CN103900488A

CN103900488A - 一种3d扫描技术

Info

Publication number: CN103900488A
Application number: CN201310606406.XA
Authority: CN
Inventors: 夏春秋
Original assignee: Shenzhen Vision Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Vision Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了一种3D扫描技术，包括摄像单元、控制设备，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。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。

Description

一种3D扫描技术

技术领域

本发明涉及一种3D技术领域，具体的说是涉及一种3D扫描技术。

背景技术

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。然而传统的三维扫描设备多为接触式扫描器或激光扫描仪，采用接触式测量速度慢、机械结构复杂、容易损坏物体表面特性，越来越不能满足现代测量的需要，使其应用受到限制。

常用的三维扫描仪根据传感方式的不同，分为接触式和非接触式两种。接触式的采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量，主要以三坐标测量机为代表。接触式测量具有较高的准确性和可靠性；配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面，圆，圆柱，圆锥，圆球等。其缺点是：测量费用较高；探头易磨损。测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致修正误差的问题；接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数；由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差。

随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起和发展，用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势。这种非接触式测量不仅避免了接触测量中需要对测头半径加以补偿所带来的麻烦，而且可以实现对各类表面进行高速三维扫描。目前，非接触式三维扫描仪很多，根据传感方法不同，常用的有基于激光扫描测量、结构光扫描测量和工业CT等的，分别代表市面上主流的三维激光扫描仪，照相式三维扫描仪，和CT断层扫描仪等。采用非接触式三维扫描仪因其接触性，对物体表面不会有损伤，同时相比接触式的具有速度快，容易操作等特征，三维激光扫描仪可以达到5000－10000点/秒的速度，而照相式三维扫描仪则采用面光，速度更是达到几秒钟百万个测量点，应用与实时扫描，工业检测具有很好的优势。

为解决接触式测量所存在的不足，光学方法三维面形的测量研究日益受到人们的重视。在发展史中所提到的相关研究成果中，虽然克服了接触式测量中机械探头的某些缺陷，但却未能完全摆脱其机械结构复杂，测量范围受到机械装置大小限制，以及逐点测量使得速度慢等不足。同时光电方法测量三维面形受到物体表面特性（如高度突变、阴影和反射率不足）的不均匀等影响，导致光信号处理困难。因此到目前为止，光电方法测试面形轮廓的产品还很不成熟，上市的产品也没有达到人们的要求。

发明内容

针对上述技术上的不足，本发明提供了一种3D扫描技术。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：一种3D扫描技术，包括摄像单元、控制设备，该摄像单元在相对于测量对象改变摄像位置的同时，发出隙状的光束；摄像单元，该摄像单元顺序地拍摄所述光束所摄像的所述测量对象的图像；位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，来检测所述图像中所述光束的位置；以及扫描区域确定单元，该扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中的所述光束的位置，确定所述位置检测单元在所述作为扫描对象的图像中的扫描区域，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，其中，当所述位置检测单元在沿与扫描方向正交的方向顺序地移动沿所述扫描方向的各扫描中的扫描开始位置的同时扫描所述图像时，所述扫描区域确定单元确定沿所述扫描方向的各扫描的所述扫描区域，其中，所述扫描方向是通过改变所述照射位置而使所述光束在所述图像上移动的方向。

本发明的有益效果是：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为本发明小角度差频法的物相关系。

图2为本发明所述的摄像系统原理框图。

图3为本发明三维扫描仪的构造的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

一种3D扫描技术，包括摄像单元、控制设备，该摄像单元在相对于测量对象改变摄像位置的同时，发出隙状的光束；摄像单元，该摄像单元顺序地拍摄所述光束所摄像的所述测量对象的图像；位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，来检测所述图像中所述光束的位置；以及扫描区域确定单元，该扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中的所述光束的位置，确定所述位置检测单元在所述作为扫描对象的图像中的扫描区域，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。

上述三维扫描设备包括一个或者三个相同的三维扫描装置。

上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。

上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。

其中，当所述位置检测单元在沿与扫描方向正交的方向顺序地移动沿所述扫描方向的各扫描中的扫描开始位置的同时扫描所述图像时，所述扫描区域确定单元确定沿所述扫描方向的各扫描的所述扫描区域，其中，所述扫描方向是通过改变所述照射位置而使所述光束在所述图像上移动的方向。

如图1所示，表明了小角度差频法的物相关系，图中 OM 为 S2 的等相位面。当 S2 投影时，投影线 S2P 在有物体时在 S2 的投影垂直面上的位相距离相当于 OA，而在无物体时相当于 OD，因此，两者的位相距离差为 AD。当 S3 投影时，投影线 S3P 在有物体时在 S3 的投影垂直面上的位相距离点相位于OB，而在无物体时相当于OE，因此，两者的位相距离差为BE。从图1中可知：

AD=h D1/(L-h)sinθ1；

BE=h D2/(L-h)sinθ2；

；

=2π/P0[h/(L-h)](D2sinθ2-D1sinθ1)；

因 D1 和 D2，sinθ1 和 sinθ2 很接近，故 (D2sinθ2-D1sinθ1) 很小，当 h 小于某一值 hc 时，可使

Figure DEST_PATH_RE-472668DEST_PATH_IMAGE002

在 0-2π 之间，因此，只要是 h<hc 的面形，上述方法都能精确解调不存在去包裹问题。

；

这样在物面点的高度 h 可由下式求出：

；

分色投影系统的基本原理：要实现小角度差频测量的光路，必须使两完全相同的光栅以不同的角度投影到物体表面，而且要求当要改变该系统投影范围时上述条件不变。同时这一方法需要测量两幅变形光栅图。这些条件近乎苛刻。但在该发明中提出的分色投影系统使上述问题得到很好的解决。而且变形光栅图只需拍摄一次。

