CN112132957A - 一种高精度环形扫描方法及装置 - Google Patents

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郭彦彬
王国平
刘迎宾
叶韶华
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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    • G06T2207/10—Image acquisition modality
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Abstract

本发明提供一种高精度环形扫描方法及装置，包括：通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动；通过深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集目标物体的深度图像；对深度相机进行相机标定；解析深度图像获得纹理信息和深度信息，基于纹理信息和深度信息构建目标物体的点云数据；在深度相机运动过程中，获得不同角度下目标物体的点云数据并对其进行处理获得目标物体的三维模型并输出。本发明的高精度环形扫描方法及装置，重建效果精细，优化了传统三维重建算法，实现了物体完整模型的重建。

Description

一种高精度环形扫描方法及装置
技术领域
本发明涉及三维重建技术领域，特别涉及一种高精度环形扫描方法及装置。
背景技术
三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。三维扫描仪的用途是得到物体几何表面的点云信息，这些点可用来插补成物体的表面形状，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，越密集的点云可以重建出更精确的模型。
它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术具有速度快、精度高等优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。
用三维扫描仪对样品进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。
随着国内三维扫描仪技术的成熟及在各行各业的普及，其已成为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用。但是，目前三维扫描装置还存在精度低、对环境要求高等问题，故需改进，同时，目前基于深度相机的三维重建技术大多实现一个物体的单侧模型重建，无法360°全方位展现被扫描物体的全貌。
发明内容
本发明目的之一在于提供了一种高精度环形扫描方法及装置，采用可以获得图像RGB纹理信息和每个像素的深度信息并自动配对的深度相机作为硬件支持，可以在同一个图像位置，读取到色彩信息和纹理信息，计算像素的3D相机坐标，生成点云，重建效果精细，可用于人面部扫描、医美手术术前规划、医美预期效果展示等应用场景。
本发明实施例提供的一种高精度环形扫描方法，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动；
通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像；
对所述深度相机进行相机标定；
解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据；
在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
优选地，所述通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
优选地，所述基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
优选地，所述获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
本发明实施例提供的一种高精度环形扫描装置，包括：
上位机、与所述上位机电连接的运动控制系统和多个深度相机；
所述运动控制系统包括：伺服电机和运动控制卡；
所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像，对所述深度相机进行相机标定，解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据，在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
优选地，所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
优选地，所述上位机基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
优选地，所述上位机获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种高精度环形扫描方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的具体应用的示意性流程图；
图3为本发明又一个实施例的具体应用的示意性流程图；
图2中，通过运动控制系统控制深度相机360°采集目标物体的图像，通过软硬件编程实现多个深度相机同步采集，对采集的图像进行处理，包含过程有：相机标定、RGB(纹理)和Depth(深度)图像对齐、三维点云模型重建；然后对三维点云进行平滑滤波处理；最后输入三维引擎进行点云三角化再进行贴图渲染即可输出目标物体的完整三维模型；
图3中，对RGB-D深度相机的相机参数、纹理信息和深度信息进行处理后获得点云数据，对点云数据进行特征点检测，再将检测获得的特征点进行匹配，再进行局部位姿优化和全局位姿优化，设置有数据缓存模块：对点云块、和相机的位姿进行记录并实施反馈给特征点检测模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描方法，如图1所示，包括：
S1、通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动；
S2、通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像；
