CN106931903A - 一种实时生成模型的手持三维扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时生成模型的手持三维扫描仪，其数据接口用于连接扫描仪与计算机，接收计算机控制指令发送至控制器，控制指令包括相机的曝光时间；接收相机获取的图像数据；相机对称布置有两个；相机用于拍摄物体照片获取图像数据，并发送图像数据至数据接口；控制器用于接收数据接口的控制命令，并发送控制命令至相机及激光器；激光器用于接收控制器的控制指令，向待测物体表面发射波长为700nm的激光线；红色滤光片用于限制入射光。本发明提出的手持式三维扫描仪是一种便携式三维扫描仪，通过手持移动扫描来获取目标表面的三维数据；不仅测量速度较快，而且测量精度高，适合于结构复杂、纹理多样的物体的扫描。

Description

一种实时生成模型的手持三维扫描仪

技术领域

本发明涉及计算机视觉处理，尤其涉及一种实时生成模型的手持三维扫描仪。

背景技术

三维扫描仪(3Dscanner)是一种获取现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)的设备；三维扫描仪采集到的数据常被用来进行三维重建，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型；这些模型可以应用在工业设计、瑕疵检测、逆向工程、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片等领域；

地面激光三维扫描仪采用激光测距原理以获取物体表面点，结构复杂，体积较大，不便携带且造价较高，并且在扫描过程中大都不能随意移动，由于扫描仪位置固定一次扫描的数据有限，不能完全覆盖场景中物体的表面，还需要移动测站多次扫描来获取各个角度的物体表面点云数据，在此基础上对各角度点云进行拼接，对整体模型进行过滤、平滑等后续处理，这就导致了地面激光三维扫描仪不能实时生成可供任意浏览的三维点云模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的地面激光三维扫描仪体积较大、不便携带的问题而提供一种便携式的、通过连接的计算机进行三维建模重构的实时生成模型的手持三维扫描仪。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种实时生成模型的手持三维扫描仪，包括数据接口、相机、控制器、激光器、红色滤光片。

所述数据接口用于连接所述扫描仪与计算机；接收计算机控制指令发送至所述控制器，所述控制指令包括所述相机的曝光时间；接收所述相机获取的图像数据，并将所述控制器的当前状态信息发送至计算机。

所述相机对称布置有两个，所述相机用于拍摄物体照片获取图像数据，并发送所述图像数据至所述数据接口。

所述控制器用于接收所述数据接口的控制命令，并发送控制命令至所述相机、所述激光器。

所述激光器用于接收所述控制器的控制指令，向待测物体表面发射波长为700nm的激光线。

所述红色滤光片设置于所述相机前端，用于限制入射光；仅允许波长范围680～720nm光线通过以进入所述相机。

进一步地，所述扫描仪还包括对称布置的红色LED灯，所述红色LED灯设置于所述红色滤光片前端；所述红色LED灯用于发射波长为700nm的红光以照亮待测物体表面的标志点。

进一步地，所述扫描仪还包括距离指示灯，所述距离指示灯用于通过不同颜色指示所述扫描仪与待测物体的距离。进一步地，所述激光器发射的激光线至少有一线和多线两种模式。

进一步地，所述激光器发射的激光线的多线模式为7线模式。

进一步地，所述扫描仪还包括功能控制按键区，所述功能控制按键区与所述控制器相连接；所述功能控制按键区用于设置所述相机的曝光时间及选择所述激光器发射的激光线的模式。

本发明提出的手持式三维扫描仪是一种便携式三维扫描仪，通过手持移动扫描来获取目标表面的三维数据；本发明手持式三维扫描仪的自定位功能，可以在扫描过程中对扫描对象进行自动配准，极大地提高了测量工作的效率，不仅测量速度较快，而且测量精度较高，非常适合于结构复杂、纹理多样的物体的扫描，其处理帧率能够达到每秒40帧且实时生成均匀点云模型，对已知半径的标准球扫描得到模型计算模型的半径和实际半径相差可达0.02mm内。

附图说明

图1为本发明数据处理流程示意图；

图2为本发明的工作示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明标志点反射光线示意图；

图5为本发明激光器7线发射模式下的图像；

图6为本发明激光器1线发射模式下的图像；

图7为本发明自参照坐标系示意图；

图8为本发明硬件构成中功能控制按键区示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1数据接口；2相机；3控制器；4红色滤光片；5红色LED灯；6距离指示灯；7激光器；8功能控制按键区；8.1功能切换按键；8.2增强按键；8.3减弱按键；8.4电源开关按键。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围；

