CN104567723A - 基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法及装置，该方法包括：将野外环境下的被扫描的物体固定在专用支架上；将扫描仪、笔记电脑、储能装置安装在可收缩四层支架上；移动可收缩四层支架到多个角度，利用扫描仪分别从多个角度对所述物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据；利用笔记电脑对多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下物体的三维点云数据，并将多个角度下物体的三维点云数据进行拼接，得到物体的三维模型。根据发明的方法能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体三维精细化量测、重建以及三维可视化等。

Description

基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法及装置

技术领域

本发明属于逆向工程领域，尤其涉及在野外严苛的环境下，对单个物体进行快速三维扫描的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法及装置。

背景技术

近些年，3D打印技术发展迅速，3D打印成本也越来越低廉，为普通大众所接受，3D打印技术的发展势必带来逆向工程的发展。而目前，限制3D打印技术进入到普通大众生活，一个重要原因就是3D建模成本过高，有一定技术门槛。在工程研究领域，目前很多数值模型都停留在二维模型，或者是假三维模型，例如用球、椭球、等进行替代。混凝土、土石混合体等的研究中，很多是用CT扫描得到的二维图形进行数值计算，现有的三维模型绝大部分都是大大简化后得到的，通过三维扫描得到块石的三维模型，可以建立混凝土、土石混合体的三维细观结构模型，以供相关研究计算。目前三维扫描装置大多数过于昂贵，一般研究人员难以承受。而且，目前很多能达到研究精度要求的三维扫描仪难以在野外使用，不能够深入现场进行数据采集工作，而现场的三维数据却是很多研究人员所需要的。

三维扫描技术的两大难点问题分别是如何获取物体表面的三维点云坐标，例如：在野外环境下，如何获取到野外环境下物体的三维点云数据，二是如何将不同角度获取的物体表面三维点云坐标进行拼接。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，该方法能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体的三维建模。

本发明的另一个目的在于提出一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，包括以下步骤：将野外环境下的被扫描的物体固定在专用支架上；将扫描仪、笔记本电脑、储能装置安装在可收缩四层支架上；移动所述可收缩四层支 架到多个角度，利用所述扫描仪分别从所述多个角度对所述物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，所述三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据，所述储能装置用于为所述扫描仪和笔记本电脑供电；利用所述笔记本电脑对所述多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，并将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型。

根据本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体的三维建模。

另外，根据本发明上述实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，利用所述笔记本电脑对所述多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，进一步包括：从所述多个角度下的三维点云数据中删除专用支架和物体周边环境三维点云数据，得到仅包含所述物体的物体三维点云数据。

在一些示例中，所述将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型，进一步包括：所述笔记本电脑根据ICP配准算法依次将相邻两个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，从而得到所述物体的三维模型。

在一些示例中，还包括：以*.obj，*.stl，*.xyz，*.ply，*.gts的三维模型格式输出所述物体的三维模型；或者利用3D打印机打印所述物体的三维模型；或者将所述物体的三维模型用于数值模型计算。

本发明第二方面的实施例公开了一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，包括：专用支架，用于固定野外环境下的被扫描的物体；扫描仪，用于对所述物体进行扫描；笔记本电脑，用于对多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，以及将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型；储能装置，用于为所述扫描仪和所述笔记本电脑供电；可收缩四层支架，所述扫描仪、所述笔记本电脑和所述储能装置安装在所述可收缩四层支架上，所述可收缩四层支架移动到多个角度时，所述扫描仪分别从所述多个角度对所述物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，所述三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据。

根据本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体的三维建模。

另外，根据本发明上述实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，还包括：拉杆箱，所述拉杆箱用于存储所述扫描仪、所述笔记本电脑、所述储能装置以及收缩状态下的可收缩四层支架。

