CN105005994B - 一种3d扫描组件、扫描系统及3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D扫描组件，该3D扫描组件包括发出投影光线至被测物体表面的投影光线发射模块，以及与所述投影光线发射模块对应设置、获取并根据所述被测物体表面的投影光线生成深度图的视觉定位模块。本发明也涉及一种3D扫描系统及一种3D打印系统。本发明提供的3D扫描组件，采用投影光线发射模块与视觉定位模块结合的方式，实现了物品横向信息的提取与构建，提高了扫描与打印的协同性，达到扫描与打印同步的效果。

Description

一种3D扫描组件、扫描系统及3D打印系统

技术领域

本发明涉及3D打印领域，更具体地说，涉及一种3D扫描组件、扫描系统及3D打印系统。

背景技术

目前使用较为成熟的3D扫描和3D打印技术，可以实现对物品的3D复制过程，下面就将该过程分为3D扫描和3D打印两个背景技术阐述：

3D扫描：

传统的3D扫描过程分为获取深度图和建模两个部分。

获取深度图：

根据双目测距法的特性，要想得到物品360°的完整截面图，必须使被扫描物品旋转一周，摄像头全方位测距后，才能得到完整的截面，否则将会由于某一部分扫描数据的残缺而无法开始建立完整的3D模型。

建模：

3D模型的建立依托3D建模软件处理感光模块获取的深度信息，使用特定的算法计算并得到物品的数字化模型，由于建模过程的运算量大，算法复杂，因而对建模软件的技术难度要求很高，也导致建模过程对建模软件较强的依赖性。

3D打印：

传统3D打印机的工作原理，在于将物品完整的3D模型分割为一定精度的截面后，再转换为打印机可以识别的数据格式，进而控制不同坐标轴内的步进电机，实现材料的熔融与喷涂。3D打印的基本原理为截面打印，通过逐层增加材料，实现成形的完整物品。

综上，现有技术能够实现的3D复制过程采用的“线激光竖直扫描，逐层打印横截面”的工作方式，以及“整体扫描→整体打印”的工作流程，实现对物品的3D复制。

以上方案存在的技术问题：

使用目前3D扫描和3D打印技术实现的3D复制装置，有以下几点缺陷：

①3D扫描仪必须等待物品旋转一周后(或有些扫描仪绕物品一周)，才可得到一个截面的深度信息，若否，则无法得到360°的完整截面，导致物品整体所需的扫描过程增加、扫描效率低下。

②对3D建模软件的依赖性强，必须依靠计算机或者互联网的云计算技术中心完成运算到3D建模的全过程，而3D软件建模技术的封装程度大，操作难度较高，用户难以根据自身需求与意愿完成对原有模型库的个性化修改，操作性与可推广性差。

③3D打印机必须等待对物品全高度的扫描过程结束后才可开始打印截面，完成复制，与3D扫描过程完全分离，这样一种扫描→打印的过程为串行处理而非同步并行处理的复制方法，不仅导致协同性低下、同步体验差的局面，也抬高了工作的时间成本，使复制效率锐减。

④3D打印机不仅需要等待物品的扫描过程，还必须处理物品整体的3D模型，以致用户无法自由便捷地依据意愿实现对物品某一部分的取舍及拼接，不仅降低了3D打印的灵活性，也造成一定程度上运算资源的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种3D扫描组件、扫描系统及3D打印系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种3D扫描组件、扫描系统及3D打印系统。

在本发明所述的3D扫描组件中，包括发出投影光线至被测物体表面的投影光线发射模块，以及与所述投影光线发射模块对应设置、获取并根据所述被测物体表面的投影光线生成深度图的视觉定位模块。

