CN107560547A - 一种扫描系统及扫描方法 - Google Patents
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Abstract
一种扫描系统，包括前支架和后支架，所述后支架上设有导轨，导轨上架设有扫描仪，扫描仪前侧中间位置设有激光发射器，激光发射器两侧设有至少一对摄像机；所述前支架上设有可前后转动的转轴，转轴上固定有转台，转台上表面具有可圆周转动的转盘，通过激光线投射到被测实物，同时采集图像，进行三维坐标的求解，被测实物的全轮廓三维数据测量通过多轴运动辅助实现。本发明的结构光三维扫描技术是采用计算机视觉的原理，利用非接触三维扫描方式快速获取物体的空间信息，具有高精度、快速处理、抗干扰，自动采集拼接处理等优势，可用于工业、医疗等领域。
Description
技术领域
本发明涉及三维扫描技术领域，特别涉及一种扫描系统及扫描方法。
背景技术
现有的扫描装置一般借用一字与十字激光线构建三维扫描坐标系，之后再生成三维点云，容易受到角度的局限于干扰，需要对同一处物体进行多次扫描，切容易造成失误。而且传统的白光三维扫描仪或者红外三维扫描仪对物体材质要求比较好，不能识别黑色或者多材质的纹理，而且所生成的数据需要进行人工的后处理以实现物体阴模的计算。
现有的手持式的激光三维扫描仪，虽然可以多角度扫描，但是需要复数的人工参与，所导致的是扫描效率与误差比较高。
而传统的搭配转台的三维扫描仪一般采用扫描仪固定，转台带动物体运动的模式进行数据识别，需要对转台的旋转位置及角度做固定，且需要多次扫描识别物体的细节，效率低，扫描数据容易有破洞。
发明内容
本发明要解决现有技术的问题，提供一种扫描系统及扫描方法，。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种扫描系统，包括前支架和后支架，所述后支架,所述后支架上设有导轨，导轨上架设有扫描仪，扫描仪前侧中间位置设有激光发射器，用于投射激光线结构光，激光发射器两侧设有至少一对摄像机，用于采集图像数据；所述前支架上设有可前后转动的转轴，转轴上固定有转台，转台上表面具有可圆周转动的转盘，扫描时，被测实物固定在转盘上。结构光三维扫描的计数原理是将激光或者白光或者蓝(绿)光投射到待测物体的表面，利用阵列相机获取多幅图像，根据多幅图像之间的差别处理计算目标的坐标，获取多个点的空间坐标，生成点云，多幅点云之间的快速拼接构建了三维模型，得到物体的表面轮廓信息。
作为优选，所述前支架和所述后支架之间通过横杆连接。两者的位置固定，可得到一些扫描时需要的数据信息，如物距、像距等。
作为优选，所述摄像机为两对，距离较近的一对摄像机用于采集尺寸较小的被测实物图像数据，距离较远的一对摄像机用于采集尺寸较大的被测实物图像数据。
作为优选，所述转台数量为两个，可同时扫描两个被测实物，并且使用距离较远的一对摄像机。
作为优选，所述转轴数量为两个且由不同的电机驱动，既可以单独扫描，也可以两个同时扫描。并且实现了连续扫描，例如当左侧开始扫描时，右侧做相应准备工作，左侧扫描完成立刻切换到右侧扫描，左侧开始做相应准备工作，如此反复。
一种基于上述扫描系统的扫描方法，包括以下步骤：
(1).将被测实物放置的底部到转台的转盘上并固定；
(2).摄像机采集被测实物图像信息，激光发射器向被测实物发射激光线结构光，计算表面深度信息得到三维坐标；
(3).扫描仪沿导轨左右滑动一定距离后重复步骤(2)，通过连续的滑动连续采集图像信息和计算三维坐标；
(4).启动转台使被测实物旋转一定角度，或者启动转轴使转台及其上的被测实物通过前后旋转一定角度；
(5).重复步骤(2)和步骤(3)；
(6).重复步骤(4)和步骤(5)；
(7).通过多轴运动，对被测实物进行全方位扫描，生成被测实物的全轮廓三维坐标,并构建三维模型；
(8).设定一个直径不小于被测实物最长直径的球体三维模型；
(9).将被测实物的三维数据导入到球体中，一般被测实物最长直径的中点与球心重合，通过负数计算，删除球体中的三维数据部分，计算得到被测实物的反向三维模型，即阴模。
作为优选，所述步骤(2)中计算被测实物三维坐标的具体步骤如下：
(2-1).设被测物体坐标系为OXYZ，相机坐标系为O'X'Y'Z'，O O'上的透镜F，OZ’与XOZ在同一平面，可知ZOZ’的夹角为α，则XOO’的夹角为
(2-2).设被测物体上的一个点P1(X1，Y1，Z1)，P1在相机光敏面上对应的点为P2(X2，Y2)；
(2-3).设X1FO的夹角为θ1，已知物距U、像距V，则：
由此可知X1与X2的对应关系为：
(2-4).设Y1FO的夹角为θ2，X1在O O'上的垂点为M，OM的长度为S，则:
由此可知Y1与Y2的对应关系为：
通过三角形OMX1计算S的长度为：
(2-5).摄像机分辨率为已知，在水平方向上的分辨率为在垂直方向上的分辨率为P2坐标在水平垂直方向上的像素数量分别为i、j,可知P2坐标(X2，Y2)为则：
