CN109141289A - 三维扫描方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维扫描系统，用于获取物体的三维数据，包括：投射器用于投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征。扫描仪包括投影模块用于发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体表面，所述第一波段与所述第二波段互不干扰；第一采集模块用于采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据；第二采集模块用于采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。本发明提供三维扫描系统采集所述第一波段的特征图像和所述第二波段反射的扫描光线之间不易发生干扰，使采集的三维数据更加精准。

Description

三维扫描方法和系统

技术领域

本发明涉及三维数字化领域，特别是涉及一种三维扫描方法和系统。

背景技术

目前三维扫描的方式需要人工进行贴点，在被测物体表面粘贴标志点或特征，用摄影测量的进行标志点的拍摄和其三维数据获取；之后将标志点或者特征三维数据导入，用扫描仪围绕着被测物体利用标志点或者特征进行拼接扫描，扫描完毕后需要人工清除贴点，浪费时间和人力。

发明内容

基于此，有必要针对人工贴点获取特征数据存在费时费力的问题，提供一种三维扫描方法和系统。

一种三维扫描系统，用于获取物体的三维数据，所述的三维扫描系统包括：

投射器，用于投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征；

扫描仪，包括投影模块、对应于所述投射器的第一采集模块以及对应于所述投影模块的第二采集模块，所述投影模块用于发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体表面，所述第一波段与所述第二波段互不干扰，所述第一采集模块用于采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据，所述第二采集模块用于采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。

在其中一个实施例中，所述第一采集模块和所述第二采集模块同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据。

在其中一个实施例中，所述第一采集模块与第二采集模块同步采集的范围至少部分重叠。

在其中一个实施例中，所述系统包括控制器，所述控制器与所述扫描仪通信连接，用于根据所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据建立所述被扫描物体的三维模型。

在其中一个实施例中，所述系统包括控制器，所述控制器与所述投射器通信连接，所述控制器依据扫描需求控制所述投射器投射对应的特征图像。

在其中一个实施例中，所述三维扫描系统还包括对应于所述投射器的固定装置，所述固定装置将对应的所述投射器固定于所述被扫描物体周围的预定位置。

一种三维扫描方法，用于获得被扫描物体的三维数据，包括：

投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征；

发射第二波段的扫描光线波段至所述被扫描物体表面，所述第二波段与所述第一波段不同；

采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据；

采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。

在其中一个实施例中，所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据同步采集，同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据，根据多片所述单片数据建立所述被扫描物体的三维模型。

在其中一个实施例中，所述方法包括：

通过多片所述单片数据之间公共的关键特征进行刚体变换，通过拼接残差并进行非线性最小二乘法迭代优化，完成全局优化的高精度化，减小多片所述单片数据的累计误差。

在其中一个实施例中，所述方法进一步包括：

所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据之间通过ICP算法联合加权优化。

在其中一个实施例中，所述方法包括：

将优化后的多片所述单片数据通过Fusion算法融合为整体点云，通过三角化将所述整体点云转化为整体面片。

本发明提供三维扫描系统投射第一波段的特征图像至被扫描物体，发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体表面，所述第一波段与所述第二波段互不干扰，采集所述第一波段的特征图像和所述第二波段反射的扫描光线之间不易发生干扰，使采集的三维数据更加精准。

附图说明

图1为本发明一实施例中三维扫描系统的示意图；

图2为一个实施例中三维扫描系统的应用环境图；

图3为另一个实施例中三维扫描系统的应用环境图；

图4为本发明一实施例中三维扫描方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，图1为本发明一实施例三维扫描系统示意图。

所述三维扫描系统包括：投射器10、扫描仪20以及控制器30。

所述投射器10用于投射第一波段的特征图像至被扫描物体60，所述特征图像包括多个关键特征。

可选地，所述投射器10用于投射第一波段的特征图像至被扫描物体60。具体的，所述第一波段可以为可见光波段和不可见光波段中的任意一种。在一个实施例中，所述第一波段为不可见光波段。优选的，所述第一波段为不可见光波段中的815～845nm波段。更进一步，所述第一波段的特征图像采用特定的波长，所述波长为830nm。

所述三维扫描系统还包括对应于所述投射器10的固定装置40。可选地，固定装置40将对应的所述投射器10固定于所述被扫描物体60周围的预定位置。具体地，所述固定装置40能够将对应的所述投射器10固定于墙体、支架或其他物体的任意合适位置处，只需所述投射器10可将第一波段的特征图像投射至所述被扫描物体60即可。所述固定装置40能够稳定所述投射器10，避免所述投射器10的抖动，使所述投射器10投射的第一波段的特征图像更加精确，进而提升扫描精度。

