CN110388883A - 一种手持无线实时三维扫描仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种手持无线实时三维扫描仪，包括：投影模块：用于投射特定图案到被扫描物体的表面；图像摄取模块：当所述投影模块投影一组图案时，所述图像摄取模块摄取该组图像；第一FPGA：该组图像通过所述第一FPGA进行处理，正确的图像通过三维点云拼接形成三维模型数据；无线传输模块：生成的三维模型数据通过所述无线传输模块传输到计算机上；内置电源模块：采用外接充电接口，用于给实时三维扫描仪的手持部分供电；扫描速度快、精度高，延时低，便携。
Description
技术领域
本发明涉及三维扫描仪，尤其涉及一种手持无线实时三维扫描仪。
背景技术
三维扫描仪，目前已被广泛使用。常用的三维扫描仪根据不同的原理 通常包含特征图像投射模块和图像采集模块和计算机，由于实时三维扫描 过程需要大量的图像信息数据传输，现有的实时三维扫描仪通常需要通过 网线或者USB线等信号传输线与电脑相连才能工作，在使用过程中，由于 线缆长度限制和线缆本身的拖曳，活动范围非常有限，且很不方便。
图像处理之前需要传输的数据量很大约为450MB/s,而目前无线传输 速率理论上最大为60MB/s，利用无线传输不能满足实时传输要求，而且数 据有严重滞后的现象存在。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种手持无线实 时三维扫描仪，具有实时显示、低延时和便携的功能。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种手持无线实时三维扫描仪，包括：
投影模块：用于投射特定图案到被扫描物体的表面；
图像摄取模块：当所述投影模块投影一组图案时，所述图像摄取模块 摄取该组图像；
第一FPGA：该组图像通过所述第一FPGA进行处理，正确的图像通过 三维点云拼接形成三维模型数据；
无线传输模块：生成的三维模型数据通过所述无线传输模块传输到计 算机上；
内置电源模块：采用外接充电接口，用于给实时三维扫描仪的手持部 分供电。
进一步，所述投影模块包括处理器、数字微镜、第一闪存芯片；所述 投影模块通过外部触发开始工作，所述处理器检测到外部触发信号，提取 所述第一闪存芯片中存储的特定图案发送到所述数字微镜中。
进一步，所述投影模块还包括RGBLED光源，所述数字微镜显示图案 画面，同时所述处理器控制所述RGBLED光源，光源通过投影光学回路， 经所述数字微镜的反射达到扫描对象的表面。
进一步，所述图像摄取模块包括第一FPGA和Sensor；在所述投影模 块投影的同时，所述第一FPGA接收到扫描对象上的图案画面通过成像光 学回路发射到所述Sensor上；
所述Sensor接收到光学图像，并转换为电学信号，经所述第一FPGA 处理后暂存在第二闪存芯片上。
进一步，所述特定图案包括等距细条纹、等距粗条纹、全白图案。
进一步，一种手持无线三维扫描仪，包括以下步骤：
S1：投影模块通过外部触发开始工作，处理器检测到外部触发信号， 提取第一闪存芯片中存储的特定图案发送到数字微镜中；
S2：数字微镜显示图案画面，同时处理器控制RGBLED发送光源，光 源通过投影光学回路，经数字微镜反射到达扫描对象的表面；
S3：在投影模块投影的同时，第一FPGA接收到采集指令，扫描对象 上的图像通过成像光学回路发射到Sensor上，Sensor接收到光学图像， 转换为电学信号，经过第一FPGA处理后暂存在第二闪存芯片上；
S4：图像通过第一FPGA进行处理生成三维模型数据，
若该组图像出现丢帧、多帧、无法识别的异常情况则重新进行图案投 影，重复以上步骤；
若该组图像为正确的图像，根据采集的图像计算三维点云以及三维点 云拼接，形成三维模型数据；
S5：处理后的数据通过无线传输模块传输到计算机上并显示；
S6：重复以上的步骤，直到被扫描物体三维模型完整显示。
本发明的有益效果为：扫描速度快、精度高，延时低，便携。图像处 理之前需要传输的数据量很大约为450MB/s,而目前无线传输速率理论上 最大为60MB/s，利用无线传输不能满足实时传输要求，且数据有严重滞后 的现象存在，若用FPGA处理之后生成的三维点云数据量为1MB/s,传输的 数据量大大减少了，能满足无线传输的要求。
附图说明
图1为本发明的一种手持无线实时三维扫描仪的系统示意图；
图2为本发明的一种手持无线实时三维扫描仪的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一种手持无线实时三维扫描仪，包括：
投影模块1：用于投射特定图案到被扫描物体的表面；
图像摄取模块2：当所述投影模块1投影一组图案时，所述图像摄取 模块2摄取该组图像；
第一FPGA201：该组图像通过所述第一FPGA201进行处理，正确的图 像通过三维点云拼接形成三维模型数据；
在第一FPGA201上处理和生成三维模型，然后生成的三维模型数据存 储到第二闪存芯片203上。
无线传输模块3：生成的三维模型数据通过所述无线传输模块3传输 到计算机5上；
内置电源模块4：采用外接充电接口，用于给实时三维扫描仪的手持 部分供电。
