CN107666608B - 全视角三维扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种全视角三维扫描仪，包含第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块以及第五取像模块。第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块与第五取像模块分别用以截取一物体的立体影像，其中第一取像模块具有第一取像面，第二取像模块具有第二取像面，第三取像模块具有第三取像面，第四取像模块具有第四取像面，第五取像模块具有第五取像面，第一取像面、第二取像面、第三取像面、第四取像面与第五取像面组成虚拟三角柱体。

Description

全视角三维扫描仪

技术领域

本发明涉及一种全视角三维扫描仪。

背景技术

三维扫描仪(Three-dimensional Scanner)为用来检测并分析现实世界中物体或环境的形状。具体而言，三维扫描仪会建立物体几何表面的点云(Point Cloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以建立更精确的模型。三维扫描仪类似于照相机，它们的视线范围都呈现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内，两者不同之处在于三维扫描仪测量测得的结果含有深度信息。由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘(Turnable Table)上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。

为了进一步改善三维扫描仪的各项特性，相关领域莫不费尽心思开发。如何能提供一种具有较佳特性的三维扫描仪，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。

发明内容

本发明的一技术形式是于在提供一种全视角三维扫描仪，其具有小体积的特点，同时可以快速地截取物体的全视角立体影像。

根据本发明一实施方式，一种全视角三维扫描仪，包含第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块以及第五取像模块。第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块与第五取像模块分别用以截取一物体的立体影像，其中第一取像模块具有第一取像面，第二取像模块具有第二取像面，第三取像模块具有第三取像面，第四取像模块具有第四取像面，第五取像模块具有第五取像面，第一取像面、第二取像面、第三取像面、第四取像面与第五取像面组成虚拟三角柱体。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块与第五取像模块分别用以截取物体的第一二维影像、第二二维影像、第三二维影像、第四二维影像和第五二维影像与分别对应于第一二维影像、第二二维影像、第三二维影像、第四二维影像和第五二维影像的第一深度信息、第二深度信息、第三深度信息、第四深度信息和第五深度信息。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块与第五取像模块分别用以截取物体的点云(Point Cloud)。

于本发明的一或多个实施方式中，全视角三维扫描仪更包含外壳，其中外壳的形状为长方体，外壳具有顶面、底面与连接顶面与底面的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，第一侧面与第二侧面、第四侧面连接。第一取像模块设置于第一侧面上，第二取像模块设置于第二侧面上，第三取像模块设置于第三侧面上，第四取像模块设置于顶面上，第五取像模块设置于底面上，第四侧面具有开口。

于本发明的一或多个实施方式中，第四取像面与第二侧面之间的夹角角度为60°。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像面与第一侧面之间的夹角角度为30°。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像模块包含第一反射镜与第一取像装置，第一取像装置用以截取第一反射镜所形成的物体的反射立体影像。第二取像模块包含第二反射镜与第二取像装置，第二取像装置用以截取第二反射镜所形成的物体的反射立体影像。第三取像模块包含第三反射镜与第三取像装置，第三取像装置用以截取第三反射镜所形成的物体的反射立体影像。第四取像模块包含第四反射镜与第四取像装置，第四取像装置用以截取第四反射镜所形成的物体的反射立体影像。第五取像模块包含第五反射镜与第五取像装置，第五取像装置用以截取第五反射镜所形成的物体的反射立体影像。

于本发明的一或多个实施方式中，第一反射镜为设置于第一侧面上，第二反射镜为设置于第二侧面上，第三反射镜为设置于第三侧面上，第四反射镜为设置于顶面上，第五反射镜为设置于底面上。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像装置具有第一光轴，第一光轴与第一反射镜之间的夹角的角度为约60°。第二取像装置具有第二光轴，第二光轴与第二反射镜之间的夹角的角度为约60°。第三取像装置具有第三光轴，第三光轴与第三反射镜之间的夹角的角度为约60°。第四取像装置具有第四光轴，第四光轴与第四反射镜之间的夹角的角度为约60°。第五取像装置具有第五光轴，第五光轴与第五反射镜之间的夹角的角度为约60°。

