CN103307998B - 一种三维扫描系统及方法 - Google Patents

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、控制设备和旋转平台；所述旋转平台在所述控制设备的控制下，带动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三维信息，得到多组三维扫描数据；所述控制设备包括：三维模型获取单元，用于对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。本发明，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。

Description

一种三维扫描系统及方法

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，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及方法，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、控制设备和旋转平台；

所述旋转平台，用于放置待扫描物体；

所述旋转平台还用于，在所述控制设备的控制下，带动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三维信息，得到多组三维扫描数据；

所述控制设备包括：

三维模型获取单元，用于对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，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：

旋转轴获取单元，用于获取所述旋转平台的旋转轴L。

进一步地，所述三维模型获取单元用于在所述旋转轴L下对所述多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

进一步地，所述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，所述辅助物体放置于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；

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得到所述旋转平台的旋转轴L。

进一步地，所述辅助物体是轴对称物体。

再一方面，提供一种三维扫描方法，所述方法包括：

控制旋转平台旋转，带动放置在所述旋转平台上的待扫描物体按照预设的旋转角度依次正向旋转一周；

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三维信息，得到多组三维扫描数据；

对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

进一步地，在所述控制旋转平台旋转，带动放置在所述旋转平台上的待扫描物体按照预设的旋转角度依次旋转一周之前，还包括：

获取所述旋转平台的旋转轴L。

进一步地，所述对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合具体为：

在所述旋转轴L下对所述多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

进一步地，所述获取所述旋转平台的旋转轴L包括：

获取辅助物体的第一三维扫描数据P1，所述辅助物体放置于所述旋转平台的圆心处；

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；

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得到所述旋转平台的旋转轴L。

进一步地，所述辅助物体是轴对称物体。

在本发明实施例，将待扫描物体置于旋转平台之上，通过控制设备控制旋转平台旋转预设的旋转角度，同时进行三维扫描，这样可以实现自动的多角度三维数据的扫描，由于旋转平台是严格围绕一个轴来旋转的，因而可以通过对旋转平台转动轴的计算，对所获取的不同角度的多组三维扫描数据进行配准和融合，从而实现了自动的多角度三维扫描数据配准和融合，后续，根据融合结果即可得到待扫描物体的完整三维模型。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；

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，将待扫描物体置于旋转平台之上，通过控制设备控制旋转平台旋转预设的旋转角度，同时进行三维扫描，这样可以实现自动的多角度三维数据的扫描，由于旋转平台是严格围绕一个轴来旋转的，因而可以通过对旋转平台转动轴的计算，对所获取的多组三维扫描数据进行配准和融合，从而实现了自动的多角度三维扫描数据的配准和融合，后续，根据融合结果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和旋转平台13。

其中，旋转平台13，用于放置待扫描物体；

旋转平台13还用于，在控制设备12的控制下，带动待扫描物体按照预设的旋转角度依次正向旋转一周；

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，获取待扫描物体的三维信息，得到多组三维扫描数据；

控制设备12包括：

三维模型获取单元121，用于对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

其中，三维扫描设备11由摄影机和相机组成，可以在旋转平台14旋转时，获取到待扫描物体的各个角度的三维信息，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。

其中，三维扫描系统中各个设备的分布如图2所示，待扫描物体21放置与旋转平台13之上，控制设备12与旋转平台13连接，控制旋转平台13按预设的角度依次正向或者逆向旋转，以配合三维扫描设备11完成待扫描物体21的各个角度的三维信息的扫描，得到多组三维扫描数据。其中，三维扫描设备11由摄像机22和投影机23组成，摄像机22和投影机23均与控制设备12连接，在控制设备12的控制下进行待扫描物体21的三维信息的获取。

具体的，控制设备12还包括：

旋转轴获取单元，用于获取旋转平台的旋转轴L。

其中，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，由三维扫描设备扫描该平面先获得其三维扫描数据P1；再将旋转平台转过一定角度，由三维扫描设备扫描该平面，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为旋转平台的旋转轴L。

