CN105277140A - 一种基于激光三维扫描的便携式智能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光三维扫描的便携式智能设备，利用智能手机或智能平板作为软、硬件资源平台，通过增加激光三维扫描模块和扫描应用程序，并配合一定的操作步骤，可以快捷、准确地获得待扫描实物的三维数据。所述的激光三维扫描模块由半导体激光器和数码摄像头组成，半导体激光器的类型可以是点或线形光束，用来作为投射激光光束的光束发射器，数码摄像头由光学镜头、CCD或CMOS图像传感器组成，用来作为同步采集待扫描实物轮廓与投射激光光束相交产生的激光条纹的图像接收器。所述的扫描应用程序主要作用是实现对激光扫描硬件资源的控制、光学图像的同步采集、图像处理、点云数据的生成、三维重构和后处理。

Description

一种基于激光三维扫描的便携式智能设备

技术领域

本发明涉及一种便携式智能设备,特别是涉及一种能够获取实物三维数据的便携式智能设备。

技术背景

当前，随着信息化和智能制造的不断发展以及万众创新、私人定制时代的来临，三维数据在整个国民经济活动中的地位将越来越重要，其应用也将会变得越来越普遍。同时，随着手机、平板等便携式智能终端设备的普及，使得人们获取外界信息的方式和种类越来越多样化和快捷。

有鉴于此，快捷和准确地获取实物三维数据的功能将会成为未来便携式智能设备的标配功能，此功能也将会是用户日常频繁使用的功能，如同目前便携式智能设备所常用的标配功能:录制声音、拍摄照片和视频、定位地理位置等功能。

发明人发现当前现有技术至少存在以下问题：

现有的便携式智能设备能获取诸如：音频、图像、视频、加速度和地理位置等外界信息,尚不能低成本、快捷、准确地获取实物的三维数据，同时目前工业、医疗、娱乐业所应用的专业级激光三维扫描仪体积和外设过大、价格高昂，不便于普通用户随身携带和大面积推广使用。

发明内容

为了解决现有技术中普通便携式智能设备尚无法获取实物三维数据的功能，本发明公开了一种基于激光三维扫描的便携式智能设备，此智能设备可以快捷、准确地获取实物的三维数据，以供后续的浏览、编辑、分析、共享和制造。

本发明的目的是利用现有智能手机或智能平板作为软、硬件资源平台，通过增加激光三维扫描模块和扫描应用程序，并配合一定的操作步骤实时获取实物的三维数据。具体的方案如下：

所述的激光三维扫描模块由数码摄像头和半导体激光器组成，用于实现投射扫描的激光光束和同步采集光学图像数据。所述的数码摄像头光轴与所述的半导体激光器投射轴线成一定角度，在一定范围内同步采集实物轮廓与投射激光光束相交产生的激光条纹的图像数据。

所述的数码摄像头由光学镜头、CCD或CMOS图像传感器组成，用来作为同步采集光学图像数据的接收器。所述的数码摄像头内置于便携式智能设备，数量至少1个。所述的数码摄像头的标定、校正、初始化以及拍摄控制由便携式智能设备软、硬件平台提供支持和控制。

所述的半导体激光器的类型可以是点或线形光束，线形光束可以是“一”字形、“十字”形、多平行线形或网格形，用来作为投射激光光束的发射器。所述的半导体激光器可以内置也可以外置于便携式智能设备，数量至少1个。所述的内置半导体激光器由便携式智能设备提供支持和控制，所述的外置半导体激光器由外部独立提供支持和控制。

所述的扫描应用程序主要作用是实现对激光扫描硬件资源的控制、光学图像的同步采集、图像处理、点云数据的生成、三维重构和后处理等。

为了完整获取实物的三维数据需要改变便携式智能设备和实物的相对空间位置，然后将在多个不同相对空间位置所获取的局部区域内的三维点云数据拼接并统一到同一个总体坐标系下，从而得到整个实物的三维数据。

本发明所述的点云数据拼接方式可采用两种方式：一种是利用随机分布于实物上的多个定位参考点进行自定位数据拼接；另一种是利用附加多自由度数控工作台进行辅助定位数据拼接。

