发明，解决了人体的快速3D扫描问题，通过对人体目标从不同角度的同步3D扫描以及自动3D数据配准，实现了待扫描物体的完整三维模型快速获取，操作简单。
Description
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及方法。
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，需要移动扫描装置或者使用三套或以上的三维扫描装置，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。
另外，对于人体目标，使用三套或以上的三维扫描装置，分别从人体的不同侧面进行同步扫描，由于扫描是同时进行的，因而三维扫描装置的投影机投射的条纹可能产生混淆，从而影响了相机的拍摄和后期的三维重建。
发明内容
本发明实施例提供了一种三维扫描系统及方法，旨在解决现有技术提供的三维扫描系统，由于扫描是同时进行的，因而三维扫描装置的投影机投射的条纹可能产生混淆，从而影响了相机的拍摄和后期的三维重建的问题。
一方面，提供一种三维扫描系统，所述系统包括：三维扫描设备和控制设备；
所述三维扫描设备包括至少3套三维扫描装置；
所述至少3套三维扫描装置均匀的摆放于待扫描物体的周围，根据扫描范围确定所述三维扫描装置距离所述待扫描物体的距离；
每套三维扫描装置的摄影机镜头和相机镜头均加装有预设波段的窄带滤光片，用于在控制设备的控制下，从不同的角度进行三维扫描，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像；
所述控制设备包括：
第一三维数据获取单元，用于对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据；
三维模型获取单元，用于将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。
进一步地，所述控制设备还包括：
空间坐标系变换矩阵获取单元，用于获取各个三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵。
进一步地，所述空间坐标系变换矩阵获取单元包括：
第二三维数据获取模块，用于控制所述至少3套三维扫描装置对辅助物体进行三维扫描，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据；
配准模块，用于对所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据进行配准，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间的空间坐标系变换矩阵；
所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间存在两两重叠面。
进一步地，所述三维模型获取单元根据所述空间坐标系变换矩阵获取的空间坐标系变换矩阵将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下。
进一步地，所述辅助物体是正三棱锥或其它规则几何物体。
再一方面，提供一种三维扫描方法，所述方法包括：
控制设备控制三维扫描设备中的至少3套三维扫描装置从不同的角度进行三维扫描，得到待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像；
控制设备对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据；
控制设备将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。
进一步地，在所述控制设备将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型之前，还包括：
控制设备获取各个三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵。
进一步地，所述控制设备获取各个三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵包括：
控制设备控制所述至少3套三维扫描装置对辅助物体进行三维扫描，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据；
控制设备对所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据进行配准，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间的空间坐标系变换矩阵；
所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间存在两两重叠面。
进一步地，所述控制设备根据所述空间坐标系变换矩阵将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下。
进一步地，所述辅助物体是正三棱锥或其它规则几何物体。
在本发明实施例，每套三维扫描装置的摄影机镜头和相机镜头上均加装有预设波段的窄带滤光片，使得三维扫描装置可以采用了特定波段的投射和窄带滤光片手段，保证每套三维扫描装置能够准确拍摄其特定波段的条纹图像，通过所拍摄的条纹图像计算出待扫描物体不同角度的三维数据，再将各套三维扫描装置获取的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，即可得到待扫描物体的完整三维模型。由于各套三维扫描装置采用特定波段结构光投射和窄带滤光片辅助拍摄，解决了投影条纹的混淆问题，整个过程无需对拍摄的条纹图像进行配准，即可得到待扫描物体的完整三维模型，速度快、操作简单。
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套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空间坐标系变换矩阵获取方式示意图；
