CN104019766A - 一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，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。本发明所要解决的技术问题是提供一种以三维空间几何体作为参照系的扫描方法。通过增加参照系的空间维度，在照片中提供更多的信息，降低扫描技术难度和成本。本发明采用如下设备：１.一个或多个三维空间几何体，２.拍照使用的设备。本方法结构简单，生产成本低，操作简单，携带方便，扫描速度快，运算量低，对于扫描物体的体积没有限制，兼容性好。

Description

一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法

 

技术领域

　　本发明涉及一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，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。

 

背景技术

在很多领域，诸如服装工业、逆向工程、产品设计、机器视觉、自动加工、生物医学等等，物体的三维信息是必不可少的，随着３Ｄ打印技术的普及，三维扫描仪成为获得物体三维空间信息的重要工具。专业的三维扫描仪可能需要花费数千美元，甚至数万美元。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，实现对物体表面的扫描和测量。其缺点是：测量费用高、探头易磨损、测量速度慢；非接触式对物体表面不会有损伤，同时对比接触式的速度快，容易操作。三维扫描将物体的立体信息转换为计算机能直接处理的信号，首先要获得物体的图像信息。拍摄图像信息时所采用的参照系按照空间维度划分，目前主要是两种：一种是一维的标尺；另一种是二维的标志面。

标尺作为一维空间的定量研究工具，能够提供关于长度的信息。但是，在对物体进行扫描时，相机和被测物体需要相对移动，相机在三维空间移动时有６个自由度，而一维的标尺并没有提供这些信息，所以两者的位置信息需要另行记录。另外，如果标尺与被测物体不在同一测量平面会产生透视误差，即近大远小的透视效应。另一种参照系是二维空间的标志面，除了能够提供长度信息外，还可以提供线与线的角度信息。采用进行特殊标记的定位底盘，计算机可以对标志面上的标记进行识别进而对拍摄图像的相机进行三维空间６个自由度的定位。定位后的相机所获得的图像可以通过光学测距的方法进行运算，然后根据相机所在位置拍摄到的图像换算求得物体所在坐标系的三维信息。通过二维的参照系，可以实现扫描相机一定范围内的自由移动，实现对兴趣点的多角度扫描，消灭扫描盲点。但是这一方法导致运算量的激增，点云数据本来就是海量的，这对计算服务提出了苛刻的要求。目前市场急需一种成本低、操作简便的解决方法。

 

发明内容

　　本发明所要解决的技术问题是提供一种以三维空间几何体作为参照系的扫描方法。通过增加参照系的空间维度，在照片中提供更多的信息，降低扫描技术难度和成本。

本发明采用如下设备：１.一个或多个三维空间几何体，２.拍照使用的设备。

要发挥三维空间几何体作为参照系的作用，提供更多的信息，被扫描物体发出的光线就要和这个三维空间几何体发生空间上的相互联系，即被扫描的物体发出的光线要穿过三维空间几何体。如图1所示，为方便说明，我们假设使用的参照系是一个立方体，其边长已知，被扫描的物体是立方体空间内的一个点Ａ。选取某一个方向拍照记录下立方体和点Ａ。照片的本质是三维空间的物体影像在相机焦平面上的投影（投影线垂直于投影面产生的投影是正投影，不垂直于投影面的是斜投影），是三维信息二维化的过程，这一过程丢失了大量信息，所以我们看到的相片不再是立体的，我们在照片前变换观察角度，照片中的各个物体不再发生相应的位置变化，也就是说照片中物体的位置信息大部分丢失了，但是借助三维空间几何体参照物，我们还是能多留下一些信息以便应用。

图片１中我们以立方体的一个顶点建立三维坐标系，点Ｄ是点Ａ在三维空间中向相机焦平面的投影（正投影或斜投影），我们可以假想成一条直线在焦平面的投影，所以这一点代表了这条直线在这一方向上的所有信息，信息沿该直线方向向双侧投影，也就是一方面向我们的照片方向投影，另一方面向远离我们的方向投影。在这个过程中，该直线最少穿过我们的立方体参照物中的两个面。也就是说点Ａ在这两个平面上的投影点——点Ｂ和点Ｃ在这张照片上是共点的。也就是说，点Ａ就在立方体中两个投影点的连线上。