所述的定位参考点满足以下规则：每一幅在不同位置采集到的光学图像中至少有三个公共的并且被有效识别的定位参考点；所述的三个公共的并且被有效识别的定位参考点不能在同一条直线上；定位参考点的总数量按照实物的复杂程度确定，参考点的位置是随机的。

所述的附加多自由度数控工作台用于实现工作台及其上的实物关于三个平移自由度和三个旋转自由度其中若干个自由度的运动和位置控制。

进一步的，针对所述的自定位激光三维扫描，所述的扫描应用程序主要具有以下功能：1.数码摄像头或半导体激光器的控制；2.图像数据的同步采集；3.图像数据的处理；4.点云数据的生成；5.三维重构、浏览、编辑和共享等后续处理。

进一步的，针对所述的附加多自由度数控工作台进行辅助空间定位的激光三维扫描，所述的扫描应用程序主要具有以下功能：1.数码摄像头、多自由度数控工作台或半导体激光器的控制；2.图像数据的同步采集；3.图像数据的处理；4.点云数据的生成；5.三维重构、浏览、编辑和共享等后续处理。

所述的图像数据的处理和点云数据的生成指的是采用机器视觉图像处理技术和视觉三角法测量原理对所采集到的图像数据进行在线或离线的滤波、阈值分割、激光条纹细化、定位参考点匹配、多个数码摄像头特征点的数据拟合、点云数据的坐标转换和生成。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明实现的技术方案和实施例，下面对技术方案或实施例描述中所需要使用的附图作介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些技术方案和实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1为一种激光三维扫描模块硬件构成示意图；

图2为一种自定位激光三维扫描便携式智能设备的工作原理框图；

图3为一种自定位激光三维扫描便携式智能设备的示意图；

图4为一种自定位激光三维扫描便携式智能设备的示意图；

图5为一种自定位激光三维扫描便携式智能设备的扫描过程示意图；

图6为一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备的工作原理框图；

图7为一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备的示意图；

图8为一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备的示意图；

图9为一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备的扫描过程示意图；

图10为一种内置数码摄像头、外置半导体激光器的激光三维扫描便携式智能设备的示意图。

其中：100-便携式智能设备本体，101-数码摄像头1，102-数码摄像头2，103-半导体激光器，104-相交激光条纹，105-定位参考点，106-实物，107-多自由度数控工作台。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术方案、创作特征和目的能够更加清楚、完整，以下结合附图进行进一步的阐述。显然，所阐述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下，基于本发明中的实施例所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种激光三维扫描模块，其硬件构成示意图如图1所示，包括：半导体激光器和数码摄像头。半导体激光器产生用于投射的激光光束，投射的激光光束和实物的实体轮廓形成相交激光条纹104，数码摄像头用于同步采集所形成的相交激光条纹104的图像信息。

本发明公开了一种自定位激光三维扫描便携式智能设备，如图3所示，包括：便携式智能设备本体100、数码摄像头一101、数码摄像头二102、半导体激光器103、定位参考点105。由扫描应用程序通过硬件支持电路实现数码摄像头和半导体激光器的控制，用户可以通过在一定范围内任意移动实物106或自定位激光三维扫描便携式智能设备100的相对空间位置完成整个实物的扫描。工作原理框图如图2所示，扫描过程如图5所示。具体工作原理和扫描过程如下所述：1)在实物106上粘贴若干个定位参考点105，其制作应满足易于数码摄像头捕捉、辨识和便于扫描应用程序处理，并保证在数码摄像头的每个视域内至少有三个以上的公共定位参考点105，且不在同一条直线上；2)放置好实物106后，开启并运行便携式智能设备的操作系统，启动扫描应用程序，完成开机自检和设备初始化；3)通过扫描程序开启半导体激光器103，得到能够清晰投射到实物106的激光光束，并与实物106相交形成相交激光条纹104；4)开启数码摄像头一101和数码摄像头二102，同步采集相交激光条纹104的图像数据，并配合移动便携式智能设备100或实物106以完成整个实物的图像数据采集；5)对采集到的图像数据进行处理，得到三维模型的点云数据；6)进行三维模型点云数据的后续处理，包括三维重构、浏览、编辑和共享等。

