CN108007386A - 基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统，此方法包括下列步骤。利用投影机依序投射具有多个扫描图样的结构光于受测物体，以扫描受测物体。当各扫描图样的结构光分别投射于受测物体时，利用至少一图像获取装置获取受测物体的多个图像，以产生包括上述多个图像的图像组合，并且利用角度检测器量测三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各图像的多个角度量测值。根据上述多个角度量测值，判断上述图像组合的角度变化是否过大。若是，将旗标标示于上述图像组合。当上述图像组合不具有旗标时，根据上述图像组合，产生受测物体的立体信息。本发明可以低成本的方式有效地提升立体扫描的精确度。

Description

基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统

技术领域

本发明涉及一种三维扫描方法及其装置与系统，且尤其涉及一种基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统。

背景技术

在计算机图形学的领域中，针对物体外观轮廓的几何量测技术在现今的应用上，举凡工业设计、逆向工程、制造零件检测、数字文物典藏、文物遗迹考古等均有三维取像与数据分析的需求。

以现有基于时间编码的结构光(time-coded structured light)而言，其可提供相当精细的立体扫描结果。此种扫描方式是利用不同相位移以及空间频率的结构光投射到物体表面，再利用图像获取装置获取因物体表面轮廓而造成变形的结构光的多张图像，以通过图像分析得到物体的完整表面信息。然而，使用者在利用图像获取装置获取图像时，无可避免地会有手震的情况发生，而造成后续图像分析上的错误以及破碎且不连续的立体信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统，其可以低成本的方式有效地提升立体扫描的精确度。

在本发明的一实施例中，前述基于结构光的三维扫描方法适用于具有投影机、至少一个图像获取装置以及角度检测器的三维扫描系统，其中投影机、图像获取装置以及角度检测器设置于同一承载台，而此方法包括下列步骤。利用投影机分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于受测物体，以针对受测物体进行扫描。当各个扫描图样的结构光分别投射于受测物体时，利用图像获取装置获取受测物体的对应于各所述多个扫描图样的多个图像，以产生包括所有所述多个图像的图像组合，并且利用角度检测器量测三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各张图像的多个角度量测值。根据上述图像组合之中的多个图像的多个角度量测值，判断上述图像组合的角度变化是否过大。若是，将旗标标示于上述图像组合。之后，当上述图像组合不具有旗标时，根据上述图像组合，产生受测物体的立体信息。

在本发明的一实施例中，前述基于结构光的三维扫描装置包括投影机、至少一个图像获取装置、角度检测器以及处理器，其中处理器耦接投影机、图像获取装置以及角度检测器，并且投影机、图像获取装置以及角度检测器设置于同一承载台。投影机用以分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于受测物体，以对受测物体进行扫描。当各个扫描图样的结构光分别投射于受测物体，图像获取装置用以获取受测物体的对应于各所述多个扫描图样的多个图像，以产生包括所有所述多个图像的图像组合。角度检测器用以量测三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各个图像的多个角度量测值。处理器用以根据上述图像组合之中的多个图像的多个角度量测值，判断上述图像组合的角度变化是否过大。若是，则将旗标标示于上述图像组合。

在本发明的一实施例中，前述基于结构光的三维扫描系统包括扫描装置以及处理装置，其中扫描装置包括设置于同一承载台的投影机、至少一个图像获取装置以及角度检测器，并且处理装置连接于扫描装置。投影机用以分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于受测物体，以对受测物体进行扫描。当各个扫描图样的结构光分别投射于受测物体时，图像获取装置用以获取受测物体的对应于各所述多个扫描图样的多个图像，以产生包括所有所述多个图像的图像组合。角度检测器用以量测三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各个图像的多个角度量测值。处理装置用以根据各个图像组合之中的多个图像的多个角度量测值，判断上述图像组合的角度变化是否过大。若是，则将旗标标示于上述图像组合，当上述图像组合不具有旗标时，再根据上述图像组合，产生受测物体的立体信息。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明一实施例所示出的三维扫描装置的方块图。

图2为根据本发明的一实施例所示出的三维扫描方法的流程图。

图3为根据本发明的一实施例所示出的扫描图样及其强度分布曲线图。

图4是根据本发明一实施例所示出的三维扫描系统的方块图。

附图标号说明：

100：三维扫描装置；

110、410：投影机；

120、420：图像获取装置；

130、430：角度检测器；

140：处理器；

PT、PT4：承载台；

T：受测物体；

Img1、Img2、Img3：扫描图样；

W1、W2、W3：强度分布曲线；

400：三维扫描系统；

405：扫描装置；

440：处理装置；

S202～S212：三维扫描方法的流程。

具体实施方式

本发明的部分实施例接下来将会配合附图来详细描述，以下的描述所引用的元件标号，当不同附图出现相同的元件标号将视为相同或相似的元件。这些实施例只是本发明的一部分，并未揭示所有本发明的可实施方式。更确切的说，这些实施例只是本发明的权利要求书中的方法、装置以及系统的范例。

