CN109900221A - 一种手持式三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式三维扫描系统，包括至少两个投影器、至少两个摄像头、以及计算处理单元；投影器能够投射至少两种不同波段的激光，用于不同精度和分辨率的三维扫描；两个摄像头中的至少一个为既用于摄影测量也用于三维扫描的复用摄像头；计算处理单元与摄像头的输出端连接，用于根据摄像头获取的图像信息进行图像识别及三维重建；计算处理单元包括摄影测量模块、三维扫描模块、以及波段切换模块。本发明提供的手持式三维扫描系统同时具有摄影测量和三维扫描的功能，并能够通过不同波段的切换满足不同的扫描精度和扫描面幅的需求，实现扫描速度、扫描面幅、扫描细节的最优化。

Description

一种手持式三维扫描系统

技术领域

本发明涉及三维扫描仪技术领域，尤其涉及一种手持式三维扫描系统。

背景技术

随着计算机技术、自动化技术和图像处理技术的日益成熟，基于结构光双目视觉的三维扫描和测量技术迅速地发展起来。结构光双目视觉的基本原理是，利用结构光投影获得被测物体轮廓图像，基于双目视觉原理，经图像匹配后获得物体的局部三维信息，再通过点云拼接和重构获得物体的整体三维模型。基于结构光双目视觉的三维扫描和测量技术具有速度快、精度高、使用方便的优点。近年来，各类结构光三维扫描测量设备，特别是手持式三维扫描仪越来越广泛地于机械、汽车、航空、医疗、文物等行业。

目前，市面上的手持式三维扫描仪通常包括至少一个结构光投影器、至少两个相机以及用于进行三维数字图像处理的计算单元。两个深度相机通过对极线原理获得物体的三维数据，再基于标记点进行数据拼接，实现基础的三维扫描和测量功能。手持式三维扫描仪携带方便，使用自由，具有很强的实用性。

如何在一台手持式三维扫描仪中集合更多实用功能，使之尽可能满足各种场合的扫描需求，同时又保留其原有的便携性、实用性，是当前三维扫描仪市场中的热点问题，也是本发明要解决的技术问题。

发明内容

基于此，本发明提供了一种手持式式三维扫描系统，能够满足多场合的使用需求。

本发明提供的一种手持式三维扫描系统，包括至少两个投影器、至少两个摄像头、以及计算处理单元；

所述投影器能够投射至少两种不同波段的激光，用于不同精度和分辨率的三维扫描；

所述两个摄像头中的至少一个为既用于摄影测量也用于三维扫描的复用摄像头；

所述计算处理单元，与所述摄像头的输出端连接，用于根据所述摄像头获取的图像信息进行图像识别及三维重建；

所述计算处理单元包括摄影测量模块、三维扫描模块、以及波段切换模块；

所述摄影测量模块用于使用所述复用摄像头对被测物件进行全局摄影测量并得到物体表面的标记点的三维坐标；

所述三维扫描模块用于将所述摄影测量模块得到的标记点作为被测物体的全局定位信息，对被测物体进行三维扫描，以得到被测物体表面的三维轮廓信息；

所述波段切换模块用于控制被所述三维扫描模块捕捉的激光波段的切换以及补光波段的切换。

作为一种可实施方式，所述波段切换模块包括用于选择标定至少两个摄像头在选定波长的内参和畸变系数的波段切换判断器。

作为一种可实施方式，所述摄影测量模块包括2D图像轮廓线提取器和3D构造器；

所述2D图像轮廓线提取器分别与所述摄像头的输出端和所述3D构造器连接；

所述2D图像轮廓线提取器和所述3D构造器均连接所述波段切换判断器。

作为一种可实施方式，所述三维扫描模块包括2D图像轮廓线提取器、3D构造器、标记点匹配器、以及坐标转换器；

所述2D图像轮廓线提取器分别与所述摄像头的输出端和所述3D构造器连接；

所述2D图像轮廓线提取器和所述3D构造器均连接所述波段切换判断器；

所述标记点匹配器用于将输入的仪器坐标系下的标记点三维坐标拓扑特征与所述摄影测量模块获得的非编码标记点库进行匹配，标记点匹配器还用于将新获得的标记点和已获得的标记点进行匹配；

所述坐标转换器用于将三维点云从仪器坐标系转换到世界坐标系。

作为一种可实施方式，所述至少两个摄像头全部为复用摄像头。

作为一种可实施方式，所述至少两个摄像头中包括一个复用摄像头和一个仅用于三维扫描的单用摄像头；

所述摄影测量模块和所述三维扫描模块使用三种不同波段的补光光源对被测物体表面进行补光，以照亮放置或者粘贴在物体表面的标记点；

具体补光方法如下：所述摄影测量模块采用第一波段的补光光源对被测物体进行补光，所述三维扫描模块采用第二波段和第三波段的补光光源对被测物体进行补光；所述复用摄像头采用三通滤光片滤除第一波段、第二波段、以及第三波段之外的其他光线，所述单用摄像头采用双通滤光片滤除第二波段和第三波段之外的其他光线；所述两个投影器以第二波段和第三波段在被测物体表面投射出图案。

