CN109751970A - 一种球形结构的自动三维扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维扫描仪技术领域，具体涉及一种球形结构的自动三维扫描仪，所述自动三维扫描仪包括底座、补光灯装置、摄像头、扫描仓、检测器、检测物放置装置以及电脑，所述电脑通过所述扫描仓中摄像头收集数据，所述电脑再通过局域网将收集的数据传送至工作站，所述工作站经过处理得到三维模型数据。本发明解决了现有技术中三维扫描仪存在摄像头可以分布不均匀、光线变化不可控且结构受力点不均衡的问题，提供了一种采集摄像头分布均匀、光线变化可控、结构受力点均衡、稳定性更强的三维扫描仪。

Description

一种球形结构的自动三维扫描仪

技术领域

本发明涉及三维扫描仪技术领域，具体涉及一种球形结构的自动三维扫描仪。

背景技术

三维扫描仪（3D scanner）是一种科学仪器，用来侦测并分析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）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。

三维扫描仪大体分为接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪 。其中非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪(也称拍照式三维描仪)和激光扫描仪。而光栅三维扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。手持式三维扫描仪原理:线激光手持三维扫描仪，自带校准功能，采用635nm的红色线激光闪光灯，配有一部闪光灯和两个工业相机，工作时将激光线照射到物体上，两个相机来捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在物体上会发生反射和折射，然后这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。在扫描仪移动的过程中，光线会不断变化，而软件会及时识别这些变化并加以处理。光线投射到扫描对象上的频率高达28,000points/s，所以在扫描过程中移动扫描仪，哪怕扫描时动作很快，也同样可以获得很好的扫描效果，手持式三维扫描仪工作时使用反光型角点标志贴，与扫描软件配合使用，支持摄影测量和自校准技术。拍照式三维扫描仪扫描原理类似于照相机拍摄照片而得名,是为满足工业设计行业应用需求而研发的产品,，它集高速扫描与高精度优势，可按需求自由调整测量范围，从小型零件扫描到车身整体测量均能完美胜任，具备极高的性能价格比。目前已广泛应用于工业设计行业中，真正为客户实现 "一机在手，设计无忧"!拍照式结构光三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。结构光三维扫描仪的基本原理是:采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。拍照式三维扫描仪可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体(如汽车、摩托车外壳及内饰、家电、雕塑等)的测量。

三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面，而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。在现有技术中，三维扫描仪存在摄像头可以分布不均匀、光线变化不可控且结构受力点不均衡的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种球形结构的自动三维扫描仪，解决了现有技术中三维扫描仪存在摄像头可以分布不均匀、光线变化不可控且结构受力点不均衡的问题，提供了一种采集摄像头分布均匀、光线变化可控、结构受力点均衡、稳定性更强的三维扫描仪。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种球形结构的自动三维扫描仪，所述自动三维扫描仪包括底座、补光灯装置、摄像头、扫描仓、检测器、检测物放置装置以及电脑，所述电脑通过所述扫描仓中摄像头收集数据，所述电脑再通过局域网将收集的数据传送至工作站，所述工作站经过处理得到三维模型数据；

所述底座与所述扫描仓固定连接；所述扫描仓为竖直放置空心球型，所述扫描仓均匀划分为至少3个区域，所述扫描仓均匀划分的区域分为可移动区域和不可移动区域，所述可移动区域与不可移动区域通过可开闭的扣合装置连接；所述扫描仓中可移动区域的数量为一个，所述扫描仓中其他区域均匀不可移动区域；

所述扫描仓的顶部和底部安装有摄像头，所述扫描仓的各个区域也相应均匀分布有摄像头，所述每个摄像头旁均设置有对应的补光灯装置和检测器；

所述检测物放置装置包括支撑杆和托盘，所述支撑杆的底部与所述扫描仓的底部固定连接，所述支撑杆的顶部与所述托盘的底部固定连接；

所述摄像头通过导线连接有摄像头USB接口，所述摄像头USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接；