内置电源模块4：采用外接充电接口，用于给扫描仪的手持部分供电。
内置电源模块4：采用外接充电接口，用于给扫描仪的手持部分供电， 包括投影模块1、图像摄取模块2和无线传输模块3等，以确保投影和采 集工作的正常进行。
所述投影模块1包括处理器101、数字微镜102、第一闪存芯片103； 所述投影模块1通过外部触发开始工作，所述处理器101检测到外部触发 信号，提取所述第一闪存芯片103中存储的特定图案发送到所述数字微镜 102中。
所述投影模块1还包括RGBLED光源104，所述数字微镜102显示图案 画面，同时所述处理器101控制所述RGBLED光源104，光源通过投影光学 回路105，经所述数字微镜102的反射达到扫描对象6的表面。
其中，投影模块1包括处理器101、数字微镜102、第一闪存芯片103、 RGBLED光源104和投影光学回路105，通过调节RGBLED灯的亮度达到显 示不同颜色图案的目的。
投影模块1通过外部触发开始工作，处理器101检测到外部触发信号， 提取第一闪存芯片103中存储的特定图案发送到数字微镜102中，数字微 镜102显示图案画面，同时处理器控制RGBLED发射光源，光源通过投影 光学回路，经数字微镜102的反射到达扫面对象的表面。
其中，处理器101的作用：检测外部触发信号、与第一闪存芯片103 进行数据交互、控制数字微镜102的显示图案、控制RGBLED发射光源的 开关；
数字微镜102的作用：接收处理器101的信号、显示特定的图案；
第一闪存芯片103的作用：存储特定图案；
RGBLED发射光源的作用：接收处理器的信号、发射RGB光；
投影光学回路105的作用：RGBLED光源的传输路径。
所述图像摄取模块2包括第一FPGA201和Sensor202；在所述投影模 块1投影的同时，所述第一FPGA201接收到扫描对象6上的图案画面通过 成像光学回路204发射到所述Sensor202上；
所述Sensor202接收到光学图像，并转换为电学信号，经所述第一 FPGA201处理后暂存在第二闪存芯片203上。
图像摄取模块2指用来采集被扫描对象表面漫发射形成的原始图像或 原始深度图像。
在投影模块1投影的同时，第一FPGA201接收到采集指令，扫描对象 上的图像通过成像光学回路204发射到Sensor202上，Sensor202接收到 光学图像转换为电学信号，经第一FPGA201处理后暂存在第二闪存芯片 203上，图像摄取模块2与投影模块1配合使用，即投影模块投影一组图 案时，图像摄取模块摄取一组图像，以此类推，直到被扫描物体表面所有 图像都被采集完成。
第一FPGA的作用：接收采集指令、处理和生成三维模型与第二闪存 芯片203进行数据交互、接收Sensor数据、处理Sensor数据。
Sensor的作用：接收光学图像并转化为电学信号、把电学信号传输给 FPGA。
第一闪存芯片103的作用：存储FPGA处理后的数据。
成像光学回路的作用：采集光到Sensor的传输路径。
所述特定图案包括等距细条纹、等距粗条纹、全白图案。
无线传输模块3：无线传输模块3把图像摄取模块2采集到的图像通 过wifi或5G无线传输的方式传输到计算机5上。
请参阅图2，该手持无线实时三维扫描仪的操作过程：投影模块1通 过外部触发开始工作，处理器101检测到外部触发信号，提取第一闪存芯 片103中存储的特定图案发送到数字微镜102中，数字微镜102显示图案 画面，同时处理器控制RGBLED发射光源104，光源通过投影光学回路105， 经数字微镜102的反射到达扫描对象的表面，在投影模块1投影的同时， 第一FPGA接收到采集指令，扫描对象上的图像通过成像光学回路204发 射到Sensor上，Sensor接收到光学图像，转换为电学信号，经FPGA处理 后暂存在第一闪存芯片103上。
图像摄取模块2与投影模块1配合使用，即投影模块1投影一组图案 时，图像摄取模块2采集到该物体的一组图像，该组图像通过第一FPGA 进行处理，若改组图像出现丢帧、多帧、无法识别等异常情况则重新进行 图案投影，重复以上步骤；若该组图像为正确的图像，根据采集的图像计 算三维点云以及三维点云拼接等处理形成三维模型数据，处理后的数据通 过无线传输模块3传输到计算机5上并显示，重复以上步骤直到被扫描物 体三维模型完整显示，结束扫描。
该手持无线实时三维扫描仪的三维实现原理：
把特定图案存储在处理器中，经过处理器相关处理电路和数字微镜驱 动电路输入到数字微镜器件，数字微镜显示相关图案；
同时，处理器控制RGBLED光源发出的光经光学回路，形成均匀的照 明光速，经分光系统的相关处理入射到数字微镜，照亮数字微镜的像元， 经过数字微镜发射调制后，使数字图像转换成被投影的模拟图像，分光系 统衔接投影光路和照明光路，将数字微镜的入射光束和反射光束分开避免 照明光路与投影光路重叠，减少光能损失，使光能利用率高、系统结构紧 凑；在数字微镜上生成的模拟图像通过分光系统和投影物镜，投射到物体 上，物体通过反射把相应图像发射到Sensor，经处理后发送图像到计算机 进行建模。
无线传输实现原理：