这两个面的三维空间几何信息因为立方体的存在而保留，虽然发生了透视变形，但是照片中的信息还是以数据形式存在，即立方体各边上的长度标记，以及立方体各个边或平行或垂直的三维几何关系。现在已知发生透视变形后点Ｂ和点Ｃ在立方体两个面上的位置，按透视比例换算出它们在三维空间的坐标值。连接两个点就确定了一条直线，而且点Ａ就在此直线上。

我们知道，两条直线相交，有且只有一个交点。在上述立方体中，换一角度拍照，可以得到性质相同的Ｂ ^' 和Ｃ ^' 两点。通过Ｂ、Ｃ两点确定的直线和Ｂ ^' 、Ｃ ^' 两点确定的直线确定点Ａ所在的位置。假设点Ａ在立方体的外部，基于同样原理也可以通过确定４个点和两条直线来确定点Ａ的三维空间位置。

通过以三维空间几何体为参考系的两张照片就可以将我们感兴趣的关键点都计算出来。而这些计算都是基于照片中的物体和参照物，和相机基本没有关系。照片中心的点是正投影，投影方向是垂直于焦平面的，这就是相机拍摄的轴向。另外，不断变换相机拍照的角度，使用一系列物体的轮廓线也可以构成三维形体。

与一维的标尺和二维的标志面相比三维空间几何体作为参考系能带给我们更多的三维信息。随之带来的好处是：

１.生产成本低。目前的商业扫描仪的售价都在１０万元以上，难以推广。本扫描系统十分简单，不需要测距装置，对拍摄设备要求低，能够满足精度的像素量就可以，日常使用的手机摄像头，卡片式相机，单反相机等均可。

２.操作简单。市场上的扫描仪都需要用户自行标定，费时费力。本方法基本不需要标定，用户无需掌握专业知识，对于感兴趣的部位随意拍照扫描。

３.携带方便。目前商业三维扫描仪通常体积都很大，本方法只需要一个三维几何体框架和一个满足要求的拍摄设备。

４.扫描速度快。一个扫描视角需要两张照片的拍摄时间。

５.运算量低。数据直接从照片中的参照系读取，参照系和被扫描物体在同一坐标系，无需转换；改变相机位置不增加运算量，大大降低了计算难度和计算量。

６.对于扫描物体的体积没有限制。我们可以将体积小的物体放在三维空间几何体内部扫描；大的物体，我们可以透过三维空间几何体观察扫描。

７.兼容型好。本扫描系统结构十分简单可以兼容其他扫描系统，唯一的小障碍就是三维空间几何体框架的遮挡。

 

附图说明

图１　以立方体为参照系，点Ａ投影在立方体两个面上，投影点分别是点Ｂ和点Ｃ。点D是焦平面上的投影点。

图２　体内扫描法示意图，铅笔尖命名为点Ａ。

图３  显示的是靠近观察者的面上的投影点Ｂ。

图４  显示的是远离观察者的面上的投影点Ｃ。

图５  是变换角度拍照得到性质相同的Ｂ ^' 和Ｃ ^' 两点。在这个视角下，点Ｂ ^' 和点Ｃ ^' 两点共点。

图６  是体外扫描法中参照系的布置图。

 

具体实施方式

本发明采用如下设备：１.一个或多个三维空间几何体，２.拍照使用的设备。

一种三维空间几何体作为参照系。三维空间几何体的外形可以是曲面几何体或多面几何体，考虑建立坐标系的方便，本说明中采用立方体作为参照系；三维空间几何体的大小，如果被扫描物体比较小巧可以人为随意放置，则可以把大小定为立方体边长比该物体最大周径再大一些即可，如果被扫描物体笨重甚至是庞大，可根据拍摄视角需要一般立方体边长为手掌长即可；三维空间几何体的材料，可以是金属也可以是非金属，当然也可以利用定位技术、光学技术和计算机技术等虚拟的三维空间几何体（利用高精度陀螺仪感知并测量拍照设备的移动，在相机视场中虚拟三维空间几何体，三维空间几何体相对被扫描物体刚性约束，这样就可以起到参照系的作用）；三维空间几何体的结构是按照三维空间几何体面与面相交的公共线来形成的框架结构，这些框架结构表面要进行长度标记，能够反映三维空间几何体的几何特征；三维空间几何体的精度，随着测量的需求而提高，因为此三维空间几何体作为参照系还起着量具的作用，提供长度、角度信息。

