CN104596442B - 一种辅助三维扫描的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于三维扫描与图像处理技术领域的一种辅助三维扫描的装置及方法。该装置包括三维扫描仪和平面镜。前表面反射镜是在光学玻璃的前表面，通过真空镀膜镀一层金属薄膜，使入射光反射的光学元件。使用时，平面镜的镜面与被扫描物品的水平面呈45°夹角设置，平面镜的镜面与三维扫描仪的平台呈135°夹角设置。本发明利用平面镜反射原理，在被扫描物体四周放置平面镜，在扫描物体上表面的同时也扫描侧面，将物体翻转过来扫描背面时，同时也会扫描到侧面，利用两幅深度图侧面部分的匹配点，将两幅深度图拼接在一起，得到立体贴图。本发明的辅助三维扫描的装置适合于扫描具有一定厚度的文物素材，可以得到全面的文物侧部信息。

Description

一种辅助三维扫描的装置及方法

技术领域

本发明属于三维扫描与图像处理技术领域，具体涉及一种辅助三维扫描的装置及方法。

背景技术

目前，在文物扫描技术领域，对扫描的精度，效率，真实性都有较高的要求。扫描的设备有手持扫描仪及大型平台扫描设备。手持设备扫描需要一点一点的进行，扫描效率低，且扫描三维图像需要进行拼接，后续处理步骤比较复杂，色彩的真实性较差。

大型平台扫描设备可以得到物体的深度图，使用大型平台设备扫描物体时，传统的方法是每次只扫描一面，一般情况下扫描完整一个简单形状的物体，需要至少六次，扫描的速度慢。

专利201410155804.9公开了一种三维扫描方法，步骤如下：数据采集，连续扫描获得物体的连续数据，所述连续数据包括物体静止时的外几何表面数据、用户与物体或场景进行交互时的运动扫描数据及物体内部和被遮挡部的隐藏数据；数据段分割，将所述连续数据分割为没有用户交互的片段及有用户交互的片段；交互运动分析，在所述有用户交互的片段中检测用户的交互并剔除对应的运动扫描数据；数据融合，对所述物体静止时的外几何表面数据和所述物体内部和被遮挡部的隐藏数据进行配准，重建物体的三维模型。该方法的优点是可以扫描被隐藏的物体表面数据，并且可以扫描交互时的运动扫描数据，但是，该扫描方法无法精确的扫描物体的侧部信息，并将其生成准确的三维图像。在文物扫描技术领域，经常需要对诸如石碑文物类，需要将其侧面的信息精确的展现出来，目前的扫描技术无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辅助三维扫描的装置及方法。利用平面镜反射原理，在被扫描物体四周放置平面镜，在扫描物体上表面的同时也扫描侧面，将物体翻转过来扫描背面时，同时也会扫描到侧面，利用两幅深度图侧面部分的匹配点，将两幅深度图拼接在一起，得到立体贴图。

一种辅助三维扫描的装置，该装置包括三维扫描仪和平面镜。其中平面镜为前表面反射镜。前表面反射镜是在光学玻璃的前表面，通过真空镀膜镀一层金属银(或铝)薄膜，使入射光反射的光学元件。因为是前表面反射，所以可以保证反射图像不失真，无重影。使用时，平面镜的镜面与被扫描物品的水平面呈45°夹角设置，平面镜的镜面与三维扫描仪的平台呈135°夹角设置。

所述平面镜置于可移动斜板上，可移动斜板设为4个，被扫描物品的每个边设置一个，与水平面呈45°夹角设置。

1、一种辅助三维扫描的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)将待扫描物体放置在三维扫描仪的平台上，物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与三维扫描仪的平台呈135°，平面镜下方边缘紧贴物体侧面；

(2)扫描物体正表面以及侧表面，得到深度图；

(3)调整侧表面的深度，采用最大类间方差法，记t为正表面深度与侧表面深度的分割阈值，正表面点数占深度图像比例为W₀，平均灰度为U₀；侧表面点数占图像比例为W₁，平均灰度为U₁，图像的总平均灰度计算公式为：u＝W₀xU₀+W₁xU₁；

(4)将物体翻转180°，同样在物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与扫描平台呈135°；

(5)扫描物体背表面，得到深度图；

(6)放置平面镜时，如果平面镜没有紧贴物体，平面镜会将物体侧面反射到扫描平面以下，需要进行校正，具体方法如下：

f(i，j)为图像深度值，T为扫描平台的深度值即为阈值；

遍历深度图像，将平台的深度值作为阈值，深度值高于阈值的为物体正表面部分，深度值低于阈值的为物体侧表面部分，统计物体侧表面部分最高的深度值，阈值与此值的差值，得到偏差值，将物体侧面部分整体加上偏差值，将侧面调整到扫描平台平面；其中，