作为优选，在所述步骤(2)中，如果被测实物尺寸较小，则采用间距较近的一对摄像机采集被测实物图像信息，如果被测实物尺寸较大或者被测实物有两个且分别放置在两个转台上，则采用间距较远的一对摄像机采集被测实物图像信息。
作为优选，在所述步骤(8)中，通过列举算法：
Σmax(r1,r2……rs)＝Rmax,
求取被测实物三维数据的最长半径，球体的半径大于或等于Rmax。
本发明的有益效果在于：1.本发明的结构光三维扫描技术是采用计算机视觉的原理，利用非接触三维扫描方式快速获取物体的空间信息，具有高精度、快速处理、抗干扰，自动采集拼接处理等优势，可经用于工业、医疗等领域。
2.采用多线激光的原理对物体进行三维测量，具有图像易检测、抗干扰、测量分辨率高等优点，多线激光相对于传统的一字与十字激光线而言，携带的信息量大，可以扫描的物体更大，当检测较大面型较大面积的物体是，多线激光的速率更高，而且这种光学系统可广泛适用于不同的复杂情况。具有在三维扫描阶段，利用激光平面属性对每条激光线进行解码，使得每条激光线编码唯一，用以立体匹配图像对中的相同编码激光线进行三维重建。
3.本发明的扫描仪在滑轨上快速的往返运动，针对转动的物体进行数据识别，快速的获取物体数据，效率高且精度保证
4.本发明的系统实现了全自动的激光扫描，避免人工干预，可快速生成三角化的网格数据，通过对空间中每个点的计算进行删除，从而得到阴模
5.本发明运用多线激光可以快速的求取物体细节，高精度的还原模型，光切法的原理保证了求取物体坐标系的准确性，保证了三维扫描的成功性。
附图说明
图1是本发明扫描系统的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图；
图4是本发明扫描方法中被测实物和摄像机的坐标系示意图；
图5是图4中的XOZ平面图；
图6是通过X1求取Y轴坐标的示意图；
图7是图4中的YOO’平面图；
图8是图6中的X1MO三角形平面图。
图中：1、前支架；2、后支架；3、导轨；4、扫描仪；4.1、激光发射器；4.2、摄像机；5、转轴；6、转台；6.1、转盘；7、横杆。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
本发明扫描系统为：如图1-3所示，一种扫描系统，包括前支架1和后支架2，前支架1和后支架2之间通过横杆7连接。在后支架2上设有一呈水平直线的导轨3，导轨3上架设有扫描仪4，扫描仪4前侧中间位置设有激光发射器4.1，激光发射器4.1两侧设有至少一对摄像机4.2，例如两对，扫描仪4可在导轨3上左右滑动。而前支架1上设有可前后转动的转轴5，转轴5上固定有转台6，转台6上表面具有可圆周转动的转盘6.1。
其中，转台6数量为两个，两个转台6固定在一个转轴5上。但是转轴5数量也可以为两个且由不同的电机驱动，转台6分别固定在两个转轴5。
本发明扫描方法为：基于上述扫描系统，包括以下步骤：
(1).将被测实物放置到转台6的转盘6.1上并固定；
(2).摄像机4.2采集被测实物图像信息，激光发射器4.1向被测实物发射激光计算表面深度信息，得到三维坐标；
(3).扫描仪4沿导轨3左右滑动，连续采集图像信息和计算三维坐标；
(4).启动转台6使被测实物旋转一定角度，或者启动转轴5使转台(6)及其上的被测实物通过前后旋转一定角度；
(5).重复步骤(2)和步骤(3)；
(6).重复步骤(4)和步骤(5)；
(7).生成被测实物的全轮廓三维坐标；
(8).设定一个直径不小于被测实物最长直径的球体；
(9).将被测实物的三维数据导入到球体中，一般被测实物最长直径的中点与球心重合，通过负数计算，删除球体中的三维数据部分，计算得到被测实物的反向三维模型。
其中，步骤(2)中计算被测实物三维坐标的具体步骤如下：
(2-1).结合图4所示，设被测物体坐标系为OXYZ，相机坐标系为O'X'Y'Z'，O O'上的透镜F，OZ’与XOZ在同一平面，可知ZOZ’的夹角为α，则XOO’的夹角为
(2-2).设被测物体上的一个点P1(X1，Y1，Z1)，P1在相机光敏面上对应的点为P2(X2，Y2)；
(2-3).结合图5所示，设X1FO的夹角为θ1，已知物距U、像距V，则：
由此可知X1与X2的对应关系为：
(2-4).结合图6和图7所示，设Y1FO的夹角为θ2，X1在O O'上的垂点为M，OM的长度为S，则:
由此可知Y1与Y2的对应关系为：
结合图8所示，通过三角形OMX1计算S的长度为：
(2-5).摄像机(4.2)分辨率为已知，在水平方向上的分辨率为在垂直方向上的分辨率为P2坐标在水平垂直方向上的像素数量分别为i、j,可知P2坐标(X2，Y2)为则：
在所述步骤(2)中，如果被测实物尺寸较小，则采用间距较近的一对摄像机4.2采集被测实物图像信息，如果被测实物尺寸较大或者被测实物有两个且分别放置在两个转台6上，则采用间距较远的一对摄像机4.2采集被测实物图像信息。
