CN114092506A - 具有3d特征的扫描装置及扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有3D特征的扫描装置及扫描方法，3D扫描仪，传送带，用于使目标物体放置且能进行线性方向的移动；传送带的工作台，能安装3D扫描仪，以通过扫描传送带上的目标物体获得目标物体的3D扫描数据；3D扫描仪在目标物体经过传送带的工作台附近时，能对目标物体进行如下扫描。传送带附近设有能改变传送带表面温度使目标物体与传送带表面出现温差的温控装置。温控装置能将传送带加热或降温，以增强传送带与目标物体在红外摄像机获得的红外辐射图像上具有较大的反差，从而辅助可见光图像建模的边缘准确度。通过线性方向的移动传输的传送带能使扫描的目标物体的建模速度大大提高，能连续、大规模的进行3D扫描建模。

Description

具有3D特征的扫描装置及扫描方法
技术领域
本发明涉及实物的3D扫描建模领域技术领域 ，尤其涉及具有3D特征的扫描装置及扫描方法。
背景技术
物体的表面几何形状的三维扫描以及数字化通常在许多工业以及服务中使用，并且三维扫描以及数字化的应用众多。物体的形状使用测距传感器、图像算法等方式来扫描并且数字化。现有技术如授权公告号为CN104335005B的中国发明专利，公开了一种用于获得关于表面的三维信息的系统，系统包括：感测装置，感测装置具有：用于在表面上提供经投射图形的图形投影仪；以及用于从一个视点获取表面的2D图像的相机，其中，参考目标集中的至少一个目标以及经投射图形的至少一部分在2D图像上是清楚的；存储器，存储器用于校准数据；图像处理器，图像处理器用于从2D图像提取经投射图形的表面点以及目标轮廓的2D图像坐标；3D表面点计算器，3D表面点计算器用于根据表面点的2D图像坐标计算表面点的3D坐标；3D目标计算器，3D目标计算器用于计算参考目标的3D位置和/或实际定向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术提供一种能提高识别准确性、优化边缘识别、扫描效率高、适应批量3D扫描的具有3D特征的扫描装置，其包括，
3D扫描仪，传送带，用于使目标物体放置且能进行线性方向的移动；传送带的工作台，能安装3D扫描仪，以通过扫描传送带上的目标物体获得目标物体的3D扫描数据；3D扫描仪在目标物体经过传送带的工作台附近时，能对目标物体进行如下扫描：扫描数据部分，整合从3D扫描仪获得的目标物体的3D扫描数据；非测量数据部分，根据扫描数据整合部分的目标对象的结果值区分非测量部分；位置校正单元，获取3D扫描仪与工作台的相对位置信息并调整传送带的控制参数。通过线性方向的移动传输的传送带能使扫描的目标物体的建模速度大大提高，能连续、大规模的进行3D扫描建模。
为了进一步优化技术方案，采用的措施还包括：
工作台用于控制传送带的正向传输或逆向传输操作，以及控制3D扫描仪的扫描操作，使传送带能使目标物体在3D扫描仪扫描区域内往复移动，扫描仪操作每个步进移动距离扫描目标物体的非测量部分。通过正向和逆向之间的来回切换，能在扫描效果不好的情况下，重新对某个角度扫描的数据进行再次建模。
非测量部分区分扫描部分和非扫描部分之间的边界线。非测量部分即通过边缘搜索获得的边界线，该边界线的搜寻使用现有算法，而扫描部分和非扫描部分通过视频、温差造成的强烈反差促进边界线的精确划分，避免非测量数据错误的进入目标物体的数据模型。
传送带具有棋盘格图案；传送带附近设有能改变传送带表面温度使目标物体与传送带表面出现温差的温控装置。温控装置能将传送带加热或降温，以增强传送带与目标物体在红外摄像机获得的红外辐射图像I上具有较大的反差，从而辅助可见光图像V建模的边缘准确度。
按预定顺序控制电机的主控装置还包括扫描方向判别部分，根据非扫描部分的边界线计算法线方向，计算法线方向的平均方向，并投影边界线非扫描部分；计算虚拟扫描数据投影面上平均方向的非扫描部分，计算出扫描数据投影面上边界线形成的面积，然后将计算值设为初始值，扫描计算边界线方向的数据投影面面积最大，同时将非扫描部分的扫描数据虚拟沿着传送带的方向移动，然后将计算方向设置为扫描方向，位置修正部沿扫描方向移动。传送带的工作台由扫描方向判别部分计算3D扫描仪在扫描方向额外测量目标物体。