M＝max(f_s(i，j))；

f_s(i，j)为侧表面深度值，M为侧表面最大值；

D＝T-M；

D为偏差值；

f_ns(i，j)＝f_s(i，j)+D；

f_ns(i，j)为调整之后侧表面的深度值；

用同样的方式处理背面扫描的深度图，得到正确的深度图像；

(7)根据平面镜反射原理，先将侧面深度图旋转180°，再对图片进行一个垂直镜像；其中图像旋转180°公式为：

I′＝M-i′-1

J′＝N-j′-1

其中i′，j′为旋转前图像坐标，M为图像宽度，N为图像高度，I′，J′为旋转之后图像坐标；

图像垂直镜像公式为：

I″＝M-i″-1

J″＝j″

其中i″，j″为垂直镜像前的图像坐标，M为图像宽度，I″，J″为垂直镜像之后的图像坐标；

(8)两幅深度图的两侧部分具有重合部分，根据重合部分的匹配特征点拼接深度图；

(9)对待扫描物品的纹理进行步骤(1)-(8)相同的变换操作，得到纹理立方体贴图。

优选地，步骤(3)中，从最小深度值到最大深度值遍历t，当t使得值g＝W₀x(U₀-u)+W₁x(U₁-u)最大时，t即为分割的最佳阈值。

优选地，步骤(8)点拼接的具体步骤为：

a)读入两张深度图像并分别提取SIFT特征；

b)利用k-d tree和BBF算法进行特征匹配查找，并根据最近邻和次近邻距离比值进行初步筛选；

c)利用RANSAC算法筛选匹配点并计算变换矩阵；

d)利用变换矩阵进行图像拼接，得到深度立方体贴图。

本发明的有益效果：本发明利用平面镜反射原理，在被扫描物体四周放置平面镜，在扫描物体上表面的同时也扫描侧面，将物体翻转过来扫描背面时，同时也会扫描到侧面，利用两幅深度图侧面部分的匹配点，将两幅深度图拼接在一起，得到立体贴图。本发明的辅助三维扫描的装置适合于扫描具有一定厚度的文物素材，可以得到全面的文物侧部信息，精度和精细度高，扫描效率高。

附图说明

图1为平面镜反射成像原理图。

图2为待测物品，扫描平台与平面镜的摆放关系图。

图3为可移动斜板的摆放方式。

图4为条状镜子的三维结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种辅助三维扫描的装置，如图2-4所示，该装置包括三维扫描仪和平面镜。其中平面镜为前表面反射镜。前表面反射镜是在光学玻璃的前表面，通过真空镀膜镀一层金属银(或铝)薄膜，使入射光反射的光学元件。因为是前表面反射，所以可以保证反射图像不失真，无重影。使用时，平面镜的镜面与被扫描物品的水平面呈45°夹角设置，平面镜的镜面与三维扫描仪的平台呈135°夹角设置(如图2所示)。

所述平面镜置于可移动斜板上，可移动斜板设为4个，被扫描物品的每个边设置一个，与水平面呈45°夹角设置。

该装置主要运用平面镜反射成像原理(图1)进行如下的步骤操作和成像处理。平面镜反射成像原理为：反射光线与入射光线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角，所以在理想状态下，物体侧表面会被平面镜反射至扫描平台水平面上。

一种辅助三维扫描的的方法，按照如下步骤进行：

(1)将待扫描物体放置在三维扫描仪的平台上，物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与三维扫描仪的平台呈135°，平面镜下方边缘紧贴物体侧面；

(2)扫描物体正表面以及侧表面，得到深度图；

(3)调整侧表面的深度，采用最大类间方差法，记t为正表面深度与侧表面深度的分割阈值，正表面点数占深度图像比例为W₀，平均灰度为U₀；侧表面点数占图像比例为W₁，平均灰度为U₁，图像的总平均灰度计算公式为：u＝W₀xU₀+W₁xU₁；

从最小深度值到最大深度值遍历t，当t使得值g＝W₀x(U₀-u)+W₁x(U₁-u)最大时，t即为分割的最佳阈值。

(4)将物体翻转180°，同样在物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与扫描平台呈135°；

(5)扫描物体背表面，得到深度图；

(6)放置平面镜时，如果平面镜没有紧贴物体，平面镜会将物体侧面反射到扫描平面以下，需要进行校正，具体方法如下：

f(i，j)为图像深度值，T为扫描平台的深度值即为阈值；

根据大型平台扫描仪的特性，深度图的灰度值体现出的是物体某一位置与设备镜头的距离，扫描平台的深度值是可以得到的，所以可以在深度图像中，根据扫描平台的深度值校正物体侧面的深度值。

遍历深度图像，将平台的深度值作为阈值，深度值高于阈值的为物体正表面部分，深度值低于阈值的为物体侧表面部分，统计物体侧表面部分最高的深度值，阈值与此值的差值，得到偏差值，将物体侧面部分整体加上偏差值，将侧面调整到扫描平台平面；其中，