作为一种可实施方式，所述第一波段为红外波段，所述第二波段为红光波段，所述第三波段为蓝光波段；

所述摄影测量模块采用红外波段，即复用摄像头相应的第一波段补光光源和复用摄像头采用的三通滤光片的第一波段为红外波段；所述三维扫描模块采用红光波段和蓝光波段，即复用摄像头相应的第二波段补光光源、第三波段补光光源和复用摄像头采用的三通滤光片的第二波段和第三波段、以及单用摄像头的补光光源和双通滤光片为红光波段和蓝光波段。

作为一种可实施方式，所述系统还包括无线探针笔和数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据至少两个摄像头获得所述无线探针笔的至少两幅图像计算得到无线探针笔的三维坐标；

所述无线探针笔包括笔壳和安装在笔壳内的带有无线收发功能的笔控模块；所述笔壳表面固定有标记点，所述笔壳上设置有触发开关，所述触发开关与所述笔控模块连接。

作为一种可实施方式，所述系统还包括扫描控制模块和无线收发模块，所述无线收发模块与所述笔控模块无线通讯连接，所述扫描控制模块与补光光源及至少两个摄像头的控制端连接，所述扫描控制模块与所述数据处理模块连接。

作为一种可实施方式，还包括扩展接口模块；

所述扩展接口模块包括边缘检测补光模块、彩色相机模块、图案生成模块、无线通讯模块、显示模块中的一种或多种。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

本发明提供的手持式三维扫描系统同时具有摄影测量和三维扫描的功能，并能够通过不同波段的切换满足不同的扫描精度和扫描面幅的需求，实现扫描速度、扫描面幅、扫描细节的最优化。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的手持式三维扫描系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

本发明实施例一提供的手持式三维扫描系统，包括两个投影器和两个摄像头、以及计算处理单元。参见图1，骨架结构3上安装有第一摄像头1、第二摄像头2、第一激光投影器4、以及第二激光投影器5。其中第一摄像头1为复用摄像头，第二摄像头2为单用摄像头。第一激光投影器4和第二激光投影器5投影器能够投射至少两种不同波段的激光，用于不同精度和分辨率的三维扫描。计算处理单元(未示出)分别与第一摄像头1、第二摄像头2的输出端连接，用于根据第一摄像头1、第二摄像头2获取的图像信息进行图像识别及三维重建。计算处理单元包括摄影测量模块、三维扫描模块、以及波段切换模块；摄影测量模块用于使用第一摄像头1对被测物件进行全局摄影测量并得到物体表面的标记点的三维坐标；三维扫描模块用于将摄影测量模块得到的标记点作为被测物体的全局定位信息，对被测物体进行三维扫描，以得到被测物体表面的三维轮廓信息；波段切换模块用于控制被三维扫描模块捕捉的激光波段的切换以及补光波段的切换。

上述实施例中的第一摄像头1为既用于摄影测量也用于三维扫描的复用摄像头。本发明所采用的摄像头可以全部为复用摄像头。如果只有两个摄像头，则也可以包括一个复用摄像头和一个仅用于三维扫描的单用摄像头。

本发明提供的手持式三维扫描仪同时具有摄影测量和三维扫描的功能，并能够通过不同波段的切换满足不同的扫描精度和扫描面幅的需求，能够实现扫描速度、扫描面幅、扫描细节的最优化，满足多种场合的扫描需求。

进一步地，作为一种可实施方式，波段切换模块包括用于选择标定至少两个摄像头在选定波长的内参和畸变系数的波段切换判断器；摄影测量模块包括2D图像轮廓线提取器和3D构造器。2D图像轮廓线提取器分别与摄像头的输出端和3D构造器连接；2D图像轮廓线提取器和3D构造器均连接波段切换判断器。

该摄影测量模块的工作过程如下：在被测物体的表面放置含有编码信息的编码标记点、不含编码信息的非编码标记点以及两端为编码标记点的已知长度的标尺；接下来利用复用摄像头从不同的位置和角度对被测物体进行拍摄获得一组原始图片；将原始图片输入2D图像轮廓线提取器，获得每幅图像中的编码标记点和非编码标记点的图像二维坐标；通过3D构造器对编码标记点和标尺信息进行三维重建，得到每个编码标记点在统一的世界坐标系下的空间三维坐标以及每幅图像的外方位，进一步计算得到非编码标记点在世界坐标系下的三维坐标。