图4是本发明实施例提供的三维扫描方法的实现流程图。
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，每套三维扫描装置的摄影机镜头和相机镜头上均加装有预设波段的窄带滤光片，使得三维扫描装置可以采用了特定波段的投射和窄带滤光片手段，保证每套三维扫描装置能够准确拍摄其特定波段的条纹图像，再将各套三维扫描装置所获取的不同角度3D数据变换至同一坐标系下进行融合，即可得到待扫描物体的完整三维模型。
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。
其中，所述三维扫描设备11包括至少3套三维扫描装置，本实施例中，以3套三维扫描装置为例来进行说明。
所述至少3套三维扫描装置均匀的摆放于待扫描物体的周围，根据扫描范围确定所述三维扫描装置距离所述待扫描物体的距离。
在本实施例中，如图2所示，该3套三维扫描装置21、22和23以等边三角形的形式均匀摆放在待扫描物体20的周围，其距离待扫描物体20的距离可以根据扫描的范围进行调整。
其中，待扫描物体为人体。
三维扫描装置均由投影机和摄像机组成，每套三维扫描装置的摄影机镜头和相机镜头均加装有预设波段的窄带滤光片，用于在控制设备的控制下，从不同的角度进行三维扫描，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像，由于每套三维扫描装置加装的窄带滤光片的波段是不同的，因此，可以避免不同颜色投射条纹之间的混淆问题，确保各扫描单元独立工作。
比如，在本实施例中，如图2所示，三维扫描装置21从角度1位置对人体20进行扫描，三维扫描装置21的投影机镜头加装有红色窄带滤光片，即其只能投射出红色的结构光条纹，相机加装有红色窄带滤光片，即其只能拍摄红色条纹图像，得到一组红色结构光条纹；三维扫描装置22从角度2位置对人体20进行扫描，三维扫描装置22的投影机镜头加装有绿色窄带滤光片，即其只能投射出绿色的结构光条纹，相机加装有绿色窄带滤光片，即其只能拍摄绿色条纹图像，得到一组绿色结构光条纹；三维扫描装置23从角度3位置对人体20进行扫描，三维扫描装置23的投影机镜头加装有蓝色窄带滤光片，即其只能投射出蓝色的结构光条纹，相机加装有蓝色窄带滤光片，即其只能拍摄蓝色条纹图像，得到一组蓝色结构光条纹。
由控制设备12控制三维扫描设备11中的3套三维扫描装置21、22和23，同时对人体20进行三维扫描，由于各个投影机投射的光线颜色不同，且相机的镜头上加装了对应波段的窄带滤光片，这样保证了3套三维扫描装置可以同时进行多角度扫描，而不会导致投射信息的混淆，大大加快了扫描速度，如采用普通30FPS的工业相机进行拍摄，在1秒钟内可以完成全部结构光图像的拍摄，可在1秒内完成人体的三个不同角度的二维条纹图像的采集，而人体保持1秒的不动姿态，也是完全可以接受的，而激光三维扫描仪其往往需要十几秒来完成。后续二维条纹图像的处理\配准\融合可由控制设备12进行离线处理。
所述控制设备12包括：
第一三维数据获取单元121，用于对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据；
三维模型获取单元122，用于将所述待扫描物体的至少3组三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。
进一步地，所述控制设备12还包括：
空间坐标系变换矩阵获取单元，用于获取各套三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵。
具体的，所述空间坐标系变换矩阵获取单元包括：
第二三维数据获取模块，用于控制所述至少3套三维扫描装置对辅助物体进行三维扫描，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据；
配准模块，用于对所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据进行配准，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间的空间坐标系变换矩阵；
所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间存在两两重叠面。其中，所述辅助物体是正三棱锥或其它规则几何物体，只要保证单次扫描得到的多个三维数据之间有重叠即可。
具体的，所述三维模型获取单元121根据所述空间坐标系变换矩阵获取的空间坐标系变换矩阵将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下。
以下举例说明一下，得到人体20的3个不同角度的三维数据后，控制设备12如何根据该3个不同角度的三维数据得到人体20的完整三维模型：
由于三套三维扫描装置的标定是分别进行的，因而得到的三维数据的参考坐标系是各自的扫描装置，而传统的点云配准如ICP算法在重叠区域较少时其配准精度和速度都不理想，而采用手动贴标机的辅助配准方法又不具有可操作性，因而为了解决这一问题，我们在三维扫描系统搭建好，即各套三维扫描装置相对位置固定后，进行一次不同结构光三维扫描装置的空间坐标系变换关系的标定过程，该过程只需要进行一次，示意图如图3所示，主要流程为：
a）、在三维扫描系统中心区域摆放一个正三棱锥，使其棱线分别对准三套三维扫描装置；
b）、启动扫描程序，则控制设备控制三维扫描装置21可以得到正三棱锥的1和3两个面的三维数据；控制三维扫描装置22可以得到1和2两个面的三维数据；控制三维扫描装置23可以得到2和3两个面的三维数据；
c)、由于控制3套三维扫描装置得到的3个不同角度的三维数据存在两两重叠面，因而通过传统的ICP(Iterativeclosestpoint)算法或者手动配准算法即可得到三组数据之间的空间坐标系变换矩阵，即T1-2、T1-3、T2-3，也就是说通过上述变换矩阵，可以将不同坐标系下的三维数据变换到同一坐标系下，无需配准即可直接实现点云的精确融合，得到完整的各侧面人体三维数据，进而构建出人体的完整三维模型。
图4是本发明实施例提供的三维扫描方法的实现流程图，详述如下：