S3、对所述深度相机进行相机标定；
S4、解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据；
S5、在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
上述技术方案的工作原理为：
通过运动控制系统对多个深度相机进行运动控制，保证运动控制系统与深度相机之间进行配合同步；通过多个深度相机之间的通信控制其进行协同处理，保证多个深度相机同一时间采集深度图像；所述深度相机既可以获得图像的RGB纹理信息，还可以获得每个像素的深度信息，可自动完成深度与彩色图像之间的配对；对所述深度相机进行相机标定；在某一时刻的固定视角下，解析深度相机采集的深度图像，获得纹理信息和深度信息，基于纹理信息和深度信息构建单幅深度图像的点云数据；在深度相机运动过程中，就可以获取不同角度下的点云数据，此时需要对其进行处理，然后就可以获得目标物体的三维模型并输出。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例采用可以获得图像RGB纹理信息和每个像素的深度信息并自动配对的深度相机作为硬件支持，可以在同一个图像位置，读取到色彩信息和纹理信息，计算像素的3D相机坐标，生成点云，重建效果精细，可用于人面部扫描、医美手术术前规划、医美预期效果展示等应用场景，还实现了深度相机围绕目标物体进行360°环形扫描，优化传统三维重建算法，实现物体完整模型的重建。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描方法，所述通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
上述技术方案的工作原理为：
通过运动控制系统既可以控制深度相机与目标物体之间的平动，还可以控制深度相机进行围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动，这样就能控制深度相机对目标物体进行360°无死角进行深度图像的采集。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例通过运动控制系统与深度相机的配合实现了控制深度相机围绕目标物体进行360°环形运动，对目标物体进行360°环形扫描，增加了对目标物体进行三维重建的完整性，提升了对目标物体的曲面进行三维重建的重建质量。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描方法，所述基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
上述技术方案的工作原理为：
在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数；在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定；对深度相机进行相机标定就是获取深度相机中相机参数的过程，在三维重建过程中，为了确定目标物体表面的某点在空间中的三维几何位置与其在深度图像中对应点之间的相互关系，必须建立深度相机成像的几何模型，这些几何模型的参数就是相机参数；在某一时刻的固定视角下，深度相机模块可输出目标的纹理信息和深度信息，即可根据纹理信息和深度信息完成像素坐标系到世界坐标系的转换，构建出目标物体的单幅图像的点云数据。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例的三维重建过程完成了从像素坐标系到世界坐标系的转换，同时，构建出目标物体的点云数据带有纹理信息和深度信息，提升了对目标物体进行三维重建的精细度和完整性。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描方法，所述获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
上述技术方案的工作原理为：
对不同视角下目标物体的点云数据进行特征点检测，可以获得该点云数据的的特征点；预设的特征点匹配规则具体为：将特征点使用对应的机器和ICP、ORB算法等进行匹配；将点云数据的特征点匹配后就可以获得初始模型；这就实现了点云拼接；预处理具体为：平滑和滤波处理，可以显著减少和消除初始模型中的噪声点；系统中预设局部位姿优化和全局位姿优化；对初始模型进行局部位姿优化和全局位姿优化就可以获得目标物体的三维模型；最后，输出目标物体的三维模型；局部位姿优化和全局位姿优化可以采用图优化技术实现。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例对不同角度下的目标物体的点云数据进行点云拼接，点云拼接过程中还进行了预处理、局部位姿优化和全局位姿优化，提升了对目标物体进行三维重建的精细度。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描装置，包括：
上位机、与所述上位机电连接的运动控制系统和多个深度相机；
所述运动控制系统包括：伺服电机和运动控制卡；
所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像，对所述深度相机进行相机标定，解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据，在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
上述技术方案的工作原理为：
通过运动控制系统对多个深度相机进行运动控制，保证运动控制系统与深度相机之间进行配合同步；通过多个深度相机之间的通信控制其进行协同处理，保证多个深度相机同一时间采集深度图像；所述深度相机既可以获得图像的RGB纹理信息，还可以获得每个像素的深度信息，可自动完成深度与彩色图像之间的配对；对所述深度相机进行相机标定；在某一时刻的固定视角下，解析深度相机采集的深度图像，获得纹理信息和深度信息，基于纹理信息和深度信息构建单幅深度图像的点云数据；在深度相机运动过程中，就可以获取不同角度下的点云数据，此时需要对其进行处理，然后就可以获得目标物体的三维模型并输出；上位机中还设置有三维引擎显示模块，可以实时展现三维重建的过程。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例采用可以获得图像RGB纹理信息和每个像素的深度信息并自动配对的深度相机作为硬件支持，可以在同一个图像位置，读取到色彩信息和纹理信息，计算像素的3D相机坐标，生成点云，重建效果精细，可用于人面部扫描、医美手术术前规划、医美预期效果展示等应用场景，还实现了深度相机围绕目标物体进行360°环形扫描，优化传统三维重建算法，实现物体完整模型的重建。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描装置，所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