优选地，所述投影光线发射模块包括发出水平线激光至所述被测物体表面的线激光发射器或者MEMS扫描微镜；

所述视觉定位模块包括由两个单路摄像装置垂直放置的双目摄像装置，并且所述线激光发射器位于所述两个单路摄像装置的垂直中间位置；

所述视觉定位模块还包括仅将投射到所述被测物体表面的投影光线扫描部分采集入所述双目摄像装置的滤光镜。

在本发明所述的3D扫描系统中，包括至少三个所述的3D扫描组件、以及供被测物体放置的载物平台；

所述3D扫描组件在同一水平面上设置，并围绕在所述被测物体圆周上，以使发出的投影光线在所述被测物体上呈环状。

优选地，每一所述3D扫描组件安装在同一外壳上；

所述3D扫描系统还包括在竖直方向改变所述3D扫描组件和载物平台的相对位置的升降装置。

优选地，所述载物平台固定设置，所述外壳通过连杆连接成一整体；所述升降装置包括带动所有所述外壳整体在竖直方向上移动的驱动机构；

或者，

所述3D扫描组件固定设置，所述升降装置包括带动所述载物平台在竖直方向上移动的驱动机构。

优选地，所述驱动机构包括带动所述外壳或载物平台在竖直方向上移动的驱动装置、以及为所述外壳或载物平台移动导向的导向装置。

优选地，所述驱动装置包括至少一竖直设置的导向螺杆、以及带动所述导向螺杆转动的驱动电机；所述导向装置包括多个导向杆；至少一所述外壳与所述导向螺杆通过螺纹连接并由所述导向螺杆带动在竖直方向上移动，其他所述外壳分别安装在所述导向杆上并由所述导向杆在竖直方向上导向；或者，

所述驱动装置包括带动所述载物平台在竖直方向上移动的电机或气缸；所述导向装置包括与所述载物平台配合的导轨。

优选地，所述3D扫描系统还包括与所述升降装置连接、并控制所述升降装置工作的升降控制模块。

优选地，所述3D扫描系统还包括与所述3D扫描组件连接、并根据每一所述3D扫描组件的深度图和所述载物平台与3D扫描组件的高度信息拼接切片生成打印信息的打印信息处理模块，以及与所述打印信息处理模块连接、根据所述打印信息输出截面图层打印信息的打印信息输出模块。

在本发明所述的3D打印系统中，包括3D打印机，还包括所述的3D扫描系统，所述3D扫描系统与所述3D打印机连接，并且所述3D打印机根据所述3D扫描系统输出的截面图层打印信息进行截面打印。

实施本发明的3D扫描组件，具有以下有益效果：采用投影光线发射模块与视觉定位模块结合的方式，实现了物品横向信息的提取与构建，提高了扫描与打印的协同性，达到扫描与打印同步的效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明3D扫描组件的逻辑框图；

图2是本发明3D扫描组件实施例的结构示意图；

图3是本发明3D扫描系统实施例的结构示意图；

图4是本发明3D扫描系统实施例的逻辑框图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在本发明的3D扫描组件中，包括发出投影光线至被测物体表面的投影光线发射模块11，以及与投影光线发射模块11对应设置、获取并根据被测物体13表面的投影光线生成深度图的视觉定位模块12。该投影光线是非可见光。采用投影光线发射模块11与视觉定位模块12结合的方式，实现了物品横向信息的提取与构建，提高了扫描与打印的协同性，达到扫描与打印同步的效果。

如图2所示，依据本发明实施例的3D扫描组件中，投影光线发射模块22包括线激光发射器，该线激光发射器发出水平线激光至被测物体表面，在被测物体表面形成投影线。可以理解的，该投影光线发射模块也可以包括MEMS扫描微镜等可以将投影光线投射在被测物体上的装置。

该视觉定位模块21包括由两个单路摄像装置垂直放置的双目摄像装置，并且线激光发射器位于两个单路摄像装置的垂直中间位置，从而可以通过双目摄像装置准确地定位线激光发射器发出的光线的位置。在本实施例中，双目摄像装置为双目摄像头。

工作时，投影光线发射模块22发出水平投影光线至被测物体表面，通过双目摄像头中竖直投影光线偏移镜头中心轴点的水平距离，得到被测物体在某一截面的深度信息。

进一步的，该视觉定位模块21还包括仅将投射到被测物体表面的投影光线扫描部分采集入双目摄像装置的滤光镜。具体的，由于投影光线发射模块22所发射的投影光线是非可见光，而滤光镜的目的就在于去除可见光的信号干扰，因此，本实施例采用与投影光线发射模块22发射的投影光线对应的滤光镜，滤除其他光线的干扰，从而在有其他光线干扰的情况下，滤光镜仅将投射到被测物体表面的投影光线扫描部分采集入双目摄像头，进而提高光线的采集精度及效率。

如图3所示，在本发明的3D扫描系统的实施例中，包括至少三个上述的3D扫描组件、以及供被测物体放置的载物平台。该3D扫描组件可以是上述任何一种实施方案，利用该3D扫描组件可以获取放置在载物平台上的被测物体在某一截面的深度信息。

在本实施例中，该3D扫描系统使用四个3D扫描组件；当然，3D扫描组件的数量可以根据实际需要使用三个或更多个。所有3D扫描组件在同一水平面上设置，并围绕在被测物体圆周上，其出光方向朝向被测物体，以使发出的投影光线同时投射到被测物体表面上，投影线在被测物体上呈环状，在被测物体表面形成的投影线可完整围绕被测物体，然后，通过双目摄像装置准确地定位投影光线发射模块发出的光线的位置，从而得到被测物体在某一截面的深度信息。