所述补光灯装置通过导线连接有补光灯USB接口，所述补光灯USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接；

所述检测器通过导线连接有检测器USB接口，所述检测器USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接。

本发明中三维扫描仪的扫描仓采用球型设计，可以很好的满足720度无死角覆盖被扫描对象，采集摄像头可以分布均匀，光线变化可控，结构受力点均衡，稳定性更强，设备采用电脑控制，整个扫描仓在工作时处于密封状态，不受外界环境影响，全方位采集摄像头通过PC端远程控制完成采集，经过扫描仓收集数据传输至电脑，电脑再通过局域网把采集数据传回工作站，经工作站处理即可得到三维模型数据。

扫描仓的顶部和底部安装有摄像头，扫描仓的各个区域也相应均匀分布有摄像头，在球形结构的顶部和底部均安装有摄像头，且扫描仓的各个区域均匀分布有摄像头，使得摄像头均匀分布在球形结构的内部，避免出现顶部或底部为扫描死角的情况，对于结构复杂、细节较多区域进行密集采集，确保此区域获取深度图像扫描彻底全面，得到的数据更为真实，多方位多角度进行采集数据从而获取被扫描对象深度图，通过被扫描对象深度图来分析出三维数据，最终得到获取扫描对象更精确的深度图。

摄像头、补光灯以及检测器采用高速USB传输数据，通过高速集成器把所有相机并联到PC端，每台相机使用电源直接供电，确保可以长时间工作为了更好的还原采集对象的纹理色彩，摄像头采用高还原色温，确保还原度接近人眼所观察到的色彩空间。

进一步地，所述扫描仓以竖直通过球心的轴线为对称轴进行均匀划分区域。

进一步优选地，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域在空心球形的顶部固定连接，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域在空心球形的侧部曲面通过可开闭的扣合装置连接。

进一步优选地，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域中扣合装置打开时用于检修所述摄像头、所述补光灯装置以及连接所述摄像头的导线，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域中扣合装置闭合时形成封闭的空心球型使得扫描对象各个深度图所处环境光线一致。

进一步优选地，所述扣合装置为插舌盒扣合装置或卡口扣合装置。

进一步地，所述补光灯装置包括开关、连接杆、灯座和灯珠，所述开关通过连接杆与所述灯座连接，所述灯珠安装在所述灯座内部，所述灯珠与所述灯座电性连接，所述灯座通过通过导线连接有补光灯USB接口。

扫描仓的可移动区域与不可移动区域通过可开闭的扣合装置连接，使得扫描仓在扫描过程中可以形成一个密封的空间，采用球型密闭式装置，减少外界环境对采集对象的影响，在未扫描时可以检修、调整等；在摄像头旁设置补光灯装置，通过电脑控制补光灯装置的开关，使得光线均匀可控，确保被扫描对象各个深度图所处环境光线一致。

进一步优选地，所述检测物放置装置的轴心与所述扫描仓的轴心重合，所述检测物放置装置的材质为透明材质。

进一步地，所述检测物放置装置的支撑杆包括第一固定杆、第二固定杆和伸缩杆，所述第一固定杆的底部与所述扫描仓的底部固定连接，所述第一固定杆的顶部与所述伸缩杆的底部固定连接，所述第二固定杆的底部与所述伸缩杆的顶部部固定连接，所述第二固定杆的顶部与所述托盘的底部固定连接。

进一步优选地，所述伸缩杆通过调节螺栓固定在所述第二固定杆和所述第一固定杆上。

检测物放置装置的轴心与扫描仓的轴心重合，且检测物放置装置的支撑杆为伸缩杆，使得检测物的重心可以与扫描仓的球心相重合，在扫描过程中更为全面彻底，且检测物放置装置的材质为透明材质，更利于还原检测物的原始形状和色彩