M＝max(f_s(i，j))；

f_s(i，j)为侧表面深度值，M为侧表面最大值；

D＝T-M；

D为偏差值；

f_ns(i，j)＝f_s(i，j)+D；

f_ns(i，j)为调整之后侧表面的深度值；

用同样的方式处理背面扫描的深度图，得到正确的深度图像；

(7)根据平面镜反射原理，先将侧面深度图旋转180°，再对图片进行一个垂直镜像；其中图像旋转180°公式为：

I′＝M-i′-1

J′＝N-j′-1

其中i′，j′为旋转前图像坐标，M为图像宽度，N为图像高度，I′，J′为旋转之后图像坐标；

图像垂直镜像公式为：

I″＝M-i″-1

J″＝j″

其中i″，j″为垂直镜像前的图像坐标，M为图像宽度，I″，J″为垂直镜像之后的图像坐标。

(8)根据两幅深度图的两侧部分具有重合部分，根据重合部分的匹配特征点拼接深度图；根据两幅深度图的两侧部分具有重合部分，根据重合部分的匹配特征点拼接深度图。SIFT匹配(Scale-invariant feature transform，尺度不变特征转换)是一种电脑视觉的算法用来侦测与描述影像中的局部性特征，它在空间尺度中寻找极值点，并提取出其位置、尺度、旋转不变量，其应用范围包含物体辨识、机器人地图感知与导航、影像缝合、3D模型建立、手势辨识、影像追踪和动作比对。SIFT特征点具有位置、尺度、旋转、亮度等不变性，并且匹配速度快，效果好。两幅深度图像中的SIFT匹配点位置、旋转不同，所以根据SIFT匹配特征点，可以容易的找到深度图像的匹配点。将匹配的图像叠加，加权平均，最终得到深度图的立方体贴图。

点拼接的具体步骤为：

a)读入两张深度图像并分别提取SIFT特征；

b)利用k-d tree和BBF算法进行特征匹配查找，并根据最近邻和次近邻距离比值进行初步筛选；

c)利用RANSAC算法筛选匹配点并计算变换矩阵；

d)利用变换矩阵进行图像拼接，得到深度立方体贴图。

(9)对待扫描物品的纹理进行步骤(1)-(8)相同的变换操作，得到纹理立方体贴图。

Claims (3)

1.一种辅助三维扫描的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)将待扫描物体放置在三维扫描仪的平台上，物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与三维扫描仪的平台呈135°，平面镜下方边缘紧贴物体侧面；

(2)扫描物体正表面以及侧表面，得到深度图；

(3)调整侧表面的深度，采用最大类间方差法，记t为正表面深度与侧表面深度的分割阈值，正表面点数占深度图像比例为W₀，平均灰度为U₀；侧表面点数占图像比例为W₁，平均灰度为U₁，图像的总平均灰度计算公式为：u＝W₀xU₀+W₁xU₁；

(4)将物体翻转180°，同样在物体四周每个位置放置一块平面镜，平面镜镜面朝向物体，并且镜面与扫描平台呈135°；

(5)扫描物体背表面，得到深度图；

(6)放置平面镜时，如果平面镜没有紧贴物体，平面镜会将物体侧面反射到扫描平面以下，需要进行校正，具体方法如下：

f(i，j)为图像深度值，T为扫描平台的深度值即为阈值；

遍历深度图像，将平台的深度值作为阈值，深度值高于阈值的为物体正表面部分，深度值低于阈值的为物体侧表面部分，统计物体侧表面部分最高的深度值，阈值与此值的差值，得到偏差值，将物体侧面部分整体加上偏差值，将侧面调整到扫描平台平面；其中，

M＝max(f_s(i，j))；

f_s(i，j)为侧表面深度值，M为侧表面最大值；

D＝T-M；

D为偏差值；

f_ns(i，j)＝f_s(i，j)+D；

f_ns(i，j)为调整之后侧表面的深度值；

用同样的方式处理背面扫描的深度图，得到正确的深度图像；

(7)根据平面镜反射原理，先将侧面深度图旋转180°，再对图片进行一个垂直镜像；其中图像旋转180°公式为：

I′＝M-i′-1

J′＝N-j′-1

其中i′，j′为旋转前图像坐标，M为图像宽度，N为图像高度，I′，J′为旋转之后图像坐标；

图像垂直镜像公式为：

I″＝M-i″-1

J″＝j″

其中i″，j″为垂直镜像前的图像坐标，M为图像宽度，I″，J″为垂直镜像之后的图像坐标；

(8)两幅深度图的两侧部分具有重合部分，根据重合部分的匹配特征点拼接深度图；

(9)对待扫描物品的纹理进行步骤(1)-(8)相同的变换操作，得到纹理立方体贴图。

2.根据权利要求1所述一种辅助三维扫描的方法，其特征在于，步骤(3)中，从最小深度值到最大深度值遍历t，当t使得值g＝W₀x(U₀-u)+W₁x(U₁-u)最大时，t即为分割的最佳阈值。

3.根据权利要求1所述一种辅助三维扫描的方法，其特征在于，步骤(8)点拼接的具体步骤为：

a)读入两张深度图像并分别提取SIFT特征；

b)利用k-d tree和BBF算法进行特征匹配查找，并根据最近邻和次近邻距离比值进行初步筛选；

c)利用RANSAC算法筛选匹配点并计算变换矩阵；

d)利用变换矩阵进行图像拼接，得到深度立方体贴图。