于本发明的一或多个实施方式中，第一取像装置、第二取像装置、第三取像装置、第四取像装置与第五取像装置为结构光源(Structured Lighting)、立体相机(StereoCamera)或光场相机(Light-field Camera)。

本发明上述实施方式通过特殊的光路配置，使第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块以及第五取像模块能在固定不动的情况下截取物体的全视角立体影像，于是全视角三维扫描仪将能快速地截取物体的全视角立体影像。

另外，通过特殊的空间配置，使第一取像模块、第二取像模块、第三取像模块、第四取像模块与第五取像模块分别设置于外壳的五个面上，且正好有一个面(第四侧面)没有设置取像模块，因此正好可以用来设置开口，使物体可以通过开口进出外壳。于是，外壳的内部空间将被有效利用，外壳的尺寸与全视角三维扫描仪的整体体积也就可以尽可能地缩小。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的立体示意图。

图2绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的立体透视示意图。

图3绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的另一立体透视示意图。

图4绘示依照本发明一实施方式的虚拟长方体与虚拟三角柱体的立体透视示意图。

图5绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的上视透视示意图。

图6绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的侧视透视示意图。

图7绘示依照本发明一实施方式的取像模块与物体的取像示意图。

其中，附图标记说明如下：

100：全视角三维扫描仪

110：第一取像模块

111：第一取像面

112：第一反射镜

113：第一取像装置

120：第二取像模块

121：第二取像面

122：第二反射镜

123：第二取像装置

130：第三取像模块

131：第三取像面

132：第三反射镜

133：第三取像装置

140：第四取像模块

141：第四取像面

142：第四反射镜

143：第四取像装置

150：第五取像模块

151：第五取像面

152：第五反射镜

153：第五取像装置

160：外壳

161、301：第一侧面

162、302：第二侧面

163、303：第三侧面

164、304：第四侧面

165、305：顶面

166、306：底面

167：开口

200：虚拟三角柱体

201：截面

300：虚拟长方体

400：取像装置

401：取像面

402：取像装置坐标系原点

601：点

602：物体坐标系原点

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的复数个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单示意的方式绘示之。

图1绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪100的立体示意图。本发明不同实施方式提供一种全视角三维扫描仪100。全视角三维扫描仪100用以快速截取一物体的全视角立体影像。

如图1所绘示，全视角三维扫描仪100包含第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140以及第五取像模块150。第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140与第五取像模块150分别用以截取一物体的立体影像。第一取像模块110具有第一取像面111，第二取像模块120具有第二取像面121，第三取像模块130具有第三取像面131，第四取像模块140具有第四取像面141，第五取像模块150具有第五取像面151，第一取像面111、第二取像面121、第三取像面131、第四取像面141与第五取像面151组成虚拟三角柱体200。物体(未绘示)为设置于虚拟三角柱体200中。

通过前述的光路配置，第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140以及第五取像模块150将能在固定不动的情况下截取物体的全视角立体影像。于是，全视角三维扫描仪100将能快速地截取物体的全视角立体影像。

具体而言，第一取像模块110通过第一取像面111截取物体的立体影像，第二取像模块120通过第二取像面121截取物体的立体影像，第三取像模块130通过第三取像面131截取物体的立体影像，第四取像模块140通过第四取像面141截取物体的立体影像，第五取像模块150通过第五取像面151截取物体的立体影像。由于物体为设置于虚拟三角柱体200中，因此第一取像面111、第二取像面121、第三取像面131、第四取像面141与第五取像面151完全包覆物体，因而使第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140与第五取像模块150所截取的各个立体影像在适当结合后便能形成物体的全视角立体影像。

