CN103295228A - 一种三维扫描系统中的快速数据配准方法及三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子技术领域，提供了一种三维扫描系统中的快速数据配准方法及三维扫描系统，所述方法包括：预先获取三维扫描系统的转台轴线；在被扫描物体放置所述转台后，对所述被扫描物体进行扫描获取物体表面的第一组三维数据，然后控制所述转台旋转，每旋转一次，对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组扫描数据融合获取待扫描物体的整体的3D数据。本发明提供的技术方案具有简单可靠，配准效率，计算量小的优点。

Description

一种三维扫描系统中的快速数据配准方法及三维扫描系统

技术领域

本发明属于电子领域，尤其涉及一种三维扫描系统中的快速数据配准方法及三维扫描系统。

背景技术

现有的3D扫描系统只能够对扫描范围内的表面可见信息进行扫描，为了获取物体完整的3D模型，通常需将3D扫描系统的扫描器进行移动，或者将被扫描物体进行旋转或者移动，来完成被扫描物体不同角度三维信息的获取。由于扫描系统的扫描器的位置或者被扫描物体位置的变化，每次扫描数据都被限定在不同的扫描器坐标系或者不同的扫描物体坐标系下，从而导致3D数据无法直接有序排列到一个统一的坐标系内。为了得到物体完整的3D信息，需要对这些多角度的3D扫描数据进行匹配，现有的3D扫描系统中，常用的匹配方法是对被扫描物体表面进行贴标记点，通过多次扫描获取的重叠区域的标记点进行配准操作，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）粘贴标记处的三维信息的缺失，往往需要通过后期的空洞填充来人为修补，3D数据获取不完整。

为了实现多角度3D扫描后数据的自动配准问题，出现了基于精密转动平台的3D扫描方法，将被扫描物体置于转台之上，通过计算机控制其转动角度，实现物体不同角度的3D信息获取，进而结合转台的转动角度来实现多角度3D数据的自动拼接。现有的方法多是采用已知的转台转动角度对3D数据进行旋转，实现多组数据之间的粗配准，然后引入最近点迭代（ICP）等精细配准算法实现精确的数据配准，但是这一方法所带来的显著问题是：1）ICP算法在整个优化计算过程是不可控的，存在多种不确定的因素，很难保证每次都能得到最佳的配准结果；2）ICP算法效率很低，配准过程计算量很大。因此这种基于优化准则的配准方法难以保持稳定的配准精确度以及实现快速的3D数据配准过程。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三维扫描系统中的快速数据配准方法，旨在解决现有技术的配准算法的计算过程不可控，无法得到最佳配准结果，计算量大，效率低的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种三维扫描系统中的快速数据配准方法，所述方法包括：

预先获取三维扫描系统的转台轴线；

在被扫描物体放置所述转台后，对所述被扫描物体进行扫描获取第一组物体表面三维扫描数据，然后控制所述转台旋转，每旋转一次，对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；

在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组三维扫描数据融合获取待扫描物体的完整的3D数据。

可选的，所述预先获取三维扫描系统的转台轴线具体包括：

在平面物体放置所述转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。

另一方面，提供一种三维扫描系统，所述系统包括：计算机、扫描器和转台，所述计算机存储有所述转台的转台轴线；

所述扫描器，用于在被扫描物体放置所述转台后，对所述被扫描物体进行扫描获取第一组物体表面的三维扫描数据；

所述计算机，用于控制所述转台旋转，每旋转一次，控制所述扫描器对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

所述计算机，还用于将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组三维扫描数据融合获取待扫描物体的完整的3D数据。

可选的，所述转台轴线的获取方式为：

在平面物体放置所述转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；所述计算机控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的技术方案的通过在转台中心位置摆放一个平面物体，在摆放时需精细操作，确保平面与转台垂直且经过转台的中轴线，之后，控制转台转动4-5次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到4-5组空间平面，然后通过计算得到4-5组平面方程的交线，即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。在实际物体扫描过程中，由于转台转动角度精确可控，只需将各次旋转后得到的3D数据围绕所计算的转台轴线旋转已知角度，即可将多组数据恢复到同一参照系下，直接进行数据的融合，无需再进行ICP等精细配准操作，更不会存在传统的优化配准问题中存在的非收敛等不确定性因素，该方法简单可靠，配准效率，计算量小，已通过多次实验验证了其有效性和简便性，可作为未来自动3D扫描系统的标准配准方法得以广泛使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种三维扫描系统中的快速数据配准方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种三维扫描系统的结构图。