如图3所示，手持三维扫描仪包括如下结构数据接口1、相机2、控制器3、红色滤光片4、红色LED灯5、距离指示灯6、激光器7、功能控制按键区8。

数据接口1用于将相机曝光时间参数传入相机，将激光器的亮度参数(0～100％)和两种模式(1线、7线)的选取情况传入控制器，将距离指示灯的颜色(红、蓝、绿)显示传入控制器；接收相机获取的图像数据，接收控制器传递的按钮状态信息。

相机2接收用户软件接口传递的相机曝光时间参数，获取图像并实时传输给用户软件接口；开始曝光就触发镜头前的红色LED灯5照亮。

控制器3接收用户软件的控制命令，发送功能按键区的按键状态；根据控制相机开始曝光的时间设定触发相机曝光；控制距离指示灯的显示颜色；控制激光器的亮度和激光发射模式；接收功能按键区的按键状态，并将按键状态信息反馈给用户软件接口；

红色滤光片4波长范围为680～720nm的红光滤光片能够过滤视野场景中除红光外的多余光线，使相机在此滤光片过滤后的成像中标志点和激光线亮度最高，便于快速进行图像处理；

红色LED灯5波长为700nm的红色LED灯能够照亮物体表面的标志点，配合红色滤光片使标志点在图像中的成像清晰明亮。

距离指示灯6根据手持扫描仪扫描过程中与物体的距离显示不同的颜色，红色表示距离较近，蓝色表示距离较远，绿色表示距离适中；扫描的过程中有合适的距离会提高扫描仪的工作效率，距离指示灯便于用户在使用过程中控制扫描仪距离物体的合适距离。计算机接收扫描仪的图像数据计算待测物体与扫描仪之间的距离，与预设的距离进行比较来判断远近，通常距离在320-380mm之间较为合适。

激光器7光源波长为700nm的激光器能够发射两种模式不同亮度的激光线，激光线在物体表面反射明亮的红光，在红色滤光片过滤后成像时清晰明亮，由红色激光线标记的物体表面点相对较少，便于进行图像处理；

功能控制按键区8功能控制按键区便于用户在手持扫描过程中控制用户界面模型显示的视图、相机的曝光时间、激光器的发射模式；具有4个按键，如图8所示，功能切换按键8.1完成两种功能控制模式(用户视图缩放控制、相机曝光时间控制)的切换；在用户视图缩放控制模式下，增强按键8.2能够放大用户界面的视图，减弱按键8.3能够缩小用户界面的视图；在相机曝光时间控制模式下，增强按键和减弱按键分别控制曝光时间的延长和缩短；电源开关按键8.4控制手持扫描电源的开关和激光器发射模式，双击电源开关按键激光器发射模式在1线和7线之间转换。

如图1、图2所示，本发明通过上述结构可通过如下方式进行待测物体三维模型的重建：

图像处理：将获取到的每组图像数据进行处理。左右相机同时获取的两张相片为一组，计算核线影像。核线影像是立体摄影测量中的概念，核线影像上的同名像点在影像像平面坐标系中的y值相等，这个特性使同名像点的搜索空间由像平面缩小到一行像素点，极大地提高了同名像点查找的效率。

三维标志点计算：玻璃微珠材质的标志点能将从各个方向射来的光线反射回原点，如图4所示，右下侧的圆形标志点采用的是目前世界上反光性能最高的反光材料。相机曝光时控制红光LED灯照亮物体表面粘贴的标志点，经滤光片过滤后标志点的成像明亮清晰，如图7所示，利用图像二值化、边缘检测等算法提取出圆形标志点中心的像点坐标。在一组核线影像的左右影像中寻找标志点的同名像点，根据摄影测量中前方交会原理可以由一组同名像点坐标和相机的位置姿态计算出标志点的三维坐标。

三维表面点计算：相机曝光开始时控制器控制激光器打开(1线或7线)，红色激光线打在物体表面，经滤波片过滤后在图像上的成像明亮清晰。利用激光线的线状特征采用图像处理算法，提取激光线中心的像点集合，由于激光线打在物体表面，激光线上的点即为物体表面点。在一组核线影像的左右影像中寻找激光线点集中的所有同名像点，根据摄影测量中前方交会原理可以计算出激光线照亮部分的三维坐标，即物体三维表面点坐标。用激光线标记的物体表面点数量远小于物体表面所有点的信息量，提高了图像处理的效率，能够实时生成表面三维模型。激光器7线模式获取的图像如图5所示，该模式下每次获取的三维表面点较多，生成物体表面模型速度较快。激光器1线模式获取的图像如图6所示，该模式下激光线亮度较亮，能够照亮物体表面细小缝隙，生成物体表面模型更精细。