3D 扫描仪包括第一机位和第二机位；3D 扫描仪具有一台能在第一机位视频摄像机和第二机位的红外摄像机；3D 扫描仪还具有光源和投影仪；投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体上；同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使光源将光发射到目标物体上；使投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体上；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体的图像能在时间信息上与传送带的传送状态具有对应关系；接收目标物体的扫描图像；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。每个摄像机包括与摄像机在相应位置相关联的唯一标识符。接收三维对象的图像包括接收与相应图像相关联的相应唯一标识符；同步多个时钟，每个时钟驻留在每个摄像机中包括：从多个时钟中的一个时钟中检索当前时间；并将多个时钟中的所有时钟设置为当前时间。
本发明还公开了具有3D特征的扫描方法，其采用上述3D特征的扫描装置，获取红外摄像机的红外辐射图像I和视频图像摄像机的可见光图像V，采集并获得图像分割结果；使光源将光发射到目标物体上；接收目标物体的扫描图像；调整传送带表面的温度；对图像分割结果进行边缘检测；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。
投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体上；还包括，同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体的图像能在时间信息上与传送带的传送状态具有对应关系。
本发明还公开了一种计算机程序，能实现上述具有3D特征的扫描方法。
一种存储介质，其存储有上述能实现上述具有3D特征的扫描方法的计算机程序。
本发明由于采用了3D扫描仪，传送带，用于使目标物体放置且能进行线性方向的移动；传送带的工作台，能安装3D扫描仪，以通过扫描传送带上的目标物体获得目标物体的3D扫描数据；3D扫描仪在目标物体经过传送带的工作台附近时，能对目标物体进行如下扫描：扫描数据部分，整合从3D扫描仪获得的目标物体的3D扫描数据；非测量数据部分，根据扫描数据整合部分的目标对象的结果值区分非测量部分；位置校正单元，获取3D扫描仪与工作台的相对位置信息并调整传送带的控制参数。传送带附近设有能改变传送带表面温度使目标物体与传送带表面出现温差的温控装置。温控装置能将传送带加热或降温，以增强传送带与目标物体在红外摄像机获得的红外辐射图像I上具有较大的反差，从而辅助可见光图像V建模的边缘准确度。通过线性方向的移动传输的传送带能使扫描的目标物体的建模速度大大提高，能连续、大规模的进行3D扫描建模。因而，本发明具有能提高识别准确性、优化边缘识别、扫描效率高、适应批量3D扫描的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构示意图；
图2为本发明实施例的步骤顺序流程示意图。
具体实施方式
以下结合附实施例对本发明作进一步详细描述。
附图标记说明：
3D扫描仪1、传送带2、传送带的工作台3、目标物体4、视频摄像机11、红外摄像机12、温控装置21。
实施例：
参照图1、2，具有3D特征的扫描装置，包括3D扫描仪1，传送带2，用于使目标物体4放置且能进行线性方向的移动；传送带的工作台3，能安装3D扫描仪1，以通过扫描传送带2上的目标物体4获得目标物体4的3D扫描数据；3D扫描仪1在目标物体4经过传送带的工作台3附近时，能对目标物体4进行如下扫描：扫描数据部分，整合从3D扫描仪1获得的目标物体4的3D扫描数据；非测量数据部分，根据扫描数据整合部分的目标对象的结果值区分非测量部分；位置校正单元，获取3D扫描仪1与工作台的相对位置信息并调整传送带2的控制参数。通过线性方向的移动传输的传送带2能使扫描的目标物体4的建模速度大大提高，能连续、大规模的进行3D扫描建模。
工作台用于控制传送带2的正向传输或逆向传输操作，以及控制3D扫描仪1的扫描操作，使传送带2能使目标物体4在3D扫描仪1扫描区域内往复移动，扫描仪操作每个步进移动距离扫描目标物体4的非测量部分。通过正向和逆向之间的来回切换，能在扫描效果不好的情况下，重新对某个角度扫描的数据进行再次建模。
非测量部分区分扫描部分和非扫描部分之间的边界线。非测量部分即通过边缘搜索获得的边界线，该边界线的搜寻使用现有算法，而扫描部分和非扫描部分通过视频、温差造成的强烈反差促进边界线的精确划分，避免非测量数据错误的进入目标物体4的数据模型。
传送带2具有棋盘格图案；传送带2附近设有能改变传送带2表面温度使目标物体4与传送带2表面出现温差的温控装置21。温控装置21能将传送带2加热或降温，以增强传送带2与目标物体4在红外摄像机12获得的红外辐射图像I上具有较大的反差，从而辅助可见光图像V建模的边缘准确度。