图2绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪100的立体透视示意图。如图2所绘示，全视角三维扫描仪100还包含外壳160，其中外壳160的形状为长方体，外壳160具有顶面165、底面166与连接顶面165与底面166的第一侧面161、第二侧面162、第三侧面163和第四侧面164。第一侧面161与第二侧面162、第四侧面164连接，且与第三侧面163相对。第二侧面162与第一侧面161、第三侧面163连接，且与第四侧面164相对。第一取像模块110设置于第一侧面161上，第二取像模块120设置于第二侧面162上，第三取像模块130设置于第三侧面163上，第四取像模块140设置于顶面165上，第五取像模块150设置于底面166上，第四侧面164具有开口167。

通过前述的空间配置，第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140与第五取像模块150分别设置于外壳160的五个面上，且正好有一个面(第四侧面164)没有设置取像模块，因此正好可以用来设置开口167，使物体可以通过开口167进出外壳160。于是，外壳160的内部空间将被有效利用，外壳160的尺寸与全视角三维扫描仪100的整体体积也就可以尽可能地缩小。

图3绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪的另一立体透视示意图。如图2与图3所绘示，虚拟长方体300为设置于外壳160中，虚拟三角柱体200为设置于虚拟长方体300中。虚拟长方体300具有顶面305、底面306与连接顶面305与底面306的第一侧面301、第二侧面302、第三侧面303和第四侧面304。第一侧面301与第二侧面302、第四侧面304连接，且与第三侧面303相对。第二侧面302与第一侧面301、第三侧面303连接，且与第四侧面304相对。第一侧面301为设置于第一侧面161上。第三侧面303为设置于第三侧面163上。第二侧面302的四个边为分别设置于第一侧面161、第二侧面162、第三侧面163与底面166上。第四侧面304的四个边为分别设置于第一侧面161、第三侧面163、第四侧面164与顶面165上。顶面305的四个边为分别设置于第一侧面161、第二侧面162、第三侧面163与顶面165上。底面306的四个边为分别设置于第一侧面161、第三侧面163、第四侧面164与底面166上。

图4绘示依照本发明一实施方式的虚拟长方体300与虚拟三角柱体200的立体透视示意图。如第2图与第4图所绘示，第一取像面111、第二取像面121与第三取像面131的形状为矩形，第四取像面141与第五取像面151的形状为三角形。第二取像面121设置于第二侧面302上，且第二取像面121与第二侧面302互相重叠。第四取像面141设置于顶面305上。第五取像面151设置于底面306上。第一取像面111的四个边分别设置于第一侧面161、顶面305、底面306与第四侧面304上。第三取像面131的四个边分别设置于第三侧面163、顶面305、底面306与第四侧面304上。

具体而言，如图2、图3与图4所绘示，第二侧面302与第二侧面162之间的夹角角度为30°。换句话说，第四取像面141与第二侧面162之间的夹角角度为60°。应了解到，以上所举的第二侧面302、第四取像面141与第二侧面162的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第二侧面302、第四取像面141与第二侧面162的具体实施方式。

具体而言，第一取像面111与第一侧面161之间的夹角角度为30°。应了解到，以上所举的第一取像面111与第一侧面161的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第一取像面111与第一侧面161的具体实施方式。

具体而言，第三取像面131与第三侧面163之间的夹角角度为30°。应了解到，以上所举的第三取像面131与第三侧面163的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第三取像面131与第三侧面163的具体实施方式。

图5绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪100的上视透视示意图，其中截面201为对应于图2的截面201。图6绘示依照本发明一实施方式的全视角三维扫描仪100的侧视透视示意图。如图5与图6所绘示，第一取像模块110包含第一反射镜112与第一取像装置113，第一取像装置113用以截取第一反射镜112所形成的物体的反射立体影像。第二取像模块120包含第二反射镜122与第二取像装置123，第二取像装置123用以截取第二反射镜122所形成的物体的反射立体影像。第三取像模块130包含第三反射镜132与第三取像装置133，第三取像装置133用以截取第三反射镜132所形成的物体的反射立体影像。第四取像模块140包含第四反射镜142与第四取像装置143，第四取像装置143用以截取第四反射镜142所形成的物体的反射立体影像。第五取像模块150包含第五反射镜152与第五取像装置153，第五取像装置153用以截取第五反射镜152所形成的物体的反射立体影像。