自参照坐标系下三维标志点生成：由于手持扫描仪扫描时物体和扫描仪都会发生运动，这个运动只发生平移和旋转可视为刚体变换。每个时间点获取影像计算出的三维标志点坐标和三维表面点坐标都在各自的坐标系下，这些点坐标需要统一在一个自参照坐标系下，将模型拼接在一起才能完成完整的物体模型。自参照坐标系如图7所示，两个相机相对位置固定，在双目计算机视觉中将它们各自投影中心的连线称为基线，自参照坐标系以左相机投影中心为坐标系原点，基线方向为X轴，左相机光轴方向为Z轴，垂直X、Z轴的方向为Y轴。相机第一次曝光获取的图像中提取出的三维标志点在自参照坐标系下为固定标志点坐标集Q(q1,q2,…,qn)，之后生成的都需要完成拼接过程才能从各自的坐标系恢复到自参照坐标系下，恢复到自参照坐标系下的位置后的标志点集P’中的点若与点集Q中的标志点位置重合，则综合两个标志点位置坐标计算新的坐标，若在点集Q中没有对应点，则直接加入点集Q中。

三维标志点拼接：将每次生成的三维标志点坐标视为浮动标志点坐标集P(p1,p2,p3,…,pm)，转换到自参照坐标系下的变换关系如公式(1)所示，其中R为旋转矩阵，T为平移向量。旋转矩阵R可表示为公式(2)所示。三维标志点拼接的过程就是寻找浮动标志点集到固定标志点集的平移旋转变换参数，由公式可以看出至少需要寻找3组三维对应标志点才能求解变换参数。

Q＝P×R+T (1)

三维表面点拼接：每个时间点获取影像计算出的三维标志点坐标和三维表面点坐标相对位置固定，都在同一个坐标系下，它们到自参照坐标系的刚体变换是相同的。每次三维标志点拼接过程计算出的刚体变换参数也是三维表面点拼接时的变换参数。

三维表面重建：相机第一次曝光获取的图像中提取出的三维表面点在自参照坐标系下，之后获取的三维表面点需要完成三维表面点拼接的过程才能统一回复到自参照坐标系中，完成三维表面模型的逐步完善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：包括数据接口(1)、相机(2)、控制器(3)、激光器(7)；所述数据接口(1)分别与控制器(3)、相机(2)连接，所述控制器(3)与激光器(7)连接；

所述数据接口(1)还分别与所述扫描仪、计算机连接；所述数据接口(1)接收计算机控制指令后将其发送至所述控制器(3)，所述控制指令包括所述相机(2)的曝光时间；所述数据接口(1)接收所述相机(2)获取的图像数据，并将所述控制器(3)的当前状态信息发送至计算机；

所述相机(2)对称布置有两个，所述相机(2)用于拍摄物体照片获取图像数据，并发送所述图像数据至所述数据接口(1)；

所述控制器(3)用于接收所述数据接口(1)的控制命令，并发送控制命令至所述相机(2)、所述激光器(7)；

所述激光器(7)用于接收所述控制器的控制指令，向待测物体表面发射激光线。

2.根据权利要求1所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述相机(2)前端设置有红色滤光片(4)，所述红色滤光片(4)用于限制入射光；仅允许波长范围680～720nm光线通过以进入所述相机(2)；所述激光器(7)发射的激光波长为700nm。

3.根据权利要求2所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述扫描仪还包括对称布置的红色LED灯(5)，所述红色LED灯(5)设置于所述红色滤光片(4)前端。

4.根据权利要求3所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述扫描仪还包括距离指示灯(6)，所述距离指示灯(6)用于通过不同颜色指示所述扫描仪与待测物体的距离。

5.根据权利要求1-4中任一所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述激光器(7)发射的激光线至少有一线和多线两种模式。

6.根据权利要求5所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述激光器(7)发射的激光线的多线模式为7线模式。

7.根据权利要求6所述的实时生成模型的手持三维扫描仪，其特征在于：所述扫描仪还包括功能控制按键区(8)，所述功能控制按键区(8)与所述控制器(3)相连接；所述功能控制按键区(8)用于设置所述相机(2)的曝光时间及选择所述激光器(7)发射的激光线的模式。