在步骤S401中，控制设备控制三维扫描设备中的至少3套三维扫描装置从不同的角度进行三维扫描，得到待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像。
在本发明实施例中，三维扫描设备中的至少3套三维扫描装置均匀的摆放于待扫描物体的周围，可以从至少3种不同的角度拍摄得到待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像。由于每套三维扫描装置的镜头上加载的窄带滤光片的波段不同，所以保证了3套三维扫描装置可以同时对待扫描物体进行多角度扫描，而不会导致投射信息的混淆，大大加快了扫描速度。
在步骤S402中，控制设备对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据。
在步骤S403中，控制设备将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。
在本发明实施例中，先计算出3套三维扫描装置所在的坐标系之间的空间坐标系变换矩阵，再根据空间坐标系变换矩阵将3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到待扫描物体的完整三维模型。
具体的空间坐标系变换矩阵的计算方法以及其它一些需要说明的步骤，请参见实施例一中的介绍，在此不再赘述。
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 (6)
1.一种三维扫描系统，其特征在于，所述系统包括：三维扫描设备和控制设备；
所述三维扫描设备包括至少3套三维扫描装置；
所述至少3套三维扫描装置均匀的摆放于待扫描物体的周围，根据扫描范围确定所述三维扫描装置距离所述待扫描物体的距离；
每套三维扫描装置的投影机镜头和相机镜头均加装有预设波段的窄带滤光片，用于在控制设备的控制下，从不同的角度进行3维扫描，得到所述待扫描物体的至少三个不同角度的二维条纹图像；
所述控制设备包括：
第一三维数据获取单元，用于对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据；
三维模型获取单元，用于将所述待扫描物体的至少3个不同角度的3维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型；
所述控制设备还包括：
空间坐标系变换矩阵获取单元，用于获取各套三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵 ；
所述空间坐标系变换矩阵获取单元包括：
第二三维数据获取单元，用于控制所述至少3套三维扫描装置对辅助物体进行三维扫描，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据；
配准模块，用于对所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据进行配准，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间的空间坐标系变换矩阵；
所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间存在两两重叠面。
2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维模型获取单元根据所述空间坐标系变换矩阵获取单元获取的空间坐标系变换矩阵将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下。
3.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述辅助物体是正三棱锥或其它规则几何物体。
4.一种三维扫描方法，其特征在于，所述方法包括：
控制设备控制三维扫描设备中的至少3套三维扫描装置从不同的角度进行三维扫描，得到待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像；
控制设备对所述待扫描物体的至少3个不同角度的二维条纹图像进行处理，得到待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据；
控制设备将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型；
在所述控制设备将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下进行融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型之前，还包括：
控制设备获取各套三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵；
所述控制设备获取各套三维扫描装置之间的空间坐标系变换矩阵包括：
控制设备控制所述至少3套三维扫描装置对辅助物体进行三维扫描，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据；
控制设备对所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据进行配准，得到所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间的空间坐标系变换矩阵；
所述辅助物体的至少3个不同角度的三维数据之间存在两两重叠面。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制设备根据所述空间坐标系变换矩阵将所述待扫描物体的至少3个不同角度的三维数据变换至同一坐标系下。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述辅助物体是正三棱锥或其它规则几何物体。
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