当一幅图图像被彩色数字照相机采集时，相机的成像面上的三组 CCD 感知红绿兰三原色。任意像素都由三个 CCD 像元组成。因此彩色数字照相机其实提供了探测三通道信息的能力。利用该原理，通过在照相机的前面加一三通道滤光片，这样，如果投影系统有三色不同的信息同时投射到物体表面上，就能同时在彩色数字照相机中获得三组互不干扰的信息。这一思想的提出为今后多通道的图像测量技术开辟了一种新方法。

小角度差频相位法去包裹：由前述可知，用小角度差频法测量三维物体面形，这样物面上点的高度 h 可由下式求出。

Figure DEST_PATH_RE-855031DEST_PATH_IMAGE006

；

当 h 小于某一值 hc 时，可使

；

；

其中为原理相位值，为实际光栅相位值。这样，就能得到整数相位值。

Figure DEST_PATH_RE-189247DEST_PATH_IMAGE010

。

如图2所示，本发明采用 CCD 摄像机主要应用于测量能量分布。其摄像系统原理如图 2 所示。被测光场能量分布经光学系统成像于 CCD 面阵探测器；探测器光电效应产生的信号经摄像机处理电路完成二维扫描读出、放大和制式转换等处理，形成标准的全电视信号；此信号又经图像板进行数字化并与计算机通讯进行各种处理。

如图3所示，三维扫描仪1在通过旋转反射镜 22 改变相对于测量对象的照射位置的同时，向测量对象发出激光。三维扫描仪 1 在将激光在测量对象上的照射位置从 X轴的负方向朝正方向移动的同时，相对于测量对象从斜向上方向发出激光。接着，三维扫描仪 1 由摄像单元 3 按顺序地拍摄激光所照射的测量对象的图像。即，摄像单元 3 通过接收由平台和测量对象反射的激光，对在平台和测量对象上针对各摄像帧沿移动方向移动的激光进行摄像。接着，三维扫描仪 1 检测由摄像单元 3 拍摄的各图像中激光的位置，使用检测到的激光位置按照三角测量的原理对测量对象的三维形状进行测量。

激光装置 21 是基于从控制单元 4 输入的控制信号，向反射镜 22 的反射面发出作为隙状光束的激光的装置。而且，反射镜 22 是这样的反射板：其通过基于从控制单元 4输入的控制信号来控制反射面的旋转，发出从激光装置 21 发出的激光，使得在平台和测量对象上的照射位置从 X 轴的负方向向正方向移动。

存储单元 5 是存储图像信息 51、激光位置信息 52、形状信息 53 等的存储装置。图像信息51是表示由摄像单元3拍摄的图像的信息，而激光位置信息52是表示由摄像单元3拍摄的各图像中的激光位置的信息。形状信息 53 是表示由三维扫描仪 1 测量的测量对象的三维形状的信息。

控制单元 4 是总体控制整个三维扫描仪 1 的操作的处理单元，并且包括图像信息获得单元 41、位置检测单元 42、扫描区域确定单元 43、形状测量单元 44 和照射控制单元45。照射控制单元 45 是向激光装置 21 输出指示发出激光的控制信号并且向反射镜 22 输出指示反射面的旋转角度的控制信号的处理单元。而且，照射控制单元 45 向形状测量单元 44 输出表示反射镜 22 的旋转角度的信息。

图像信息获得单元 41 是从摄像单元 3 获得由摄像单元 3 顺序地拍摄的图像并且将它们作为图像信息 51 存储在存储单元 5 中的处理单元。图像信息获得单元 41 从摄像单元3的所有光电检测器中的、与从扫描区域确定单元43输入的扫描区域相对应的光电检测器中，选择性地读出并且获得像素的关于亮度的信息，作为图像信息 51。位置检测单元42是基于从存储单元5读出的图像信息51，检测由摄像单元3顺序地拍摄的各个图像中的激光位置的处理单元。位置检测单元 42 扫描由扫描区域确定单元43 确定的扫描区域中的像素。接着，位置检测单元 42 检测在所扫描的像素中亮度超过预定阈值的像素中的最亮像素在图像中的位置，作为各图像中的激光位置，向形状测量单元 44 输出检测结果，并且在存储单元 5 中存储检测结果，作为激光位置信息 52。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种3D扫描技术，包括摄像单元、控制设备，该摄像单元在相对于测量对象改变摄像位置的同时，发出隙状的光束；摄像单元，该摄像单元顺序地拍摄所述光束所摄像的所述测量对象的图像；位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，来检测所述图像中所述光束的位置；以及扫描区域确定单元，该扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中的所述光束的位置，确定所述位置检测单元在所述作为扫描对象的图像中的扫描区域，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种3D扫描技术，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 所述的一种3D扫描技术，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；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。

4.根据权利要求3所述的一种3D扫描技术，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。

5.根据权利要求1所述的一种3D扫描技术，其特征在于：其中，当所述位置检测单元在沿与扫描方向正交的方向顺序地移动沿所述扫描方向的各扫描中的扫描开始位置的同时扫描所述图像时，所述扫描区域确定单元确定沿所述扫描方向的各扫描的所述扫描区域，其中，所述扫描方向是通过改变所述照射位置而使所述光束在所述图像上移动的方向。