在一些示例中，所述储能装置包括：12V 40AH锂电池，用于为所述扫描仪供电；24V40AH锂电池，用于为所述笔记本电脑供电。

在一些示例中，所述扫描仪为Kinect For Windows V2。

在一些示例中，所述专用支架包括：可收缩的遮阳工具，所述遮阳工具打开时，避免强光直射到固定在所述专用支架上的物体。

在一些示例中，所述可收缩四层支架的底部安装有轮子，所述可收缩四层支架在展开状态时，第一层放置电源充电器，第二层放置所述储能装置，第三层放置所述扫描仪，第四层放置所述笔记本电脑。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的可收缩四层支架的示意图；

图4a是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的可收缩四层支架的固定销栓的示意图；

图4b是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的可收缩四层支架的连接云台用的螺丝的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的装配示意图；以及

图6a至6j是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置的在野外对块石进行三维扫描以及对点云数据进行预处理、拼接的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中标出，其中相同或者类似的标号表示相同或者类似的原件或具有相同功能的原件。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描 方法及装置。

图1是根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，包括如下步骤：

步骤S101：将野外环境下的被扫描的物体固定在专用支架上。当然，也可以用其他方式固定野外环境下的被扫描的物体。

如图2所示，被扫描的物体为野外环境下的一个块石3。将块石3放置在专用支架上(即物体专用固定支架2)，物体专用固定支架2可以保证在扫描过程中，块石3始终固定不动。

步骤S102：将扫描仪、笔记本电脑、储能装置安装在可收缩四层支架上，

作为一个具体的示例，如图2至图5所示，将扫描仪4、笔记本电脑1和储能装置5组装到同一个专用可收缩四层支架上(可收缩四层支架如图3所示)。其中，扫描仪为但不限于Kinect扫描仪4(即Kinect For Windows V2)、如图5所示，可收缩四层支架的第一层用于放置充电器、电线等辅助设备；第二层用于放置储能装置5，储能装置5包括两块锂电池，一块12V 40AH锂电池用于为扫描仪4供电，另一块24V 40AH锂电池用于为笔记本电脑1供电；第三层用于放置如Kinect扫描仪4；第四层用于放置笔记本电脑1。

步骤S103：移动可收缩四层支架到多个角度，利用扫描仪分别从多个角度对物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据，储能装置用于为扫描仪和笔记本电脑供电。

具体地说，结合图2至图5所示，当固定好物体且将扫描仪、笔记本电脑、储能装置安装在可收缩四层支架上之后，将Kinect扫描仪4的摄像头对准块石3，用笔记本电脑1控制硬件，采集得到一个视角的块石3的三维点云数据。再移动Kinect扫描仪到另外一个视角，得到块石3另外一个视角的三维点云数据，重复多次，便可以得到块石3在多个角度的三维点云数据。

步骤S104：利用笔记本电脑对多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下物体的三维点云数据，并将多个角度下物体的三维点云数据进行拼接，得到物体的三维模型。

具体来说，从多个角度下的三维点云数据中删除专用支架和物体周边环境三维点云数据，得到仅包含物体的物体三维点云数据。然后笔记本电脑根据ICP配准算法依次将相邻两个角度下物体的三维点云数据进行拼接，从而得到物体的三维模型。

以块石3为例，结合图2至图5，将得到的块石3在多个角度的三维点云数据，进行 去噪处理，由于在采集块石3的三维点云数据的过程中，周围环境、块石周边物体的三维点云数据也会被采集，需要用基于Kinect的三维扫描软件(例如：KScan3D，Skanect等)对所获取的多个角度的三维点云数据进行去噪处理，得到仅仅有块石3的多个角度的三维点云数据。

然后，利用ICP配准算法(当然，也可以采用其他的配准算法)，将块石3的多个角度的三维点云数据进行拼接。具体包括：由于相邻两个角度下的三维点云数据中有一部分都是采集块石3同一部分表面得到的数据，这两部分数据在理论上应该是完全重合，利用这部分重合的数据，根据ICP配准算法可以将相邻两个角度下的三维点云数据拼接起来合并得到一片点云数据，再利用同样的方法，依次将全部角度下的三维点云数据拼接起来，从而可以得到块石3的三维模型。具体而言，根据拼接后整个的三维点云数据生成块石表面三角网数据，得到块石的三维模型。