图1是根据本发明一实施例所示出的三维扫描装置的方块图，但此仅是为了方便说明，并不用以限制本发明。首先图1先介绍系统中的所有构件以及配置关系，详细功能将配合图2一并揭示。

请参照图1，三维扫描装置100包括投影机110、图像获取装置120、角度检测器130以及处理器140，其中投影机110、图像获取装置120以及角度检测器130设置于同一承载台PT，并且处理器140耦接至投影机110、图像获取装置120以及角度检测器130。三维扫描装置100可针对受测物体T进行扫描，以获得受测物体T的三维数据。

在本实施例中，投影机110用以投射结构光于受测物体T，以对受测物体T进行扫描。投影机110例如是可投射红外线等非可见光的发光装置。投影机110可依设定投射具有特定扫描图样的结构光(例如正弦条纹结构光，但本发明不在此设限扫描图样)，并可调整所投射结构光的频率、相位移、区域大小等等。

在本实施例中，图像获取装置120用以获取受测物体T的图像，其包括镜头以及感光元件。镜头由透镜所构成，而感光元件用以分别感测进入镜头的光线强度，进而分别产生图像。感光元件可以例如是电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)、互补性氧化金属半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)元件或其他元件，本发明不在此设限。

在本实施例中，角度检测器130用以检测承载台PT的倾斜角度，其可以例如是重力传感器、陀螺仪传感器、倾斜传感器等用以量测角度的传感器或是集成电路，本发明不在此设限。在以下的说明当中，承载台PT的倾斜角度将视为三维扫描装置100的倾斜角度。

在本实施例中，处理器140耦接至投影机110、图像获取装置120、角度检测器130，其可以例如是中央处理单元(central processing unit，CPU)，或是其他可编程的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、可编程控制器、特殊应用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，ASIC)、可编程逻辑装置

(programmable logic device，PLD)或其他类似装置或这些装置的组合。

本领域具通常知识者应明了，三维扫描装置100还包括可耦接至投影机110、图像获取装置120、角度检测器130以及处理器140的数据储存装置(未示出)，用以储存图像以及数据。数据储存装置可以例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、闪存存储器(flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合。

以下即搭配图1的三维扫描装置100的各元件列举实施例，以说明三维扫描装置100针对受测物体T进行三维扫描方法的详细步骤。

图2为根据本发明的一实施例所示出的三维扫描方法的流程图。

请同时参照图1以及图2，投影机110将分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于受测物体T，以扫描受测物体T(步骤S202)。当各个扫描图样的结构光分别投射于受测物体T的同时，图像获取装置120将获取受测物体T的图像，以产生包括所有对应于各个扫描图样的多个图像的图像组合(步骤S204)，并且角度检测器130将量测三维扫描装置100的倾斜角度，以产生对应于各张图像的多个角度量测值(步骤S206)。详细来说，当投影机110分别依序投射不同扫描图样的结构光于受测物体T时，图像获取装置120将一面地获取受测物体T的对应图像，并且角度检测器130将一面地量测承载台PT的对应倾斜角度。换句话说，角度检测器130将量测图像获取装置120获取每张图像时，承载台PT当下的倾斜角度。

在本实施例中，各个扫描图样具有特定空间频率以及相位移。图像获取装置120将针对投射于受测物体T的各个扫描图样进行图像获取，而所获取到的多个图像将构成一个图像组合。

具体来说，投影机110所投射的扫描图样可以为皆具有第一频率且分别具有三种相位移(例如-θ、0以及θ)的三种扫描图样以及皆具有第二频率且分别具有三种相位移(例如-ψ、0以及ψ)的另外三种扫描图样，其中第一频率与第二频率不相同，而θ与ψ可以为相同数值。以图3根据本发明的一实施例所示出的扫描图样以其强度分布曲线图为例，扫描图样Img1、扫描图样Img2以及扫描图样Img3具有第一频率且分别具有相位移-θ、0以及θ，其中θ为120°。W1、W2以及W3则是分别为扫描图样Img1、扫描图样Img2以及扫描图样Img3于水平像素x上的强度值I的强度分布曲线。

当投影机110以具有第一频率以及相位移-θ的结构光(即扫描图样Img1)于受测物体T时，图像获取装置120将获取到第一图像，并且角度检测器130所量测到的倾斜角度具有第一角度量测值。当投影机110以具有第一频率以及相位移0的结构光(即扫描图样Img2)于受测物体T时，图像获取装置120将获取到第二图像，并且角度检测器130所量测到的倾斜角度具有第二角度量测值。当投影机110以具有第一频率以及相位移θ的结构光(即扫描图样Img3)投射于受测物体T时，图像获取装置120将获取到第三图像，并且角度检测器130所量测到的倾斜角度具有第三角度量测值。