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。

本发明具体实施方式提供一种三维扫描系统中的快速数据配准方法，该方法由3D扫描系统完成，该方法如图1所示，包括：

101、预先获取三维扫描系统的转台轴线；

102、在被扫描物体放置该转台后，对被扫描物体进行扫描获取第一组三维扫描数据，然后控制转台旋转，每旋转一次，对被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；

103、在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

104、将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组三维扫描数据融合获取待扫描物体完整的3D数据。

本发明提供的方法由于无需人工在被扫描物体上进行标记，所以其效率高，并且获取的3D数据也很全面，另外，上述计算仅仅需要扫描、旋转，拟合即可得到3D数据，所以其计算量小，并且该方法也简单可靠，配准率也高。

上述N可以为大于等于2的自然数，在实际情况中，具体可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10等数值。

可选的，上述101的实现方法具体可以为：

在平面物体放置该转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。上述M可以为大于等于2的自然数。

上述获取M组空间平面的M组平面方程的方法具体可以通过最小二乘法拟合出M组平面方程。当然在实际应用中也可以采用其他的方式来获取该M组平面方程，本发明具体实施方式对获取M组平面方程的具体方法没有限制。

本发明具体实施方式提供一种三维扫描系统，该系统如图2所示，包括：计算机201、扫描器202和转台203，计算机201存储有所述转台的转台轴线；

扫描器202，用于在被扫描物体放置转台203后，对所述被扫描物体进行扫描获取第一组三维扫描数据；

计算机201，用于控制转台203旋转，每旋转一次，控制所述扫描器对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

述计算机201，还用于将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组扫描数据融合获取待扫描物体的完整的3D数据。

可选的，上述转台的转台轴线的获取方式为：

在平面物体放置所述转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；计算机201控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。

需要说明的是，上述扫描器可以为单一的具体扫描功能的仪器，当然也可以为多个组合在一起具有扫描功能的仪器，例如投影机和数码相机。

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 (4)

1.一种三维扫描系统中的快速数据配准方法，其特征在于，所述方法包括：

预先获取三维扫描系统的转台轴线；

在被扫描物体放置所述转台后，对所述被扫描物体进行扫描获取物体表面的第一组三维扫描数据，然后控制所述转台旋转，每旋转一次，对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；

在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组三维扫描数据融合获取待扫描物体的完整的3D数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先获取三维扫描系统的转台轴线具体包括：

在平面物体放置所述转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。

3.一种三维扫描系统，所述系统包括：计算机、扫描器和转台，其特征在于，所述计算机存储有所述转台的转台轴线；

所述扫描器，用于在被扫描物体放置所述转台后，对所述被扫描物体进行扫描获取物体表面的三维扫描数据；

所述计算机，用于控制所述转台旋转，每旋转一次，控制所述扫描器对所述被扫描物体扫描一次，并记录本次扫描的扫描数据和本次的旋转角度；在旋转N次完成被扫描物体的全面扫描后，记录获取N组扫描数据以及N组扫描数据对应的N个旋转角度；

所述计算机，还用于将N组扫描数据围绕该转台轴线旋转负的该N组扫描数据对应的旋转角度后获取N组扫描数据在第一组三维扫描数据参照系下的N组扫描数据，将N组扫描数据与第一组三维扫描数据融合获取待扫描物体的完整的3D数据。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述转台的转台轴线的获取方式为：

在平面物体放置所述转台后，该平台物体与该转台垂直且经过该转台的中轴线；所述计算机控制转台转动M次，获取每次该平面物体的3D数据，通过平面拟合得到M组空间平面，获取M组空间平面的M组平面方程，然后通过计算得到M组平面方程的交线，该交线即为转台轴线相对于3D扫描仪的空间位置。

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