本发明公开了一种自定位激光三维扫描便携式智能设备，如图4所示。其与图3所示主要差别在于两者的数码摄像头和半导体激光器布置方式不同，其余相同。

本发明公开了一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备如图7所示，与自定位激光三维扫描便携式智能设备相比在硬件上减少了定位参考点105，增加了多自由度数控工作台107。便携式智能设备100与多自由度数控工作台107的数据通信方式可采用有线或无线的方式，由伺服马达驱动传动机构并配合位移光栅实现工作台的闭环控制和运动。通过控制多自由度数控工作台107带动实物106产生相对便携式智能设备本体100的移动，从而实现整个实物106的扫描。工作原理框图如图6所示，扫描过程如图9所示。具体工作原理和扫描过程如下所述：1)将实物106装夹到多自由度数控工作台107合适位置上；2)根据设备100的具体扫描特性，调整好实物106与设备100相对位置后，固定设备100，并保持在整个扫描过程中位置不变；3)通过扫描程序开启半导体激光器103，得到能够清晰投射到实物106的激光光束，并与实物106相交形成相交激光条纹104；4)驱动多自由度数控工作台107带动实物106相对便携式智能设备100运动；5)开启数码摄像头一101和数码摄像头二102，同步采集相交激光条纹104的图像数据，直至完成整个实物的图像数据采集；6)对采集到的图像数据进行处理，得到三维模型的点云数据；7)进行三维模型点云数据的后续处理，包括三维重构、浏览、编辑和共享等。

本发明公开了一种附加多自由度数控工作台进行辅助定位的激光三维扫描便携式智能设备，如图8所示。其与图7所示主要差别在于两者的数码摄像头和半导体激光器布置方式不同，其余相同。

本发明公开了一种数码摄像头内置、半导体激光器外置的激光三维扫描便携式智能设备，如图10所示。数码摄像头一101和数码摄像头二102内置于便携式智能设备100，半导体激光器103外置于便携式智能设备100，半导体激光器103由外部控制激光器的开关、激光线宽的调节和运动扫描。其与图3、4、7和8的主要区别在于图10所示半导体激光器103外置于便携式智能设备100，由外部独立提供支持和控制。

Claims (8)

1.一种基于激光三维扫描的便携式智能设备，其特征在于，包括：激光三维扫描模块、扫描应用程序和便携式智能设备本体，其中：所述的激光三维扫描模块由数码摄像头和半导体激光器组成；所述的扫描应用程序控制激光扫描硬件资源、同步采集光学图像、处理图像、生成点云数据、重构三维模型和后处理；所述的便携式智能设备本体是作为软、硬件资源平台的智能手机或智能平板。

2.根据权利要求1所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的数码摄像头由光学镜头、CCD或CMOS图像传感器组成。

3.根据权利要求2所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的数码摄像头内置于便携式智能设备，数量至少1个。

4.根据权利要求1所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的半导体激光器的类型可以是点或线形光束，所述的线形光束可以是“一”字形、“十字”形、多平行线形或网格形。

5.根据权利要求4所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的半导体激光器可以内置或外置于便携式智能设备，数量至少1个，所述的内置半导体激光器由便携式智能设备提供支持和控制，所述的外置半导体激光器由外部提供支持和控制。

6.根据权利要求1所述的便携式智能设备，其特征在于，利用随机定位参考点进行自定位或利用附加多自由度数控工作台进行辅助定位。

7.根据权利要求6所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的定位参考点满足以下规则：每一幅在不同位置采集到的光学图像中至少有三个公共的并且被有效识别的定位参考点；所述的三个公共的并且被有效识别的定位参考点不能在同一条直线上。

8.根据权利要求6所述的便携式智能设备，其特征在于，所述的多自由度数控工作台能够实现关于三个平移自由度和三个旋转自由度其中若干个自由度的运动和位置控制，与所述的便携式智能设备的数据通信方式采用有线或无线的方式。