按预定顺序控制电机的主控装置还包括扫描方向判别部分，根据非扫描部分的边界线计算法线方向，计算法线方向的平均方向，并投影边界线非扫描部分；计算虚拟扫描数据投影面上平均方向的非扫描部分，计算出扫描数据投影面上边界线形成的面积，然后将计算值设为初始值，扫描计算边界线方向的数据投影面面积最大，同时将非扫描部分的扫描数据虚拟沿着传送带2的方向移动，然后将计算方向设置为扫描方向，位置修正部沿扫描方向移动。传送带的工作台3由扫描方向判别部分计算3D扫描仪1在扫描方向额外测量目标物体4。
3D 扫描仪包括第一机位和第二机位；3D 扫描仪具有一台能在第一机位视频摄像机11和第二机位的红外摄像机12；3D 扫描仪还具有光源和投影仪；投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体4上；同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使光源将光发射到目标物体4上；使投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体4上；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体4的图像能在时间信息上与传送带2的传送状态具有对应关系；接收目标物体4的扫描图像；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。每个摄像机包括与摄像机在相应位置相关联的唯一标识符。接收三维对象的图像包括接收与相应图像相关联的相应唯一标识符；同步多个时钟，每个时钟驻留在每个摄像机中包括：从多个时钟中的一个时钟中检索当前时间；并将多个时钟中的所有时钟设置为当前时间。
本发明还公开了具有3D特征的扫描方法，其采用上述3D特征的扫描装置，获取红外摄像机的红外辐射图像I和视频图像摄像机的可见光图像V，采集并获得图像分割结果；使光源将光发射到目标物体4上；接收目标物体4的扫描图像；调整传送带2表面的温度；对图像分割结果进行边缘检测；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。
投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体4上；还包括，同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体4的图像能在时间信息上与传送带2的传送状态具有对应关系。
本实施例还公开了一种计算机程序，能实现上述具有3D特征的扫描方法。
一种存储介质，其存储有上述能实现上述具有3D特征的扫描方法的计算机程序。
进一步的，本实施例将算法进行详细说明：可见光图像V经如下步骤处理，将可见光图像V就行各相异性扩散滤波，然后获得到平滑结果，再给予Mean Shift算法进行影像分割，以获得初始结果。
温度区分结果和初始结果经基于最小异质性准则的区域合并处理，得到经过分割的图像。
最小异质性准则的区域合并处理过程中，能以反馈方式调整阈值，以提高温度区分结果和初始结果之间的边缘识别吻合程度。
为了提高两侧的扫描效果，将3D扫描仪1在传送带的工作台3下方的导轨上移动，进而获得目标物体4的与移动方向垂直轴向的表面扫描数据。作为另一种优化方式，可以在传送带的工作台3的两端附近均设置一个扫描仪，如参照KR101424118B1进行设置。
视频摄像机11获得的可见光图像V的处理：
为削弱噪声影响和提高分割效率，首先采用各向异性扩散模型(Weickert，1998；Weickert et al.，2002)对可见光图像V进行图像平滑处理。各向异性扩散滤波算法实现的核也思想就是在最大限度的在同质区域实现扩散，而在边缘区域抑制扩散，该过程在原始影像的基础应用非线性各向异性扩散方程获取平滑结果的影像。
MeanShift算法是基于非参数概率密度梯度估计的迭代聚类过程，简要如下：
(1)影像核密度梯度滤波:
a、初始化k=1和结束条件p，用当前像元点xj初始化化窗中心位置yk=xj；
b、按核密度梯度均值漂移向量式计算收敛路径上的新位置yk+1得到向量值Mh=yk+1-yk；
c、k++，到||Mh||<p停止，记收敛点为yj,c;
d、对第j个像元点赋予新值zj=（xs j，yr j,c）。
(2)图像提取对象过程，参见员永生等，2009使用的方法。
红外摄像机12获得的红外辐射图像I：
将红外辐射图像I的每个像素的温差起伏提取出来。
温度值提取：通过对数据的统计分析，获得几种常用的面部测温范围；然后采用最小二乘拟合曲线的方法，获得这几种测温范围下图像灰度值与实际温度值之间的对应关系；最后根据上述对应关系提取出图像上每像素点处的温度值。有温度值，就有了温差矩阵。
根据预设的温度阈值对将红外辐射图像I进行温差区块的划分，得到温度分区结果。
