CN105526913A - 一种基于tof相机的三维扫描系统及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOF相机的三维扫描系统及其扫描方法，以无线模块实现扫描仪和移动终端的无线通信，移动终端控制扫描仪自动扫描，采用TOF深度相机采集物体的三维图像，以云台的三维旋转改变物体相对于相机的姿态，获取物体不同姿态的三维图像，将获取的三维图像上传云端，在云端进行图像拼接，得到物体完整的三维图像。

Description

一种基于TOF相机的三维扫描系统及扫描方法

技术领域

本发明涉及一种三维扫描仪，更特别地说，是指一种基于TOF(TimeOfFlight)相机的无线控制的桌面式三维扫描系统及其扫描方法。

背景技术

三维(3D)扫描仪被用在许多应用中以产生物体的计算机图像或者追踪物体或人的运动。一种获取目标的三维图像的扫描仪采用主动照明,其光源是经过系统调幅之后由LED阵列或激光二极管产生的近红外光。该扫描仪发射出的光线在场景中被物体反射后，被扫描仪的传感器接收,通过检测发射光线和反射光线的相位差获得目标的每个像素点的距离信息,并能同时获取目标的灰度信息。目标所有像素的距离信息、像素点的相互关系以及像素点的灰度信息构成了目标的3D图像。对同一目标物体逐次进行不同角度的拍摄，将拍摄的图像拼接，即可得到目标完整的3D计算机图像。

目前，已经提出多种桌面3D扫描仪以获取静态物体的3D图像。桌面3D扫描仪的成像原理为：物体放在旋转台上，激光照射到物体表面，相机拍照提取物体轮廓，生成点云，拟合成曲面，最终形成三维模型。

虽然现有的桌面扫描仪能够获取小目标静态物体的较为精确的三维图像。但是，由于物体于旋转台上扫描，存在扫描死角，对获取的三维图像拼接之后，三维模型会出现孔洞，影响成像质量。

发明内容

为了克服针对目前三维扫描的三维模型会出现孔洞，影响成像质量的问题，本发明提供一种基于TOF相机的三维扫描系统及扫描方法。

一方面，本发明提供了本发明要解决的技术问题：克服现有技术不足，设计一种全方位扫描的无线控制的桌面3D扫描方法。

一方面，本发明提供一种基于TOF相机的桌面三维扫描方法，步骤如下：

(1)TOF三维扫描系统搭建与标定；

(2)移动终端无线控制与传输；

(3)三维扫描并将数据上传云端拼接。

进一步地，所述步骤(1)中，TOF三维扫描系统搭建与标定方法为：

采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置；

采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定；

使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

进一步地，所述步骤(2)中，移动终端无线控制与传输的置入方法为：

设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄；

在控制系统中加入无线传输模块，具体为使用蓝牙；

在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输；

将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

进一步地，所述步骤(3)中，三维扫描的方法为：

将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据；

使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息；

通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端；

当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

进一步地，所述步骤(3)中，数据上传云端拼接的方法为：

在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端；

扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接；

将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。

本发明还提供一种基于TOF相机的桌面三维扫描系统，包括：

成像与标定单元，其配置为，用于TOF三维扫描系统的搭建与标定；

控制与传输单元，其配置为，用于移动终端无线控制与传输；

扫描与上传单元，其配置为，用于三维扫描并将数据上传云端拼接。

进一步地，所述成像与标定单元包括：

采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置；

采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定；

使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

进一步地，所述控制与传输单元包括：

设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄；

在控制系统中加入无线传输，具体为使用蓝牙；

在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输；

将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

进一步地，所述扫描与上传单元包括：

将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据；

使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息；

通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端；

当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

进一步地，所述扫描与上传单元还包括：

在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端；

扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接；

将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。

本发明中基于TOF相机的三维扫描系统方法，其特点在于特征如下：

(1)搭建三维扫描系统并进行标定，采用TOF深度相机采集物体的三维图像，以云台的三维旋转改变物体相对于相机的姿态，获取物体不同姿态的三维图像。

(2)本发明在扫描仪中置入无线传输模块，实现与移动终端的匹配和通信，使用移动终端控制扫描仪，扫描得到的不同姿态的三维图像数据通过无线模块输入到移动终端。

(3)三维图像数据通过移动终端的互联网上传云端，在云端服务器中对扫描得到的多幅图像完成拼接，最后将拼接的图像储存于用户的云端数据库。

本发明基于时间飞行相机的桌面三维扫描方法的优点在于：

①本发明采用全方位旋转云台，可实现对物体的全方位三维扫描，扫描无死角，拼接后得到的物体的三维图像完整，无孔洞。

②本发明设计的无线传输模块，可实现移动终端对扫描仪的控制和通信，无需计算机辅助即可完成自动扫描。

③本发明采用数据上传云端，在云端对三维图像拼接，拼接高效，同时可极大减少扫描仪端的操作复杂度和数据处理量，使扫描仪轻便、易于操作。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种基于TOF相机的三维扫描系统的结构原理示意图；