　　拍照使用的设备没有特殊限制，根据所需测量精度进行选择，手机摄像头，专业相机等等均可，其镜头是定焦的还是变焦的没有限制。

根据三维空间几何体与被扫描物体位置的不同，扫描的方法分为体内扫描法和体外扫描法。

体内扫描法：如图２所示，对于小巧的物体，我们将其放置在一个基台上，然后将立方体框架包围在它周围，并按照自己感兴趣的三维空间坐标系方向将该框架的６个自由度确定下来。如果希望被扫描物体的三维空间的所有面都扫描到，则需要设计一种特殊的基台，该基台与三维空间几何体框架刚性约束在一起，然后被扫描物体通过基台和几何体框架固定在一起。这样我们可以在空间６个自由度下随意放置该系统进行扫描，由于几何体框架参照物和被扫描物体是相对静止的，并不影响扫描精度。

放置好被扫描物体和立方体框架后，我们可以开始使用相机扫描。为方便说明本发明，我们以一个正方体框架作为参照系，以一支铅笔作为扫描物体，如图2所示。根据被扫描物体的三维几何特征进行扫描，即根据关键点和关键面进行拍照。拍照时，立方体框架及其体内的被扫描物都要完整清晰的出现在照片中。拍照时，相机在三维空间的６个自由度是可以自由选择的。我们以铅笔尖三维空间坐标的获得为例，说明本扫描方法的实施步骤。图２中显示，铅笔尖命名为点Ａ；图３显示的是靠近观察者的面上的投影点Ｂ；图４中显示的是远离观察者的面上的投影点Ｃ。在这一视角照片上点Ａ、Ｂ、Ｃ是共点的，但是它们在三维空间的坐标是不同的。根据透视比例，我们可以计算出点Ｂ和点Ｃ的三维坐标。图５是变换角度拍照，同理我们得到Ｂ ^' 和Ｃ ^' 两点，也可以计算出它们的三维坐标。已知立方体的边长以及立方体面上的四个点，我们还知道直线ＢＣ和直线Ｂ ^' Ｃ ^' 的交点是Ａ，利用立体几何知识和三角函数就可以计算出点Ａ的三维坐标。

　　另一种扫描方法，体外扫描法。需要扫描笨重甚至是庞大的物体时，我们使用体外扫描法。根据扫描视角的需要确定若干个扫描观察点。图６是体外扫描法中参照系的布置图。在扫描观察点通过激光定位系统将三维空间几何体框架参照物定位。透过几何体框架观察被扫描物体，采用不同角度拍照，拍照时，参照物及被扫描物关键点都要完整清晰的出现在照片中。经过运算获得该视角的物体表面三维信息。多个视角信息通过坐标的转换拼接成为整个物体的三维数据。

　　应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据以上说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：包括一个或多个三维空间几何体以及拍照使用的设备；扫描方法分两种，体内扫描法是将被扫描物体放在三维空间几何体内部进行拍照，体外扫描法是在被扫描物体周围布置三维空间几何体进行拍照；照片中被扫描物体在三维空间几何体的面上留下了至少两个投影，取照片上被扫描物体任意一点A，根据三维空间几何体的几何信息提取这两个投影点B、C的三维坐标，进而确定经过该点A的直线，改变角度拍照基于同样原理可以得到三维空间几何体面上另两个投影点Ｂ ^' 、Ｃ ^' 的坐标，根据两条直线相交有且只有一个交点的公理，我们就可以计算出点A三维坐标，运用同样方法可以得到被扫描物体的点云，照片中心的点是正投影，投影方向是垂直于焦平面的，是相机拍摄的轴向。

2.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的三维空间几何体可以是任何几何体、任何尺寸、任何材料加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的三维空间几何体也可以是由背景环境中的结构元素利用几何原理抽象形成。

4.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的三维空间几何体也可以是利用定位技术、光学技术和计算机技术等虚拟的三维空间几何体。

5.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的被扫描物体在三维空间几何体面上的投影点可以根据三维空间几何体的几何信息提取三维坐标。

6.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的照片中心点投影方向是相机拍摄的轴向，不断变换相机拍照的角度，使用一系列物体的轮廓线也可以构成三维形体。

7.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的拍照使用的设备可以是满足精度要求的任何图片视频设备，在此基础上附加诸如结构光、测距等功能可加强本方法的功能。

8.根据权利要求1所述的一种以三维空间几何体为参照系的三维扫描方法，其特征在于：所述的三维空间几何体参照系结构简单可兼容绝大多数其他三维扫描方法。

9.应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据以上说明加以改进或变换，所有这些改进和变换部分都应该属于本发明所属权所要求的保护范围。