本发明的有益效果是：

1.本发明中三维扫描仪的扫描仓采用球型设计，可以很好的满足720度无死角覆盖被扫描对象，采集摄像头可以分布均匀，光线变化可控，结构受力点均衡，稳定性更强，设备采用电脑控制，整个扫描仓在工作时处于密封状态，不受外界环境影响，全方位采集摄像头通过PC端远程控制完成采集，经过扫描仓收集数据传输至电脑，电脑再通过局域网把采集数据传回工作站，经工作站处理即可得到三维模型数据；

2.扫描仓的顶部和底部安装有摄像头，扫描仓的各个区域也相应均匀分布有摄像头，在球形结构的顶部和底部均安装有摄像头，且扫描仓的各个区域均匀分布有摄像头，使得摄像头均匀分布在球形结构的内部，避免出现顶部或底部为扫描死角的情况，对于结构复杂、细节较多区域进行密集采集，确保此区域获取深度图像扫描彻底全面，得到的数据更为真实，多方位多角度进行采集数据从而获取被扫描对象深度图，通过被扫描对象深度图来分析出三维数据，最终得到获取扫描对象更精确的深度图；

3.扫描仓的可移动区域与不可移动区域通过可开闭的扣合装置连接，使得扫描仓在扫描过程中可以形成一个密封的空间，采用球型密闭式装置，减少外界环境对采集对象的影响，在未扫描时可以检修、调整等；在摄像头旁设置补光灯装置，通过电脑控制补光灯装置的开关，使得光线均匀可控，确保被扫描对象各个深度图所处环境光线一致；

4.摄像头、补光灯以及检测器采用高速USB传输数据，通过高速集成器把所有相机并联到PC端，每台相机使用电源直接供电，确保可以长时间工作为了更好的还原采集对象的纹理色彩，摄像头采用高还原色温，确保还原度接近人眼所观察到的色彩空间；

5.检测物放置装置的轴心与扫描仓的轴心重合，且检测物放置装置的支撑杆为伸缩杆，使得检测物的重心可以与扫描仓的球心相重合，在扫描过程中更为全面彻底，且检测物放置装置的材质为透明材质，更利于还原检测物的原始形状和色彩。

附图说明

图1为球形结构的自动三维扫描仪的整体结构图；

图2为扫描仓的内部结构图；

图3为区域A的放大示意图；

图4为补光灯装置的结构图；

图5为检测物放置装置的结构图；

图6为扫描仓打开示意图；

图中：

1-扫描仓，101-可移动区域,102-不可移动区域；

2-检测物放置装置，21-支撑杆，211-第一固定杆，212-第二固定杆，213-伸缩杆，214-调节螺栓，22-托盘；

3-电脑，4-摄像头USB接口，5-补光灯USB接口，6-检测器USB接口；

7-补光灯装置，71-开关，72-连接杆，73-灯座，74-灯珠，8-摄像头，9-检测器，11-底座。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

一种球形结构的自动三维扫描仪，所述自动三维扫描仪包括底座11、补光灯装置7、摄像头8、扫描仓1、检测器9、检测物放置装置2以及电脑3，所述电脑3通过所述扫描仓1中摄像头8收集数据，所述电脑3再通过局域网将收集的数据传送至工作站，所述工作站经过处理得到三维模型数据；

所述底座11与所述扫描仓1固定连接；所述扫描仓1为竖直放置空心球型，所述扫描仓1均匀划分为至少3个区域，所述扫描仓1均匀划分的区域分为可移动区域101和不可移动区域102，所述可移动区域101与不可移动区域102通过可开闭的扣合装置连接；所述扫描仓1中可移动区域101的数量为一个，所述扫描仓1中其他区域均匀不可移动区域102；

所述扫描仓1的顶部和底部安装有摄像头8，所述扫描仓1的各个区域也相应均匀分布有摄像头8，所述每个摄像头8旁均设置有对应的补光灯装置7和检测器9；

所述检测物放置装置2包括支撑杆21和托盘22，所述支撑杆21的底部与所述扫描仓1的底部固定连接，所述支撑杆21的顶部与所述托盘22的底部固定连接；

所述摄像头8通过导线连接有摄像头8USB接口4，所述摄像头8USB接口4通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接；