三维扫描模块包括2D图像轮廓线提取器、3D构造器、标记点匹配器、以及坐标转换器。其中，2D图像轮廓线提取器分别与摄像头的输出端和3D构造器连接；2D图像轮廓线提取器和3D构造器均连接波段切换判断器；标记点匹配器用于将输入的仪器坐标系下的标记点三维坐标拓扑特征与摄影测量模块获得的非编码标记点库进行匹配，标记点匹配器还用于将新获得的标记点和已获得的标记点进行匹配；坐标转换器用于将三维点云从仪器坐标系转换到世界坐标系。

该三维扫描模块的工作过程如下：将两个摄像头同时获得的二维图像输入2D图像轮廓线提取器，获得每幅图像中的非编码标记点的图像二维坐标以及投影器所投射到被测物体表面的特征点的图像二维坐标；将两幅同步获得的图像中的非编码标记点的图像二维坐标及已知的摄像头的位置关系输入3D构造器，以获得当前仪器坐标系下当前非编码标记点的三维坐标；将上一步获得的当前仪器坐标系下当前非编码标记点的三维坐标输入标记点匹配器，该标记点匹配器将输入的仪器坐标系下的标记点三维坐标拓扑特征与所述摄影测量模块获得的非编码标记点库进行匹配，并将新获得的标记点和已获得的标记点进行匹配，从而得到世界坐标系下的当前非编码标记点的三维坐标；进一步利用坐标转换器，将三位点云从仪表坐标系转换到世界坐标系。

进一步地，摄影测量模块和三维扫描模块可以使用三种不同波段的补光光源，如图1所示，采用第一补光光源6、第二补光光源7、第三补光光源8对被测物体表面进行补光，以照亮放置或者粘贴在物体表面的标记点。其中，第一补光光源6对应第一波段，第二补光光源7对应第二波段，第三补光光源8对应第三波段。如图1所示，第一摄像头1为复用摄像头，其镜头外部设置有第一补光光源6、第二补光光源7、第三补光光源8。第二摄像头2为单用摄像头，其镜头外部设置有第二补光光源7和第三补光光源8。

具体补光方法如下：摄影测量模块采用第一补光光源6对被测物体进行补光，三维扫描模块采用第二补光光源7和第三补光光源8对被测物体进行补光；第一摄像头1采用三通滤光片9滤除第一波段、第二波段、以及第三波段之外的其他光线，第二摄像头2采用双通滤光片10滤除第二波段和第三波段之外的其他光线；第一激光投影器4和第二激光投影器5以第二波段和第三波段在被测物体表面投射出图案。

作为一种可实施方式，上述第一波段为红外波段，第二波段为红光波段，第三波段为蓝光波段。摄影测量模块采用红外波段，即第一摄像头1对应的第一补光光源6和第一摄像头1采用的三通滤光片9的第一波段为红外波段；三维扫描模块采用红光波段和蓝光波段，即第一摄像头1对应的第二补光光源7、第三补光光源8和第一摄像头1采用的三通滤光片9的第二波段和第三波段、以及第二摄像头2的第二补光光源7、第三补光光源8和双通滤光片10为红光波段和蓝光波段。

进一步地，本发明实施例二提供一种手持式三维扫描系统，在上述实施例一的基础上，还包括无线探针笔和数据处理模块。数据处理模块用于根据至少两个摄像头获得无线探针笔的至少两幅图像计算得到无线探针笔的三维坐标。无线探针笔包括笔壳和安装在笔壳内的带有无线收发功能的笔控模块；笔壳表面固定有标记点，笔壳上设置有触发开关，触发开关与笔控模块连接。

进一步地，该手持式三维扫描系统还包括扫描控制模块和无线收发模块，无线收发模块与笔控模块无线通讯连接，扫描控制模块与投影器及至少两个摄像头的控制端连接，扫描控制模块与数据处理模块连接。

本实施例提供的手持式三维扫描系统，其还包括边缘检测补光模块、彩色相机模块、图案生成模块、无线通讯模块、显示模块中的一种或多种扩展接口模块，以实现多功能应用。

作为一种可实施方式，基于双目三角测量法的双目光轴夹角越大(即扫描距离越近)，精度越高的原理，利用本发明提供的系统，使用较长的波段时，无线探针笔与两个摄像机的距离比较远，可以用来测量较大尺寸的工件，但是测量精度相对较低。使用较短波段时，无线探针笔与两个摄像机的距离比较近，可实现小型工件的高精度测量。