类似地，当投影机110以具有第二频率以及相位移分别为-ψ、0以及ψ的各扫描图样的结构光投射于受测物体T时，图像获取装置120将分别获取到第四图像、第五图像以及第六图像，并且角度检测器130所量测到的倾斜角度将分别具有第四角度量测值、第五角度量测值以及第六角度量测值。在此，第一图像、第二图像、第三图像、第四图像、第五图像以及第六图像将构成一个图像组合。

在另一实施例中，三维扫描装置100也可包括两个以上的图像获取装置120来获取受测物体的图像。

请再回到图2，处理器140将根据上述图像组合中的多个图像的多个角度量测值，判断上述图像组合的角度变化是否过大(步骤S208)。若是，则处理器140会将旗标标示于上述图像组合(步骤S210)。详言之，处理器140判断图像组合之中所有图像的角度量测值之间的彼此差异是否大于角度差异上限值，以判定上述图像组合的角度变化是否过大。若是，处理器140会以旗标的方式标示此图像组合。

在一实施例中，处理器140可以例如是比对图像组合之中两两图像间的角度差异值是否大于角度差异上限值。若存在任两图像间的角度差异值大于角度差异上限值时，处理器140则会判定上述图像组合的角度变化过大。以前述图像组合为例，假设第一图像与第二图像的角度差异值过大，则处理器140会将旗标标示于此图像组合。

在另一实施例中，处理器140可以是将上述图像组合的其中一张图像所对应的角度量测值做为角度基准值，并且判断其它图像的角度量测值与角度基准值的差异是否大于角度差异上限值。若是有任一图像的角度量测值与角度基准值的差异大于角度差异上限值时，处理器140则会判定上述图像组合的角度变化过大。同样地以前述图像组合为例，处理器140可以是先设定其角度基准值为第一图像所对应的第一角度量测值，再判断其它图像所对应的角度量测值分别与第一角度量测值的差异是否大于角度差异上限值。若有其中一者是，则处理器140会将旗标标示于此图像组合。

在一实施例中，由于具有旗标的图像组合为不可靠，因此处理器140将对该图像组合进行删除。在另一实施例中，三维扫描装置100可以额外地设置指示装置，而当处理器140判定图像组合具有旗标时，也代表承载台PT可能因使用者手震而造成不稳定的情况，因此会利用指示装置发出警示信号，以提示使用者应保持承载台PT(即三维扫描装置100)的稳定。使用者可重新针对受测物体进行扫描、图像获取以及角度量测(即，回到步骤S202)，以重新产生新的图像组合。此警示信号可以是文字、声响、灯光等，本发明不在设限。

最后，处理器140将根据上述图像组合，产生受测物体T的立体信息(步骤S212)。详言之，处理器140在完成旗标的标示后，可利用不具有旗标的图像组合中的多个图像，计算出受测物体T的深度信息。除此之外，三维扫描装置100可针对受测物体T的其它不同区域执行步骤S202～S210，并且根据受测物体T的所有不同区域的深度信息，产生多个三角网格(triangular mesh)，从而拼接成受测物体T的完整三维模型。由于现今计算机图形学的领域中已存在多种深度信息以及三角网格化(triangulation)的演算方法，于此不再赘述。

必须说明的是，在一实施例中，基于步骤S212的运算量过大，当处理器140完成旗标的标示时，可将图像组合传送至具有运算功能且效能较高的电子装置。此外，在另一实施例中，更可由例如是图4根据本发明一实施例所示出的具有扫描装置以及处理装置的三维扫描系统来完成类似于步骤S202～S212的方法流程。

请参照图4，三维扫描系统400包括扫描装置405以及处理装置440，其中扫描装置405与处理装置440可以是以有线或无线的方式相互连接，以传送数据。

扫描装置405包括设置于同一承载台PT4的投影机410、图像获取装置420、角度检测器430，其功能分别类似于图1的投影机110、图像获取装置120、角度检测器130，相关描述请参照前述段落的相关说明，于此不再赘述。本领域具通常知识者应明了，扫描装置405可包括控制器或控制电路以控制各元件的作动以及数据储存装置以储存扫描图样、图像获取装置420所获取的图像以及角度检测器430所量测的角度。此外，在一实施例中，图像获取装置420的数量更可以是两个以上。

处理装置440可以是电脑、平板电脑、智能手机等具有运算功能的电子装置，其用以接收图像获取装置420所获取的图像以及角度检测器430所量测的角度，以执行步骤S208～S212的判断与运算，从而降低扫描装置405的运算量以及功耗。