其中，步骤(8)中，被测实物最长直径是通过列举算法：
Σmax(r1,r2……rs)＝Rmax,
求取被测实物三维数据的最长半径，得到球体的最短直径。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (9)
1.一种扫描系统，其特征在于：包括前支架(1)和后支架(2)，所述后支架(2)上设有导轨(3)，导轨(3)上架设有扫描仪(4)，扫描仪(4)前侧中间位置设有激光发射器(4.1)，激光发射器(4.1)两侧设有至少一对摄像机(4.2)；
所述前支架(1)上设有可前后转动的转轴(5)，转轴(5)上固定有转台(6)，转台(6)上表面具有可圆周转动的转盘(6.1)。
2.根据权利要求1所述的一种扫描系统，其特征在于：所述前支架(1)和所述后支架(2)之间通过横杆(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种扫描系统，其特征在于：所述摄像机(4.2)为两对。
4.根据权利要求3所述的一种扫描系统，其特征在于：所述转台(6)数量为两个。
5.根据权利要求4所述的一种扫描系统，其特征在于：所述转轴(5)数量为两个且由不同的电机驱动。
6.一种基于上述扫描系统的扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
(1).将被测实物放置到转台(6)的转盘(6.1)上并固定；
(2).摄像机(4.2)采集被测实物图像信息，激光发射器(4.1)向被测实物发射激光计算表面深度信息，得到三维坐标；
(3).扫描仪(4)沿导轨(3)左右滑动，连续采集图像信息和计算三维坐标；
(4).启动转台(6)使被测实物旋转一定角度，或者启动转轴(5)使转台(6)及其上的被测实物通过前后旋转一定角度；
(5).重复步骤(2)和步骤(3)；
(6).重复步骤(4)和步骤(5)；
(7).生成被测实物的全轮廓三维坐标，构建三维模型；
(8).设定一个直径不小于被测实物最长直径的球体；
(9).将被测实物的三维数据导入到球体中，通过负数计算，删除球体中的三维数据部分，计算得到被测实物的反向三维模型。
7.根据权利要求6所述的扫描方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算被测实物三维坐标的具体步骤如下：
(2-1).设被测物体坐标系为OXYZ，相机坐标系为O'X'Y'Z'，O O'上的透镜F，OZ’与XOZ在同一平面，可知ZOZ’的夹角为α，则XOO’的夹角为
(2-2).设被测物体上的一个点P1(X1，Y1，Z1)，P1在相机光敏面上对应的点为P2(X2，Y2)；
(2-3).设X1FO的夹角为θ1，已知物距U、像距V，则：
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(2-5).摄像机(4.2)分辨率为已知，在水平方向上的分辨率为在垂直方向上的分辨率为P2坐标在水平垂直方向上的像素数量分别为i、j,可知P2坐标(X2，Y2)为则：
<mrow>
<msub>
<mi>X</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>U</mi>
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<mo>,</mo>
</mrow>
<mrow>
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<mi>Y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
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<mi>X</mi>
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</mrow>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>*</mo>
<mi>V</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求6所述的扫描方法，其特征在于：所述步骤(2)中，被测实物尺寸较小，则采用间距较近的一对摄像机(4.2)采集被测实物图像信息，被测实物尺寸较大或者被测实物有两个且分别放置在两个转台(6)上，则采用间距较远的一对摄像机(4.2)采集被测实物图像信息。
9.根据权利要求6所述的扫描方法，其特征在于：所述步骤(8)中，通过列举算法：
Σmax(r1,r2……rs)＝Rmax,
求取被测实物三维数据的最长半径。
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