在本发明的一个实施例中，所得到的物体(如块石)的三维模型可以进行输出，用于科学研究或者其他用途。例如：以*.obj，*.stl，*.xyz，*.ply，*.gts的三维模型格式输出所述物体的三维模型；或者利用3D打印机打印所述物体的三维模型；或者将所述物体的三维模型用于数值模型计算。也就是说，可以将物体的三维模型输出成*.obj，*.stl，*.xyz，*.ply等常见的三维模型格式，便于对物体三维模型进行展示，也可以用于3D打印等。

根据本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体的三维建模。

本发明进一步的实施例，还公开了一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置。如图2至图5所示，根据本发明一个实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，包括：笔记本电脑1、专用支架2、扫描仪4、储能装置5和可收缩四层支架(可收缩四层支架如图3所示)。其中，储能装置5包括：12V 40AH锂电池，用于为所述扫描仪供电；24V 40AH锂电池，用于为所述笔记本电脑供电。

其中，专用支架2用于固定野外环境下的被扫描的物体(如块石3)。扫描仪4用于对物体进行扫描。笔记本电脑1用于对多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，以及将多个角度下物体的三维点云数据进行拼接，得到物体的三维模型。储能装置5用于为扫描仪4和笔记本电脑1供电。扫描仪4、笔记本电脑1和储能装置5安装在可收缩四层支架上，可收缩四层支架移动到多个角度时，扫描仪4分别从多个角度对物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据。

具体地说，如图3所示，为了适应野外三维扫描的实际需要，利用一个用于放置笔记 本电脑1、Kinect扫描仪4(即Kinect For Windows V2)和储能装置5的专用可收缩四层支架。从而可方便地进行野外环境下物体的三维扫描即三维重建。可收缩四层支架的底部安装有轮子，所述可收缩四层支架在展开状态时，第一层放置电源充电器，第二层放置所述储能装置，第三层放置所述扫描仪，第四层放置所述笔记本电脑。结合图3至图5，6为第四层横版，用于放置笔记本电脑1，横板的四个角各开有一个圆孔；7为固定消栓，每个横板下面都固定有4个消栓，消栓外形为圆台，如图4a所示，该消栓上部直径较小，下部直径较大，使得横板的圆孔可以套在圆台上，并且固定横板；9为第三层横板，用于放置Kinect扫描仪4，该横板的四个角各开有一个圆孔，中间开有一个圆孔；8为连接云台用的螺栓(如图4b所示)，该螺栓可以穿过第三层横板的中间圆孔，与云台相连，云台可以直接和Kinect扫描仪4相连，从而可以固定Kinect扫描仪4，方便控制Kinect扫描仪4，便于三维扫描工作的展开；10为第二层横板，用于放置储能装置5(如2块锂电池)，横板的四个角各开有一个圆孔；11为支架钢管，共有四根相同的支架钢管，构成整个装置的主骨架，所有设备都依附在该主骨架上；12为第一层横板，用于放置电源等辅助设备，横板的四个角各开有一个圆孔；13为滑轮(即轮子)，和支架钢管相连，每根支架钢棍下面都有一个滑轮，滑轮方便整个装置在平地上移动。

如图5所示，将扫描仪4、笔记本电脑1和储能装置5组装到可收缩四层支架上，如图2所示，通过专用支架2固定好块石3之后，便可以进行块石3的三维扫描工作。

在本发明的一个实施例中，还包括：拉杆箱，拉杆箱用于存储扫描仪4、笔记本电脑1、储能装置5以及收缩状态下的可收缩四层支架。进一步地，专用支架2包括：可收缩的遮阳工具，遮阳工具打开时，避免强光直射到固定在专用支架上的物体。具体来说，拉杆箱为定制的复合轻材料，便于将整个三维扫描装置收纳其中。