图2是一种基于TOF相机的桌面三维扫描系统结构示意框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种基于TOF相机的桌面三维扫描方法的具体步骤如下：

1、搭建TOF三维扫描平台并进行标定。本发明采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置，采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定。使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定。分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

2、设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄。在控制系统中加入无线传输模块，具体为使用蓝牙；在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输。将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

3、将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据。使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息。通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端。当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

4、在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端。扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接。

5、将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

以上是本申请的核心思想，为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

通过以上的方法实施例的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种基于TOF相机的桌面三维扫描系统，包括：

成像与标定单元，其配置为，用于TOF三维扫描系统的搭建与标定；

控制与传输单元，其配置为，用于移动终端无线控制与传输；

扫描与上传单元，其配置为，用于三维扫描并将数据上传云端拼接。

进一步地，所述成像与标定单元包括：

采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置；

采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定；

使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

进一步地，所述控制与传输单元包括：

设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄；

在控制系统中加入无线传输，具体为使用蓝牙；

在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输；

将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

进一步地，所述扫描与上传单元包括：

将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据；

使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息；

通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端；

当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

进一步地，所述扫描与上传单元还包括：

在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端；

扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接；

将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

可以理解的是，本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。。

Claims (10)

1.一种基于TOF相机的桌面三维扫描方法，其特征在于，步骤如下：

(1)TOF三维扫描系统搭建与标定；

(2)移动终端无线控制与传输；

(3)三维扫描并将数据上传云端拼接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，TOF三维扫描系统搭建与标定方法为：

采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置；

采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定；

使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，移动终端无线控制与传输的置入方法为：

设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄；

在控制系统中加入无线传输模块，具体为使用蓝牙；

在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输；

将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，三维扫描的方法为：

将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据；

使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息；

通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端；

当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，数据上传云端拼接的方法为：

在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端；

扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接；

将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。

6.一种基于TOF相机的桌面三维扫描系统，其特征在于，包括：

成像与标定单元，其配置为，用于TOF三维扫描系统的搭建与标定；

控制与传输单元，其配置为，用于移动终端无线控制与传输；

扫描与上传单元，其配置为，用于三维扫描并将数据上传云端拼接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述成像与标定单元包括：

采用TOF相机作为三维扫描系统的三维成像装置；

采用电机控制的2个自由度的三维云台作为物体的载体，TOF相机相对于三维云台的位置固定；

使用基于黑白棋盘格视觉标定方法完成对TOF相机内外参数的标定分别标定三维云台两旋转轴与TOF相机坐标系的相对位置。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述控制与传输单元包括：

设计电路联合控制TOF相机和三维云台，能够同时控制云台旋转和触发相机拍摄；

在控制系统中加入无线传输，具体为使用蓝牙；

在移动终端编写相应的程序，实现与三维扫描仪的匹配，与数据传输；

将三维扫描仪的控制程序置入移动终端程序中，实现移动终端对三维扫描仪的无线控制。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述扫描与上传单元包括：

将物体固定于三维云台上，使用标定后的系统对物体进行三维扫描，并记录数据；

使用移动终端控制电机水平方向旋转，同时控制相机拍摄物体，每隔一定的角度拍摄一次，记录物体的三维图像和旋转平台的状态信息；

通过无线传输模块，将扫描得到的数据传输到移动终端；

当水平旋转360度之后，控制三维云台垂直旋转，同时进行拍摄，直到旋转360度，记录数据。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述扫描与上传单元还包括：

在扫描的同时，移动终端将得到的扫描数据通过无线网络上传云端；

扫描完成后，在云端采用最近迭代算法(ICP)对一次完整扫描的数据进行图像拼接；

将拼接完成得到的物体的完整三维数据图像通过互联网下传到移动终端，或者置于用户的云端空间，在网页上进行三维展示。