如图3所示，为了便于3D扫描组件的安装，在本实施例中，每一3D扫描组件安装在同一外壳上，从而便于将每一3D扫描组件方便的安装。

该3D扫描系统还包括升降装置，通过该升降装置在竖直方向改变3D扫描组件和载物平台的相对位置,从而可以通过3D扫描组件得到被测物体各个截面的深度信息，进而可以边扫描边打印整个被测物体，实现扫描与打印的同步。

在本实施例中，载物平台固定设置，3D扫描组件的外壳通过连杆连接成一整体。升降装置包括带动所有外壳整体在竖直方向上移动的驱动机构。通过驱动机构带动所有3D扫描组件来同步上下移动，进而得到被测物体各个截面的深度信息。

可以理解的，也可以通过将3D扫描组件固定设置，而升降装置包括带动载物平台在竖直方向上移动的驱动机构。通过固定设置3D扫描组件、由驱动机构带动载物平台上下移动，改变3D扫描组件与载物平台竖直方向的相对位置，来得到被测物体各个截面的深度信息。

该驱动机构可以包括驱动装置和导向装置。其中，该驱动装置作为动力源带动3D扫描组件的外壳或载物平台在竖直方向上移动，改变3D扫描组件和被测物体之间的相对位置，从而可以得到被测物体不同截面的深度信息；该导向装置为3D扫描组件的外壳或载物平台移动导向，为3D扫描组件的外壳或载物平台的移动导向，如向上移动或向下移动。

在本实施例中，该驱动装置包括至少一竖直设置的导向螺杆、以及带动导向螺杆转动的驱动电机；导向装置包括多个导向杆。至少一外壳与导向螺杆通过螺纹连接并由导向螺杆带动在竖直方向上移动，其他外壳分别安装在导向杆上并由导向杆在竖直方向上导向；或者，驱动装置包括带动载物平台在竖直方向上移动的电机或气缸；导向装置包括与载物平台配合的导轨。

本发明的3D扫描系统还包括升降控制模块，该升降控制模块与升降装置连接、并控制升降装置工作。从而使用者可以自由控制升降装置自由移动，自主选择需要打印的部分，无需全部扫描完成再打印。

具体的，在本发明实施例中，通过将四路3D扫描组件竖直方向放置在被测物体四周，线激光水平发射至被测物体，双目摄像头获得物品360°的截面深度信息，再通过升降控制模块控制被测物品高度，实现被测物品纵向完整的全方位扫描过程，快速准确提取出完整的被测物体的深度图。实时双目立体视觉系统的构建，使扫描完毕之时即是打印完毕之时，不同于原本的“整体扫描→整体打印”过程的分离，该扫描过程采用四路摄像头模组，无需牺牲时间等待物品全方位旋转即可得到完整的360°截面，配合3D打印机横向打印的工作特点，实现了物品横向信息的提取与构建，极大地提高了扫描与打印的协同性，也解决了打印模块需等待扫描模块工作完毕后才可开始工作的时间效率问题，真正实现扫描与打印同步的一体化复制装置。

如图4所示，在本发明的3D扫描系统还可包括打印信息处理模块42和打印信息输出模块43，该打印信息处理模块42与3D扫描组件41连接、并根据每一3D扫描组件41的深度图和载物平台与3D扫描组件41的高度信息拼接切片生成打印信息，该打印信息输出模块43与打印信息处理模块42连接、根据打印信息输出截面图层打印信息。

具体的，打印信息处理模块42使用FPGA平台快速采集并处理每一3D扫描组件的深度图和载物平台与3D扫描组件的高度信息的数据，将深度图信息处理为STL格式数据给予打印信息输出模块43。打印信息输出模块43首先借助FPGA的可编程特性实现多路PWM数据控制3路电机，接着借助ARM处理器部分运行Linux操作系统，提供更好的人机交互及数据结构的处理能力，最后输出截面图层打印信息。本发明通过FPGA+ARM的方案，保证了复制速度的同时，将FPGA的快速并行处理能力和ARM端更好的数据结构处理能力、软件资源和人机交互优势结合起来，使得复制过程能够不再依赖3D建模软件或互联网。使用“嵌入式处理器+FPGA”的方案，物尽其用，充分发挥各硬件的优势特点，使两者有机地结合在一起，提高系统性能并实现该装置的独立性。

本发明还提供一种3D打印系统，包括3D打印机，还包括上述的3D扫描系统，3D扫描系统与3D打印机连接，并且3D打印机根据3D扫描系统输出的截面图层打印信息进行截面打印。