图6a至6j是应用本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置进行三维扫描的一个示例。将块石固定好、三维扫描装置组装好后，利用Kinect扫描仪4可以获取各个角度的块石三维点云数据。利用笔记本电脑1将块石周边环境点云数据剔除、进行去噪处理，再将相邻两个角度的块石三维点云数据进行拼接，逐步便可以得到整个块石的三维模型。图6a是利用Kinect扫描仪4采集的块石一个角度的三维点云数据，其中包含块石的三维点云数据，还包含固定块石的物体的三维点云数据，以及Kinect扫描仪4所捕捉到的周边环境的三维点云数据。利用软件对各个角度的点云数据进行剔除处理后，得到如图6b所示，仅仅剩下块石的三维点云数据。相邻两站的块石点云数据，有一部分面是重合的，利用重合的这部分面，将两个角度的块石三维点云数据重合部分移动到接近位置，如图6c所示。利用ICP算法，根据相同部分点云坐标相同，寻找最近相同点的方法， 可以实现两个角度点块石三维云数据的拼接，拼接结果如图6d所示。同样，可以依次将其他角度的块石三维点云数据拼接，便可以得到整个块石的三维点云数据，图6d至图6g是对某一块石进行拼接的过程结果图。图6g、图6h是从不同角度查看所得到的块石的三维重建模型。

根据本发明实施例的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，能够在野外简陋的自然环境下方便、快速地实现物体的三维建模。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

将野外环境下的被扫描的物体固定在专用支架上；

将扫描仪、笔记本电脑、储能装置安装在可收缩四层支架上；

移动所述可收缩四层支架到多个角度，利用所述扫描仪分别从所述多个角度对所述物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，所述三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据，所述储能装置用于为所述扫描仪和笔记本电脑供电；

利用所述笔记本电脑对所述多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，并将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，其特征在于，利用所述笔记本电脑对所述多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，进一步包括：

从所述多个角度下的三维点云数据中删除专用支架和物体周边环境三维点云数据，得到仅包含所述物体的物体三维点云数据。

3.根据权利要求1所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，其特征在于，所述将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型，进一步包括：

所述笔记本电脑根据ICP配准算法依次将相邻两个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，从而得到所述物体的三维模型。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描方法，其特征在于，还包括：

以*.obj，*.stl，*.xyz，*.ply，*.gts的三维模型格式输出所述物体的三维模型；或者

利用3D打印机打印所述物体的三维模型；或者

将所述物体的三维模型用于数值模型计算。

5.一种基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，包括：

专用支架，用于固定野外环境下的被扫描的物体；

扫描仪，用于对所述物体进行扫描；

笔记本电脑，用于对多个角度下的三维点云数据进行去噪，得到多个角度下所述物体的三维点云数据，以及将所述多个角度下所述物体的三维点云数据进行拼接，得到所述物体的三维模型；

储能装置，用于为所述扫描仪和所述笔记本电脑供电；

可收缩四层支架，所述扫描仪、所述笔记本电脑和所述储能装置安装在所述可收缩四层支架上，所述可收缩四层支架移动到多个角度时，所述扫描仪分别从所述多个角度对所述物体进行扫描，得到多个角度下的三维点云数据，其中，所述三维点云数据包括物体三维点云数据、专用支架和物体周边环境三维点云数据。

6.根据权利要求5所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，还包括：

拉杆箱，所述拉杆箱用于存储所述扫描仪、所述笔记本电脑、所述储能装置以及收缩状态下的可收缩四层支架。

7.根据权利要求5所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，所述储能装置包括：

12V 40AH锂电池，用于为所述扫描仪供电；

24V 40AH锂电池，用于为所述笔记本电脑供电。

8.根据权利要求5所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，所述扫描仪为Kinect For Windows V2。

9.根据权利要求5所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，所述专用支架包括：可收缩的遮阳工具，所述遮阳工具打开时，避免强光直射到固定在所述专用支架上的物体。

10.根据权利要求5-9任一项所述的基于Kinect的在野外环境下物体快速三维扫描装置，其特征在于，

所述可收缩四层支架的底部安装有轮子，所述可收缩四层支架在展开状态时，第一层放置电源充电器，第二层放置所述储能装置，第三层放置所述扫描仪，第四层放置所述笔记本电脑。