请一并参阅图2、3，可选地，所述投射器10的数量为多个，多个所述投射器10按照预定方式间隔排列设置。在一个实施例中，如图2所示，所述投射器10沿空间的弧线围绕被扫描物体60设置。可以理解，所述投射器10也可以分布于空间的球面。在另一个实施例中，如图3所示，所述投射器10沿空间三维直角坐标系的不同坐标位置分布在所述被扫描物体60周围。当然，所述投射器的数量也可以仅为一个，只要确保被扫描物体的待扫描区能够被投射器的投射区覆盖即可。

在一个实施例中，多个所述投射器10投射第一波段的特征图像由一个所述扫描仪20进行采集。

所述扫描仪20包括投影模块230、对应于所述投射器10的第一采集模块210以及对应于所述投影模块的第二采集模块220。

所述投影模块230用于发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体60表面。具体的，所述第二波段可以为可见光波段和不可见光波段中的任意一种。在一个实施例中，所述第二波段为可见光波段。优选的，所述第二波段为可见光波段中的440～470nm波段。更进一步，所述第二波段的扫描光线采用特定的波长，所述波长为455nm。

可选地，所述投射器10投射的所述第一波段与所述扫描仪发射的第二波段，其波段互不干扰。所述第一波段和所述第二波段可以同属为可见光波段或不可见光波段，只需所述第一波段和所述第二波段的波段范围不同且波长不同即可。例如，所述第一波段为500～550nm，所述第二波段为560～610nm，即使属于可见光波段，但波段范围不同且波长不同，所述第一采集模块210和所述第二采集模块220采集时，所述第一波段和所述第二波段之间不易发生干扰。

所述第一采集模块210采集所述第一波段的特征图像，所述第二采集模块220采集所述第二波段反射的扫描光线，所述第一采集模块210和所述第二采集模块220采集的波段之间不易发生干扰，使采集的三维数据更加精准。

所述第一采集模块210用于采集投射至所述被扫描物体60的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据，将采集关键特征三维数据发送至所述控制器30，所述第一采集模块210采集时，不受所述第二波段的扫描光线干扰。

所述第二采集模块220用于采集所述被扫描物体60反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据，将采集的稠密三维点云数据发送至所述控制器30，所述第二采集模块220采集时，不受所述第一波段的特征图像干扰。

可选地，所述第一采集模块210与所述第二采集模块220同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据，提高所述扫描仪20的数据处理效率加快后续建立被扫描物体三维模型的速度。优选地，所述第一采集模块210与所述第二采集模块220在同一时序采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据。在实际操作中，所述第一采集模块210与所述第二采集模块220可能会产生一定误差，通过所述控制器30对所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据进行整理，获得精度较高的三维数据。

在一个实施例中，所述扫描仪20在出厂前，所述第一采集模块210与所述第二采集模块220的坐标系统一。更进一步，所述扫描仪20在采集所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据之前，所述第一采集模块210与所述第二采集模块220的坐标系统一，便于同时采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据。

可选地，所述第一采集模块210与第二采集模块220同步采集的范围至少部分重叠。优选的，第一采集模块与第二采集模块同步采集的范围一致或接近一致，便于同时采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据，获得精度较高的三维数据。

所述三维扫描系统还包括运动装置50，所述扫描仪20设置于所述运动装置50。所述运动装置50能够带动所述扫描仪20相对于所述被扫描物体60运动，使所述扫描仪20多角度采集所述被扫描物体60各面的特征图像和反射的扫描光线。

所述控制器30与所述扫描仪20通信连接，用于根据所述关键特征三维数据和所述稠密三维点云数据建立所述被扫描物体60的三维模型。所述通信连接包括连线连接以及无线连接任意一种。所述控制器可以是独立的设备，也可以是与扫描仪集成。在一个实施例中，所述控制器30集成于所述扫描仪20内。在另一个实施例中，所述控制器30为独立设备，与所述投射器10和所述扫描仪20通信连接，接收所述扫描仪20采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据，以及控制所述投射器10与所述扫描仪20。

所述控制器30与所述投射器10通信连接，所述控制器30依据扫描需求控制所述投射器10投射对应的特征图像。

可选地，所述控制器30依据扫描需求控制所述投射器10的投射光强度和特征图像中关键特征的图像类型。具体地，所述图像类型包括十字交叉线、圆形或其他可投射于物体表面采集到关键特征三维数据的图像。在一个实施例中，所述图像类型为十字交叉线，所述十字交叉线可使所述第一采集模块210更加精确的采集到关键特征三维数据。

所述控制器30获取所述扫描仪20采集的所述关键特征三维数据和所述稠密三维点云数据，对同步采集的关键特征三维数据和稠密三维点云数据进行处理获得单片数据，根据多片所述单片数据建立被扫描物体60三维模型。

如图4所示，图4为本发明一实施例三维扫描方法流程图。

步骤410，投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征。

所述投射器10投射第一波段的特征图像至被扫描物体60。具体的，所述第一波段可以为可见光波段和不可见光波段中的任意一种。优选的，所述第一波段为不可见光波段中的815～845nm波段。更进一步，所述第一波段的特征图像采用特定的波长，所述波长为830nm。