所述补光灯装置7通过导线连接有补光灯USB接口5，所述补光灯USB接口5通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接；

所述检测器9通过导线连接有检测器9USB接口6，所述检测器9USB接口6通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接。

具体地，所述扫描仓1以竖直通过球心的轴线为对称轴进行均匀划分区域。

具体地，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102在空心球形的顶部固定连接，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102在空心球形的侧部曲面通过可开闭的扣合装置连接。

具体地，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102中扣合装置打开时用于检修所述摄像头8、所述补光灯装置7以及连接所述摄像头8的导线，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102中扣合装置闭合时形成封闭的空心球型使得扫描对象各个深度图所处环境光线一致。

具体地，所述扣合装置为卡口扣合装置。

具体地，所述补光灯装置7包括开关71、连接杆72、灯座73和灯珠74，所述开关71通过连接杆72与所述灯座73连接，所述灯珠74安装在所述灯座73内部，所述灯珠74与所述灯座73电性连接，所述灯座73通过通过导线连接有补光灯USB接口5。

具体地，所述检测物放置装置2的轴心与所述扫描仓1的心重合，所述检测物放置装置2的材质为透明材质。

具体地，所述检测物放置装置2的支撑杆21包括第一固定杆211、第二固定杆212和伸缩杆213，所述第一固定杆211的底部与所述扫描仓1的底部固定连接，所述第一固定杆211的顶部与所述伸缩杆213的底部固定连接，所述第二固定杆212的底部与所述伸缩杆213的顶部部固定连接，所述第二固定杆212的顶部与所述托盘22的底部固定连接。

具体地，所述伸缩杆213通过调节螺栓214固定在所述第二固定杆212和所述第一固定杆211上。

实施例2

一种球形结构的自动三维扫描仪，所述自动三维扫描仪包括底座11、补光灯装置7、摄像头8、扫描仓1、检测器9、检测物放置装置2以及电脑3，所述电脑3通过所述扫描仓1中摄像头8收集数据，所述电脑3再通过局域网将收集的数据传送至工作站，所述工作站经过处理得到三维模型数据；

所述底座11与所述扫描仓1固定连接；所述扫描仓1为竖直放置空心球型，所述扫描仓1均匀划分为至少3个区域，所述扫描仓1均匀划分的区域分为可移动区域101和不可移动区域102，所述可移动区域101与不可移动区域102通过可开闭的扣合装置连接；所述扫描仓1中可移动区域101的数量为一个，所述扫描仓1中其他区域均匀不可移动区域102；

所述扫描仓1的顶部和底部安装有摄像头8，所述扫描仓1的各个区域也相应均匀分布有摄像头8，所述每个摄像头8旁均设置有对应的补光灯装置7和检测器9；

所述检测物放置装置2包括支撑杆21和托盘22，所述支撑杆21的底部与所述扫描仓1的底部固定连接，所述支撑杆21的顶部与所述托盘22的底部固定连接；

所述摄像头8通过导线连接有摄像头8USB接口4，所述摄像头8USB接口4通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接；

所述补光灯装置7通过导线连接有补光灯USB接口5，所述补光灯USB接口5通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接；

所述检测器9通过导线连接有检测器9USB接口6，所述检测器9USB接口6通过USB数据线与所述电脑3的连接端口进行连接。

具体地，所述扫描仓1以竖直通过球心的轴线为对称轴进行均匀划分区域。

具体地，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102在空心球形的顶部固定连接，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102在空心球形的侧部曲面通过可开闭的扣合装置连接。

具体地，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102中扣合装置打开时用于检修所述摄像头8、所述补光灯装置7以及连接所述摄像头8的导线，所述扫描仓1中可移动区域101与所述扫描仓1中不可移动区域102中扣合装置闭合时形成封闭的空心球型使得扫描对象各个深度图所处环境光线一致。