具体而言，第一反射镜112为设置于第一侧面161上，第二反射镜122为设置于第二侧面162上，第三反射镜132为设置于第三侧面163上，第四反射镜142为设置于顶面165上，第五反射镜152为设置于底面166上。应了解到，以上所举的第一反射镜112、第二反射镜122、第三反射镜132、第四反射镜142、第五反射镜152与外壳160的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第一反射镜112、第二反射镜122、第三反射镜132、第四反射镜142、第五反射镜152与外壳160的具体实施方式。

具体而言，第一取像装置113具有第一光轴114，第一光轴114与第一反射镜112之间的夹角θ₁的角度为约60°。第二取像装置123具有第二光轴124，第二光轴124与第二反射镜122之间的夹角θ₂的角度为约60°。第三取像装置133具有第三光轴134，第三光轴134与第三反射镜132之间的夹角θ₃的角度为约60°。第四取像装置143具有第四光轴144，第四光轴144与第四反射镜142之间的夹角θ₄的角度为约60°。第五取像装置153具有第五光轴154，第五光轴154与第五反射镜152之间的夹角θ_5-的角度为约60°。应了解到，以上所举的第一反射镜112、第一取像装置113、第二反射镜122、第二取像装置123、第三反射镜132、第三取像装置133、第四反射镜142、第四取像装置143、第五反射镜152与第五取像装置153的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择第一反射镜112、第一取像装置113、第二反射镜122、第二取像装置123、第三反射镜132、第三取像装置133、第四反射镜142、第四取像装置143、第五反射镜152与第五取像装置153的具体实施方式。

如图2、图5与图6所绘示，开口167更可延伸设置于顶面165，同时不会被最靠近开口167的取像模块(即第一取像模块110与第二取像模块120)阻挡。

图7绘示依照本发明一实施方式的取像装置400与物体的取像示意图。如图7所绘示，取像装置400用以截取物体的点云(Point Cloud)，点云中的其中一点601绘示于图7中。具体而言，取像装置400截取物体位于取像面401上的二维影像，同时截取对应于此二维影像的深度信息，于是便能得知二维影像中每一点相对于取像面401的深度，因而得知二维影像中每一点(例如点601)相对于取像装置坐标系原点402的坐标。接着，可以将二维影像中每一点相对于取像装置坐标系原点402的坐标转换为相对于物体坐标系原点602的坐标。

具体而言，取像装置400可为第一取像装置113、第二取像装置123、第三取像装置133、第四取像装置143或第五取像装置153。需要注意的是，在图7中并没有绘示反射镜，但是光路系统中有没有设置反射镜基本上不会影响取像装置400截取物体的点云的机制。

在第一取像装置113、第二取像装置123、第三取像装置133、第四取像装置143与第五取像装置153分别得知第一取像面111、第二取像面121、第三取像面131、第四取像面141与第五取像面151上的二维影像中每一点相对于相对应的取像装置坐标系原点402的坐标后，便可以将这些坐标进行坐标转换为相对于物体坐标系原点602的坐标。然后，将所有取得的坐标整合，便能形成物体的全视角立体影像。

具体而言，取像装置400(或者第一取像装置113、第二取像装置123、第三取像装置133、第四取像装置143或第五取像装置153)可为立体相机(Stereo Camera)、光场相机(Light-field Camera)或配备结构光源(Structured Lighting)的摄像装置。应了解到，以上所举的取像装置400的具体实施方式仅为例示，并非用以限制本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，应视实际需要，弹性选择取像装置400的具体实施方式。

本发明上述实施方式通过特殊的光路配置，使第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140以及第五取像模块150能在固定不动的情况下截取物体的全视角立体影像，于是全视角三维扫描仪100将能快速地截取物体的全视角立体影像。