从以上可以看出，本发明实施例的3D扫描组件、扫描系统及3D打印系统，具有以下技术效果：采用投影光线发射模块与视觉定位模块结合的方式，实现了物品横向信息的提取与构建，提高了扫描与打印的协同性，达到扫描与打印同步的效果。

进一步的，通过至少三个扫描组件的环绕式分布，可以更为优质快捷地得到覆盖物品全方位的截面深度信息，使得扫描无需再等待物品自旋转一周才可得到完整的360°截面图，扫描效率得到提高。

进一步的，通过升降装置及升降控制模块，使得复制过程具备更高的灵活性，用户可以自主选择需要的截面让扫描仪扫描，打印机即可将其打印出来完成复制，而无需传输物品整体3D模型数据让打印机处理，真正按用户意愿实现所需截面的复制，可以轻松实现多个物品的拼接、不同部位的更换等功能，真正实现“所扫即所得”，在节约了运算资源的同时也让3D复制装置的灵活性大大增强。

同时，3D建模的过程无需再经过3D建模软件的中间环节，运算过程依托硬件完成，完全规避了3D建模软件的操作技术难度，用户不再受到3D建模软件模型库的限制，而可以根据自身所需，调整被扫描物，即可轻松自由地完成个性化复制，应用性与拓展性得到提升。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种3D扫描系统，其特征在于，包括至少三个3D扫描组件、以及供被测物体放置的载物平台；

所述3D扫描组件，包括发出投影光线至被测物体表面的投影光线发射模块，以及与所述投影光线发射模块对应设置、获取并根据所述被测物体表面的投影光线生成某一截面的深度图的视觉定位模块；所述视觉定位模块包括由两个单路摄像装置垂直放置的双目摄像装置；

所述至少三个3D扫描组件在同一水平面上设置，并围绕在所述被测物体圆周上，以使发出的投影光线在所述被测物体上呈环状；

所述3D扫描系统还包括在竖直方向改变所述3D扫描组件和载物平台的相对位置的升降装置；

所述3D扫描系统还包括与所述3D扫描组件连接的打印信息处理模块、以及与所述打印信息处理模块连接的打印信息输出模块；所述打印信息处理模块采集并处理每一所述3D扫描组件生成的截面深度图和对应的载物平台与3D扫描组件的高度信息的数据，将界面深度图信息处理为STL格式数据给予所述打印信息输出模块；

所述打印信息输出模块用于输出截面图层打印信息，使扫描与打印同步。

2.根据权利要求1所述的3D扫描系统，其特征在于，所述投影光线发射模块包括发出水平线激光至所述被测物体表面的线激光发射器或者MEMS扫描微镜；

并且所述线激光发射器位于所述两个单路摄像装置的垂直中间位置；

所述视觉定位模块还包括仅将投射到所述被测物体表面的投影光线扫描部分采集入所述双目摄像装置的滤光镜。

3.根据权利要求1所述的3D扫描系统，其特征在于，每一所述3D扫描组件中的各组件安装在同一外壳上。

4.根据权利要求3所述的3D扫描系统，其特征在于，所述载物平台固定设置，所有所述外壳通过连杆连接成一整体；所述升降装置包括带动所有所述外壳整体在竖直方向上移动的驱动机构；

或者，

所述3D扫描组件固定设置，所述升降装置包括带动所述载物平台在竖直方向上移动的驱动机构。

5.根据权利要求4所述的3D扫描系统，其特征在于，所述驱动机构包括带动所述外壳或载物平台在竖直方向上移动的驱动装置、以及为所述外壳或载物平台移动导向的导向装置。

6.根据权利要求5所述的3D扫描系统，其特征在于，所述驱动装置包括至少一竖直设置的导向螺杆、以及带动所述导向螺杆转动的驱动电机；所述导向装置包括多个导向杆；至少一所述外壳与所述导向螺杆通过螺纹连接并由所述导向螺杆带动在竖直方向上移动，其他所述外壳分别安装在所述导向杆上并由所述导向杆在竖直方向上导向；或者，

所述驱动装置包括带动所述载物平台在竖直方向上移动的电机或气缸；所述导向装置包括与所述载物平台配合的导轨。

7.根据权利要求3-6任一项所述的3D扫描系统，其特征在于，所述3D扫描系统还包括与所述升降装置连接、并控制所述升降装置工作的升降控制模块。

8.一种3D打印系统，包括3D打印机，其特征在于，还包括权利要求7所述的3D扫描系统，所述3D扫描系统与所述3D打印机连接，并且所述3D打印机根据所述3D扫描系统输出的截面图层打印信息进行截面打印。