无线传输模块包括编码部分和高频发射部分，图像摄取模块中FPGA 把第一闪存芯片103中存储的图片数据通过并口传输到无线传输模块，无 线传输模块中的编码部分把数据重新编码，编码后的数据经高频发射部分 以电磁波的形式传输到计算机中，其中，WIFI传输物理层使用IEEE802.11a/g/n传输协议，工作频段2.4G或5GHz。
其中，5G传输方式在物理层使用TS38.201协议，工作频段2.6GH或 4.9GHz。
该手持无线三维扫描仪包括但不限于使用，双目视觉原理和双目结构 光原理、单目结构光原理以及单目激光原理的三维扫描设备。
实时图像传输原理：
在图像摄取模块摄取到一组图像时，FPGA会根据图像生成相应的点 云，同时，无线传输模块会把点云数据传输到计算机上并显示，扫描对象 的三维模型会被逐步显示出来，扫描过程和显示过程同步进行。
直观显示三维模型形成过程，优化数据传输方式，减少三维点云处理 时间，提高三维模型成型效率。
该手持无线实时三维扫描仪的实现步骤为：
1)获取数据，每组正确图像作为计算机的基础数据，累计到可生成 相关点云数量后进行3D点云的生成，生成3D点云后与标定过的数据进行 点云配准；
2)配准后的点云图像再进行表面建模，形成网格模型，网格模型就 是最原始3D片段图形；
3)需要进行纹理映射后生成纹理模型，把本次的纹理模型与上次的 纹理模型进行片段拼接；
4)重复以上步骤，直到物体被扫描完成生成完整的3D模型。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本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 (6)
1.一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于，包括：
投影模块(1)：用于投射特定图案到被扫描物体的表面；
图像摄取模块(2)：当所述投影模块(1)投影一组图案时，所述图像摄取模块(2)摄取该组图像；
第一FPGA(201)：该组图像通过所述第一FPGA(201)进行处理，正确的图像通过三维点云拼接形成三维模型数据；
无线传输模块(3)：生成的三维模型数据通过所述无线传输模块(3)传输到计算机(5)上；
内置电源模块(4)：采用外接充电接口，用于给实时三维扫描仪的手持部分供电。
2.根据权利要求1所述的一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于：所述投影模块(1)包括处理器(101)、数字微镜(102)、第一闪存芯片(103)；所述投影模块(1)通过外部触发开始工作，所述处理器(101)检测到外部触发信号，提取所述第一闪存芯片(103)中存储的特定图案发送到所述数字微镜(102)中。
3.根据权利要求2所述的一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于：所述投影模块(1)还包括RGBLED光源(104)，所述数字微镜(102)显示图案画面，同时所述处理器(101)控制所述RGBLED光源(104)，光源通过投影光学回路(105)，经所述数字微镜(102)的反射达到扫描对象(6)的表面。
4.根据权利要求1所述的一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于：所述图像摄取模块(2)包括所述第一FPGA(201)和Sensor(202)；在所述投影模块(1)投影的同时，所述第一FPGA(201)接收到扫描对象(6)上的图案画面通过成像光学回路(204)发射到所述Sensor(202)上；
所述Sensor(202)接收到光学图像，并转换为电学信号，经所述第一FPGA(201)处理后，生成三维模型数据，并暂存在第二闪存芯片(203)上。
5.根据权利要求1所述的一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于：所述特定图案包括等距细条纹、等距粗条纹、全白图案。
6.一种手持无线实时三维扫描仪，其特征在于，包括以下步骤：
S1：投影模块(1)通过外部触发开始工作，处理器(101)检测到外部触发信号，提取第一闪存芯片(103)中存储的特定图案发送到数字微镜(102)中；
S2：数字微镜(102)显示图案画面，同时处理器(101)控制RGBLED发送光源(104)，光源通过投影光学回路(105)，经数字微镜(102)反射到达扫描对象的表面；
S3：在投影模块(1)投影的同时，第一FPGA(201)接收到采集指令，扫描对象上的图像通过成像光学回路(204)发射到Sensor上，Sensor接收到光学图像，转换为电学信号，经过第一FPGA(201)处理后暂存在第二闪存芯片(203)上；
S4：图像通过第一FPGA(201)进行处理生成三维模型数据，
若该组图像出现丢帧、多帧、无法识别的异常情况则重新进行图案投影，重复以上步骤；
若该组图像为正确的图像，根据采集的图像计算三维点云以及三维点云拼接，形成三维模型数据；
S5：处理后的数据通过无线传输模块(3)传输到计算机(5)上并显示；
S6：重复以上的步骤，直到被扫描物体三维模型完整显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191029 |