另外，本发明上述实施方式通过特殊的空间配置，使第一取像模块110、第二取像模块120、第三取像模块130、第四取像模块140与第五取像模块150分别设置于外壳160的五个面上，且正好有一个面(第四侧面164)没有设置取像模块，因此正好可以用来设置开口167，使物体可以通过开口167进出外壳160。于是，外壳160的内部空间将被有效利用，外壳160的尺寸与全视角三维扫描仪100的整体体积也就可以尽可能地缩小。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种全视角三维扫描仪，包含：

一第一取像模块、一第二取像模块、一第三取像模块、一第四取像模块与一第五取像模块，分别用以截取一物体的立体影像，其中该第一取像模块具有一第一取像面，一第二取像模块具有一第二取像面，一第三取像模块具有一第三取像面，一第四取像模块具有一第四取像面，一第五取像模块具有一第五取像面，该第一取像面、该第二取像面、该第三取像面、该第四取像面与该第五取像面组成一虚拟三角柱体；

其中该全视角三维扫描仪还包含：

一外壳，其中该外壳的形状为长方体，该外壳具有一顶面、一底面与连接该顶面与该底面的一第一侧面、一第二侧面、一第三侧面和一第四侧面，该第一侧面与该第二侧面、该第四侧面连接，该第一取像模块设置于该第一侧面上，该第二取像模块设置于该第二侧面上，该第三取像模块设置于该第三侧面上，该第四取像模块设置于该顶面上，该第五取像模块设置于该底面上，该第四侧面具有一开口；

其中该第一取像模块包含一第一反射镜与一第一取像装置，该第一取像装置用以截取该第一反射镜所形成的该物体的反射立体影像，该第二取像模块包含一第二反射镜与一第二取像装置，该第二取像装置用以截取该第二反射镜所形成的该物体的反射立体影像，该第三取像模块包含一第三反射镜与一第三取像装置，该第三取像装置用以截取该第三反射镜所形成的该物体的反射立体影像，该第四取像模块包含一第四反射镜与一第四取像装置，该第四取像装置用以截取该第四反射镜所形成的该物体的反射立体影像，该第五取像模块包含一第五反射镜与一第五取像装置，该第五取像装置用以截取该第五反射镜所形成的该物体的反射立体影像；

该第一反射镜为设置于该第一侧面上，该第二反射镜为设置于该第二侧面上，该第三反射镜为设置于该第三侧面上，该第四反射镜为设置于该顶面上，该第五反射镜为设置于该底面上。

2.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像模块、该第二取像模块、该第三取像模块、该第四取像模块与该第五取像模块分别用以截取该物体的一第一二维影像、一第二二维影像、一第三二维影像、一第四二维影像和一第五二维影像与分别对应于该第一二维影像、该第二二维影像、该第三二维影像、该第四二维影像和该第五二维影像的一第一深度信息、一第二深度信息、一第三深度信息、一第四深度信息和一第五深度信息。

3.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像模块、该第二取像模块、该第三取像模块、该第四取像模块与该第五取像模块分别用以截取该物体的点云。

4.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第四取像面与该第二侧面之间的夹角角度为60°。

5.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像面与该第一侧面之间的夹角角度为30°。

6.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像装置具有一第一光轴，该第一光轴与该第一反射镜之间的夹角的角度为60°，该第二取像装置具有一第二光轴，该第二光轴与该第二反射镜之间的夹角的角度为60°，该第三取像装置具有一第三光轴，该第三光轴与该第三反射镜之间的夹角的角度为60°，该第四取像装置具有一第四光轴，该第四光轴与该第四反射镜之间的夹角的角度为60°，该第五取像装置具有一第五光轴，该第五光轴与该第五反射镜之间的夹角的角度为60°。

7.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像装置、该第二取像装置、该第三取像装置、该第四取像装置与该第五取像装置为立体相机。

8.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像装置、该第二取像装置、该第三取像装置、该第四取像装置与该第五取像装置为光场相机。

9.如权利要求1所述的全视角三维扫描仪，其中该第一取像装置、该第二取像装置、该第三取像装置、该第四取像装置与该第五取像装置为配备结构光源的摄像装置。

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