本发明提供的手持式三维扫描系统同时具有摄影测量和三维扫描的功能，并能够通过不同波段的切换满足不同的扫描精度和扫描面幅的需求，实现扫描速度、扫描面幅、扫描细节的最优化。进一步地，还可以外接光源实现多种形式的投影和补光、外接无线探针笔实现接触式三维测量，能够拓展边缘检测、管件测量、形变检测、几何尺寸与公差分析等多种功能，具有高拓展性、高复用性和高性价比。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种手持式三维扫描系统，其特征在于，包括至少两个投影器、至少两个摄像头、以及计算处理单元；

所述投影器能够投射至少两种不同波段的激光，用于不同精度和分辨率的三维扫描；

所述两个摄像头中的至少一个为既用于摄影测量也用于三维扫描的复用摄像头；

所述计算处理单元，与所述摄像头的输出端连接，用于根据所述摄像头获取的图像信息进行图像识别及三维重建；

所述计算处理单元包括摄影测量模块、三维扫描模块、以及波段切换模块；

所述摄影测量模块用于使用所述复用摄像头对被测物件进行全局摄影测量并得到物体表面的标记点的三维坐标；

所述三维扫描模块用于将所述摄影测量模块得到的标记点作为被测物体的全局定位信息，对被测物体进行三维扫描，以得到被测物体表面的三维轮廓信息；

所述波段切换模块用于控制被所述三维扫描模块捕捉的激光波段的切换以及补光波段的切换。

2.根据权利要求1所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述波段切换模块包括用于选择标定至少两个摄像头在选定波长的内参和畸变系数的波段切换判断器。

3.根据权利要求2所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述摄影测量模块包括2D图像轮廓线提取器和3D构造器；

所述2D图像轮廓线提取器分别与所述摄像头的输出端和所述3D构造器连接；

所述2D图像轮廓线提取器和所述3D构造器均连接所述波段切换判断器。

4.根据权利要求2所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描模块包括2D图像轮廓线提取器、3D构造器、标记点匹配器、以及坐标转换器；

所述2D图像轮廓线提取器分别与所述摄像头的输出端和所述3D构造器连接；

所述2D图像轮廓线提取器和所述3D构造器均连接所述波段切换判断器；

所述标记点匹配器用于将输入的仪器坐标系下的标记点三维坐标拓扑特征与所述摄影测量模块获得的非编码标记点库进行匹配，标记点匹配器还用于将新获得的标记点和已获得的标记点进行匹配；

所述坐标转换器用于将三维点云从仪器坐标系转换到世界坐标系。

5.根据权利要求1至4任一项所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述至少两个摄像头中包括一个复用摄像头和一个仅用于三维扫描的单用摄像头；

所述摄影测量模块和所述三维扫描模块使用三种不同波段的补光光源对被测物体表面进行补光，以照亮放置或者粘贴在物体表面的标记点；

具体补光方法如下：所述摄影测量模块采用第一波段的补光光源对被测物体进行补光，所述三维扫描模块采用第二波段和第三波段的补光光源对被测物体进行补光；所述复用摄像头采用三通滤光片滤除第一波段、第二波段、以及第三波段之外的其他光线，所述单用摄像头采用双通滤光片滤除第二波段和第三波段之外的其他光线；所述两个投影器以第二波段和第三波段在被测物体表面投射出图案。

6.根据权利要求5所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述第一波段为红外波段，所述第二波段为红光波段，所述第三波段为蓝光波段；

所述摄影测量模块采用红外波段，即复用摄像头相应的第一波段补光光源和复用摄像头采用的三通滤光片的第一波段为红外波段；所述三维扫描模块采用红光波段和蓝光波段，即复用摄像头相应的第二波段补光光源、第三波段补光光源和复用摄像头采用的三通滤光片的第二波段和第三波段、以及单用摄像头的补光光源和双通滤光片为红光波段和蓝光波段。

7.根据权利要求1至4任一项所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述系统还包括无线探针笔和数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据至少两个摄像头获得所述无线探针笔的至少两幅图像计算得到无线探针笔的三维坐标。

8.根据权利要求7所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述无线探针笔包括笔壳和安装在笔壳内的带有无线收发功能的笔控模块；所述笔壳表面固定有标记点，所述笔壳上设置有触发开关，所述触发开关与所述笔控模块连接。

9.根据权利要求8所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，所述系统还包括扫描控制模块和无线收发模块，所述无线收发模块与所述笔控模块无线通讯连接，所述扫描控制模块与补光光源及至少两个摄像头的控制端连接，所述扫描控制模块与所述数据处理模块连接。

10.根据权利要求1至4任一项所述的手持式三维扫描系统，其特征在于，还包括扩展接口模块；

所述扩展接口模块包括边缘检测补光模块、彩色相机模块、图案生成模块、无线通讯模块、显示模块中的一种或多种。