当然，旋转轴L的估计也可以采用其他方法，如在旋转平台中心放置一个圆柱体，通过对圆柱体的扫描，得到该圆柱体的三维扫描数据，通过对这些扫描数据做圆柱体拟合，计算出圆柱体的中心轴线位置，即是旋转平台的旋转轴L的位置，同样也可以使用其它规则轴对称物体进行旋转轴L的计算。

进一步地，三维模型获取单元121是在所述旋转轴L下对所述多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

例如，控制设备控制旋转平台每次旋转角度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扫描数据为D1，以此类推，我们可以得到D1...D12，共计12组三维扫描数据。

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、三维扫描设备、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，完成根据该多组三维扫描数据构建的三维模型的旋转后的配准，得到待扫描物体的完整三维扫描数据，根据该完整三维扫描数据即可构建得到待扫描物体的完整的三维模型。

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，控制旋转平台旋转，带动放置在所述旋转平台上的待扫描物体按照预设的旋转角度依次正向旋转一周。

在本发明实施例中，待扫描物体放置于旋转平台之上，控制设备控制旋转平台正向旋转，带动待扫描物体也随之旋转，旋转一周后，三维扫描设备可以获取该待扫描物体的多个角度的三维信息。

当然，也可以保持待扫描物体不懂，而让控制设备控制三维扫描设备围绕旋转轴进行旋转一周，依次得到待扫描物体的多个角度的三维信息。

在步骤S402中，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三维信息，得到多组三维扫描数据。

在本发明实施例中，每次旋转平台正向旋转预设的旋转角度后，三维扫描设备均可获取该角度下的待扫描物体的三维信息，按照该旋转角度旋转旋转平台一周后，三维扫描设备可以获取到多组三维信息的数据。

在步骤S403中，对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

在本发明实施例中，例如，控制设备控制旋转平台每次旋转角度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组三维扫描数据；

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、三维扫描设备、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，完成根据该多组三维扫描数据构建的三维模型的旋转后的配准，得到待扫描物体的完整三维扫描数据，根据该完整三维扫描数据即可构建得到待扫描物体的完整的三维模型。

需要说明的是，在步骤S401之前，还要执行步骤：获取旋转平台的旋转轴L，这样在步骤S403中，即可在所述旋转轴L下对步骤S402得到的多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

其中，获取旋转平台的旋转轴L的步骤包括：

步骤1、获取辅助物体的第一三维扫描数据P1，所述辅助物体放置于所述旋转平台的圆心处；

步骤2、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；

步骤3、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得到所述旋转平台的旋转轴L。

其中，所述辅助物体是轴对称物体。

具体的详细步骤请参见实施例一中的描述，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、控制设备和旋转平台；

所述旋转平台，用于放置待扫描物体；

所述旋转平台还用于，在所述控制设备的控制下，带动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三维信息，得到多组三维扫描数据；

所述控制设备包括：

三维模型获取单元，用于对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，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：

旋转轴获取单元，用于获取所述旋转平台的旋转轴L；

所述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，所述辅助物体放置于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；

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得到所述旋转平台的旋转轴L。

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用于在所述旋转轴L下对所述多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

3.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述辅助物体是轴对称物体。

4.一种三维扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

控制旋转平台旋转，带动放置在所述旋转平台上的待扫描物体按照预设的旋转角度依次正向旋转一周；

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三维信息，得到多组三维扫描数据；

对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型；

在所述控制旋转平台旋转，带动放置在所述旋转平台上的待扫描物体按照预设的旋转角度依次旋转一周之前，还包括：

获取所述旋转平台的旋转轴L；

所述获取所述旋转平台的旋转轴L包括：

获取辅助物体的第一三维扫描数据P1，所述辅助物体放置于所述旋转平台的圆心处；

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；

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得到所述旋转平台的旋转轴L。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述多组三维扫描数据依次进行配准和融合具体为：

在所述旋转轴L下对所述多组三维扫描数据进行配准和融合，得到所述待扫描物体的完整三维模型。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述辅助物体是轴对称物体。