具体地，所述扣合装置为插舌盒扣合装置。

具体地，所述补光灯装置7包括开关71、连接杆72、灯座73和灯珠74，所述开关71通过连接杆72与所述灯座73连接，所述灯珠74安装在所述灯座73内部，所述灯珠74与所述灯座73电性连接，所述灯座73通过通过导线连接有补光灯USB接口5。

具体地，所述检测物放置装置2的轴心与所述扫描仓1的心重合，所述检测物放置装置2的材质为透明材质。

具体地，所述检测物放置装置2的支撑杆21包括第一固定杆211、第二固定杆212和伸缩杆213，所述第一固定杆211的底部与所述扫描仓1的底部固定连接，所述第一固定杆211的顶部与所述伸缩杆213的底部固定连接，所述第二固定杆212的底部与所述伸缩杆213的顶部部固定连接，所述第二固定杆212的顶部与所述托盘22的底部固定连接。

具体地，所述伸缩杆213通过调节螺栓214固定在所述第二固定杆212和所述第一固定杆211上。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述自动三维扫描仪包括底座、补光灯装置、摄像头、扫描仓、检测器、检测物放置装置以及电脑，所述电脑通过所述扫描仓中摄像头收集数据，所述电脑再通过局域网将收集的数据传送至工作站，所述工作站经过处理得到三维模型数据；

所述底座与所述扫描仓固定连接；所述扫描仓为竖直放置空心球型，所述扫描仓均匀划分为至少3个区域，所述扫描仓均匀划分的区域分为可移动区域和不可移动区域，所述可移动区域与不可移动区域通过可开闭的扣合装置连接；所述扫描仓中可移动区域的数量为一个，所述扫描仓中其他区域均匀不可移动区域；

所述扫描仓的顶部和底部安装有摄像头，所述扫描仓的各个区域也相应均匀分布有摄像头，所述每个摄像头旁均设置有对应的补光灯装置和检测器；

所述检测物放置装置包括支撑杆和托盘，所述支撑杆的底部与所述扫描仓的底部固定连接，所述支撑杆的顶部与所述托盘的底部固定连接；

所述摄像头通过导线连接有摄像头USB接口，所述摄像头USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接；

所述补光灯装置通过导线连接有补光灯USB接口，所述补光灯USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接；

所述检测器通过导线连接有检测器USB接口，所述检测器USB接口通过USB数据线与所述电脑的连接端口进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述扫描仓以竖直通过球心的轴线为对称轴进行均匀划分区域。

3.根据权利要求1或2所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域在空心球形的顶部固定连接，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域在空心球形的侧部曲面通过可开闭的扣合装置连接。

4.根据权利要求3所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域中扣合装置打开时用于检修所述摄像头、所述补光灯装置以及连接所述摄像头的导线，所述扫描仓中可移动区域与所述扫描仓中不可移动区域中扣合装置闭合时形成封闭的空心球型使得扫描对象各个深度图所处环境光线一致。

5.根据权利要求1或4所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述扣合装置为插舌盒扣合装置或卡口扣合装置。

6.根据权利要求1所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述补光灯装置包括开关、连接杆、灯座和灯珠，所述开关通过连接杆与所述灯座连接，所述灯珠安装在所述灯座内部，所述灯珠与所述灯座电性连接，所述灯座通过通过导线连接有补光灯USB接口。

7.根据权利要求1所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述检测物放置装置的轴心与所述扫描仓的轴心重合，所述检测物放置装置的材质为透明材质。

8.根据权利要求1或7所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述检测物放置装置的支撑杆包括第一固定杆、第二固定杆和伸缩杆，所述第一固定杆的底部与所述扫描仓的底部固定连接，所述第一固定杆的顶部与所述伸缩杆的底部固定连接，所述第二固定杆的底部与所述伸缩杆的顶部部固定连接，所述第二固定杆的顶部与所述托盘的底部固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种球形结构的自动三维扫描仪，其特征在于，所述伸缩杆通过调节螺栓固定在所述第二固定杆和所述第一固定杆上。