步骤420，发射第二波段的扫描光线波段至所述被扫描物体表面，所述第二波段与所述第一波段不同。

所述扫描仪20中的投影模块230发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体60表面。具体的，所述第二波段可以为可见光波段和不可见光波段中的任意一种。优选的，所述第二波段为可见光波段中的440～470nm波段。更进一步，所述第二波段的扫描光线采用特定的波长，所述波长为455nm。

所述投射器10投射的所述第一波段与所述扫描仪投影模块230发射的第二波段，其波段不同，所述扫描仪20采集所述第一波段的特征图像和所述第二波段反射的扫描光线之间不易发生干扰，使采集的三维数据更加精准。

步骤430，采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据。

所述扫描仪20中的所述第一采集模块210采集投射至所述被扫描物体60的特征图像，获得所述被扫描物体60表面关键特征三维数据，将采集的三维数据发送至所述控制器30。

步骤440，采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。

所述扫描仪20中的所述第二采集模块220采集所述被扫描物体60反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体60的稠密三维点云数据，将采集的稠密三维点云数据发送至所述控制器30。

所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据同步采集，同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据，所述控制器30根据多片所述单片数据建立所述被扫描物体的三维模型。

所述方法包括：通过多片所述单片数据之间公共的关键特征进行刚体变换，通过拼接残差并进行非线性最小二乘法迭代优化，完成全局优化的高精度化，减小多片所述单片数据的累计误差。

所述方法进一步包括：所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据之间通过ICP算法联合加权优化。

所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据之间通过ICP算法联合加权优化的步骤之后包括：将数据优化后的多片所述单片数据通过Fusion算法融合为整体点云，通过三角化将所述整体点云转化为整体面片。

所述控制器30通过多片所述单片数据之间公共的关键特征进行刚体变换，通过拼接残差并进行非线性最小二乘法迭代优化，完成全局优化的高精度化，减小多片所述单片数据的累计误差，将拼接后的多片所述单片数据通过Fusion算法融合为整体点云，通过三角化将所述整体点云转化为整体面片，建立所述被扫描物体的三维模型。

本发明提供三维扫描系统和方法，投射第一波段的特征图像至被扫描物体60，发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体60表面，所述第一波段与所述第二波段互不干扰，采集所述第一波段的特征图像和所述第二波段反射的扫描光线之间不易发生干扰，使采集的三维数据更加精准。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种三维扫描系统，用于获取物体的三维数据，其特征在于，所述的三维扫描系统包括：

投射器，用于投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征；

扫描仪，包括投影模块、对应于所述投射器的第一采集模块以及对应于所述投影模块的第二采集模块，所述投影模块用于发射第二波段的扫描光线至所述被扫描物体表面，所述第一波段与所述第二波段互不干扰，所述第一采集模块用于采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据，所述第二采集模块用于采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。

2.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一采集模块和所述第二采集模块同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据。

3.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一采集模块与第二采集模块同步采集的范围至少部分重叠。

4.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述系统包括控制器，所述控制器与所述扫描仪通信连接，用于根据所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据建立所述被扫描物体的三维模型。

5.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述系统包括控制器，所述控制器与所述投射器通信连接，所述控制器依据扫描需求控制所述投射器投射对应的特征图像。

6.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描系统还包括对应于所述投射器的固定装置，所述固定装置将对应的所述投射器固定于所述被扫描物体周围的预定位置。

7.一种三维扫描方法，用于获得被扫描物体的三维数据，其特征在于，包括：

投射第一波段的特征图像至被扫描物体，所述特征图像包括多个关键特征；

发射第二波段的扫描光线波段至所述被扫描物体表面，所述第二波段与所述第一波段不同；

采集投射至所述被扫描物体的特征图像，获得投射在所述被扫描物体表面关键特征三维数据；

采集所述被扫描物体反射第二波段的扫描光线，获得所述被扫描物体表面的稠密三维点云数据。

8.根据权利要求7所述的三维扫描方法，其特征在于，所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据同步采集，同步采集的所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据在同一坐标系中统一为单片数据，根据多片所述单片数据建立所述被扫描物体的三维模型。

9.根据权利要求8所述的三维扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

通过多片所述单片数据之间公共的关键特征进行刚体变换，通过拼接残差并进行非线性最小二乘法迭代优化，完成全局优化的高精度化，减小多片所述单片数据的累计误差。

10.根据权利要求9所述的三维扫描方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

所述关键特征三维数据与所述稠密三维点云数据之间通过ICP算法联合加权优化。

11.根据权利要求10所述的三维扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

将优化后的多片所述单片数据通过Fusion算法融合为整体点云，通过三角化将所述整体点云转化为整体面片。