综上所述，本发明所提出基于结构光的三维扫描方法及其装置与系统，其利用额外增设的角度检测器所量测的角度来做为建构受测物体的三维模型或是警示使用者手持状态的依据，以低成本且有效的方式提升立体扫描的精确度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种基于结构光的三维扫描方法，其特征在于，适用于具有投影机、至少一图像获取装置以及角度检测器的三维扫描系统，其中所述投影机、所述至少一图像获取装置以及所述角度检测器设置于同一承载台，所述方法包括下列步骤：

利用所述投影机分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于所述受测物体，以扫描所述受测物体；

当各所述多个扫描图样的所述结构光分别投射于所述受测物体时，利用所述至少一图像获取装置获取所述受测物体的对应于各所述多个扫描图样的多个图像，以产生包括所述多个图像的图像组合，并且利用所述角度检测器量测所述三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各所述多个图像的多个角度量测值；以及

根据所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值，判断所述图像组合的角度变化是否过大，若是，则标示旗标于所述图像组合；

其中，当所述图像组合不具有所述旗标时，根据所述图像组合，产生所述受测物体的立体信息。

2.根据权利要求1所述的三维扫描方法，其特征在于，根据所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值，判断所述图像组合的所述角度变化是否过大的步骤包括：

判断所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值之间的彼此差异是否大于角度差异上限值；以及

若是，判定所述图像组合的所述角度变化过大。

3.根据权利要求1所述的三维扫描方法，其特征在于，根据所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值，判断所述图像组合的所述角度变化是否过大的步骤包括：

设定所述图像组合之中的任一图像所对应的所述角度量测值为角度基准值；

判断所述图像组合中的任一其它图像的所述角度量测值与所述角度基准值的差异是否大于角度差异上限值；以及

若是，判定所述图像组合的所述角度变化过大。

4.根据权利要求1所述的三维扫描方法，其特征在于，所述三维扫描系统还包括指示装置，当所述图像组合具有所述旗标时，所述方法还包括：

利用所述指示装置发出警示信号，以提示保持所述承载台的稳定。

5.根据权利要求1所述的三维扫描方法，当所述图像组合具有所述旗标时，所述方法还包括：

删除所述图像组合。

6.根据权利要求1所述的三维扫描方法，其特征在于，当所述至少一图像获取装置为一时，所述多个扫描图样至少具有第一频率以及第二频率，且各所述扫描图样分别具有三种不同相位移其中之一。

7.一种基于结构光的三维扫描装置，其特征在于，包括：

投影机，分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于所述受测物体，以扫描所述受测物体；

至少一图像获取装置，当各所述扫描图样的所述结构光分别投射于所述受测物体时，获取所述受测物体的对应于各所述扫描图样的多个图像，以产生包括所述多个图像的图像组合；

角度检测器，量测所述三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各所述多个图像的多个角度量测值，其中所述角度检测器、所述投影机以及所述至少一图像获取装置设置于同一承载台；以及

处理器，耦接所述投影机、所述至少一图像获取装置以及所述角度检测器，根据所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值，判断所述图像组合的角度变化是否过大，若是，则标示旗标于所述图像组合。

8.根据权利要求7所述的三维扫描装置，其特征在于，当所述图像组合不具有所述旗标时，所述处理器还根据所述图像组合，产生所述受测物体的立体信息。

9.根据权利要求7所述的三维扫描装置，其特征在于，还包括：

指示装置，其中当所述图像组合具有所述旗标时，所述指示装置发出警示信号，以提示保持所述三维扫描装置的稳定。

10.根据权利要求8所述的三维扫描装置，其特征在于，当所述图像组合具有所述旗标时，所述处理器更删除所述图像组合。

11.一种基于结构光的三维扫描系统，其特征在于，包括：

扫描装置，包括：

投影机，分别依序投射具有多个扫描图样的结构光于所述受测物体，以扫描所述受测物体；

至少一图像获取装置，当各所述扫描图样的所述结构光分别投射于所述受测物体时，获取所述受测物体的对应于各所述扫描图样的多个图像，以产生包括所述多个图像的图像组合；以及

角度检测器，量测所述三维扫描系统的倾斜角度，以产生对应于各所述多个图像的多个角度量测值，其中所述角度检测器、所述投影机以及所述图像获取装置设置于同一承载台；以及

处理装置，连接于所述扫描装置，根据所述图像组合之中的所述多个图像的所述多个角度量测值，判断所述图像组合的角度变化是否过大，若是，则标示旗标于所述图像组合，其中，当所述图像组合不具有所述旗标时，根据所述图像组合，产生所述受测物体的立体信息。

12.根据权利要求11所述的三维扫描系统，其特征在于，还包括：

指示装置，连接于所述处理装置，当所述图像组合具有所述旗标时，所述指示装置发出警示信号，以提示保持所述扫描装置的稳定。

13.根据权利要求11所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述图像组合具有所述旗标时，所述处理装置更删除所述图像组合。