上述技术方案的工作原理为：
通过运动控制系统既可以控制深度相机与目标物体之间的平动，还可以控制深度相机进行围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动，这样就能控制深度相机对目标物体进行360°无死角进行深度图像的采集。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例通过运动控制系统与深度相机的配合实现了控制深度相机围绕目标物体进行360°环形运动，对目标物体进行360°环形扫描，增加了对目标物体进行三维重建的完整性，提升了对目标物体的曲面进行三维重建的重建质量。
本发明实施例提供了一种高精度环形扫描装置，所述上位机基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
上述技术方案的工作原理为：
在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数；在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定；对深度相机进行相机标定就是获取深度相机中相机参数的过程，在三维重建过程中，为了确定目标物体表面的某点在空间中的三维几何位置与其在深度图像中对应点之间的相互关系，必须建立深度相机成像的几何模型，这些几何模型的参数就是相机参数；在某一时刻的固定视角下，深度相机模块可输出目标的纹理信息和深度信息，即可根据纹理信息和深度信息完成像素坐标系到世界坐标系的转换，构建出目标物体的单幅图像的点云数据。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例的三维重建过程完成了从像素坐标系到世界坐标系的转换，同时，构建出目标物体的点云数据带有纹理信息和深度信息，提升了对目标物体进行三维重建的精细度和完整性。
所述上位机获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
上述技术方案的工作原理为：
对不同视角下目标物体的点云数据进行特征点检测，可以获得该点云数据的的特征点；预设的特征点匹配规则具体为：将特征点使用对应的机器和ICP、ORB算法等进行匹配；将点云数据的特征点匹配后就可以获得初始模型；这就实现了点云拼接；预处理具体为：平滑和滤波处理，可以显著减少和消除初始模型中的噪声点；系统中预设局部位姿优化和全局位姿优化；对初始模型进行局部位姿优化和全局位姿优化就可以获得目标物体的三维模型；最后，输出目标物体的三维模型；局部位姿优化和全局位姿优化可以采用图优化技术实现。
上述技术方案的有益效果为：本发明实施例对不同角度下的目标物体的点云数据进行点云拼接，点云拼接过程中还进行了预处理、局部位姿优化和全局位姿优化，提升了对目标物体进行三维重建的精细度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种高精度环形扫描方法，其特征在于，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动；
通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像；
对所述深度相机进行相机标定；
解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据；
在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
2.如权利要求1所述的一种高精度环形扫描方法，所述通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
3.如权利要求1所述的一种高精度环形扫描方法，所述基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
4.如权利要求1所述的一种高精度环形扫描方法，所述获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
5.一种高精度环形扫描装置，其特征在于，包括：
上位机、与所述上位机电连接的运动控制系统和多个深度相机；
所述运动控制系统包括：伺服电机和运动控制卡；
所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，通过所述深度相机之间的通信使其保持同步，控制其同时采集所述目标物体的深度图像，对所述深度相机进行相机标定，解析所述深度图像获得纹理信息和深度信息，基于所述纹理信息和深度信息构建所述目标物体的点云数据，在所述深度相机运动过程中，获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出。
6.如权利要求5所述的一种高精度环形扫描装置，其特征在于，所述上位机通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行环形运动，包括：
通过运动控制系统控制多个深度相机围绕目标物体进行360°不同角度的环形运动。
7.如权利要求5所述的一种高精度环形扫描装置，其特征在于，所述上位机基于所述纹理信息和深度信息构建点云数据，包括：
基于所述纹理信息和深度信息在预设的世界坐标系中构建所述目标物体的点云数据。
8.如权利要求5所述的一种高精度环形扫描装置，其特征在于，所述上位机获得不同角度下所述目标物体的点云数据并对其进行处理获得所述目标物体的三维模型并输出，包括：
对不同角度下所述目标物体的点云数据进行特征点检测，获得所述点云数据的的特征点；
对所述特征点根据预设的特征点匹配规则进行匹配获得初始模型；
对所述初始模型进行预处理；
对预处理的结果进行预设的局部位姿优化和全局位姿优化后输入三维引擎进行点云三角化，获得所述目标物体的三维模型；
输出所述三维模型。
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