红外辐射图像I的温度分区结果和可见光图像V的初步结果，二者的边界是难以统一的，这无形中会将本属于同质区的分割 区域被地形起伏度分区强行分隔开，降低影像的分割效果。
基于最小异质性的区域合并：
本发明采用FNEA算法使用的最小异质性合并准则( Baatz et al.，2000 )，首先应用MeanShift算法和较小的固定带宽得到过分割影像对象，基于初始过分割结果实现图模型的构建，并根据合并准则进行合并操作，得到多尺度分割结果。
区域合并过程中，由可见光谱异质性和红外光谱形状异质性决定。区域间的异质性值f的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
上式中wcolor为光谱指标的权重值，wshape为形状指标的权重值，取值[0,1]。hcolor为预设的光谱异质性指标。hshape为形状指标形状异质性指标，计算方式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
形状异质性指标由平滑度与紧致度度量，wsmooth和wcompact分别为平滑度与紧致度指标的权重值，取值[0,1]。hsmooth和hcompact分别为平滑度与紧致度指标度量值。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
S 为遥感影像分割对象的面积；l是影像对象的周长；b是最短边长。
区域合并过程可简单描述为: 遍历分割后 的影像对象的 区域邻接图存储于矩阵中，根据合并准则合并邻接且满足最小异质性准则的影像对象，迭代合并过程直至结束。
多尺度分割其基本思想是综合考虑可见光谱影像的颜色(光谱)特征和红外下形状特征等因素，在基于初次分割的基础上采用自下而上的迭代合并算法将影像分割为高度同质性的斑块对象(Tab et al.，2006)。影像多尺度分割的结果由区域合并过程中的光谱异质性、形状异质性、面积阔值3个指标决定，这3个指标即分割尺度，具体分割算法采用现有的EDISON高斯核函数作为均值漂移的核函数。
尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.具有3D特征的扫描装置，其特征是：包括，
3D扫描仪（1），
传送带（2），用于使目标物体（4）放置且能进行线性方向的移动；
传送带的工作台（3），能安装所述的3D扫描仪（1），以通过扫描所述的传送带（2）上的目标物体（4）获得目标物体（4）的3D扫描数据；
所述的3D扫描仪（1）在目标物体（4）经过所述的传送带的工作台（3）附近时，能对目标物体（4）进行如下扫描：扫描数据部分，整合从3D扫描仪（1）获得的目标物体（4）的3D扫描数据；非测量数据部分，根据扫描数据整合部分的目标对象的结果值区分非测量部分；位置校正单元，获取3D扫描仪（1）与所述的工作台的相对位置信息并调整传送带（2）的控制参数。
2.如权利要求1所述的具有3D特征的扫描装置，其特征是：所述的工作台用于控制传送带（2）的正向传输或逆向传输操作，以及控制所述的3D扫描仪（1）的扫描操作，使传送带（2）能使目标物体（4）在所述的3D扫描仪（1）扫描区域内往复移动，扫描仪操作每个步进移动距离扫描目标物体（4）的非测量部分。
3.如权利要求1所述的具有3D特征的扫描装置，其特征是：所述的非测量部分区分扫描部分和非扫描部分之间的边界线。
4.如权利要求1所述的具有3D特征的扫描装置，其特征是：所述的传送带（2）具有棋盘格图案；所述的传送带（2）附近设有能改变传送带（2）表面温度使所述的目标物体（4）与传送带（2）表面出现温差的温控装置（21）。
5.如权利要求1所述的具有3D特征的扫描装置，其特征是：按预定顺序控制电机的主控装置还包括扫描方向判别部分，根据非扫描部分的边界线计算法线方向，计算法线方向的平均方向，并投影边界线非扫描部分；计算虚拟扫描数据投影面上平均方向的非扫描部分，计算出扫描数据投影面上边界线形成的面积，然后将计算值设为初始值，扫描计算边界线方向的数据投影面面积最大，同时将非扫描部分的扫描数据虚拟沿着传送带（2）的方向移动，然后将计算方向设置为扫描方向，位置修正部沿扫描方向移动。
6.如权利要求1所述的具有3D特征的扫描装置，其特征是：所述的3D 扫描仪包括第一机位和第二机位；3D 扫描仪具有一台能在第一机位视频摄像机（11）和第二机位的红外摄像机（12）；3D 扫描仪还具有光源和投影仪；投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体（4）上；同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使光源将光发射到目标物体（4）上；使投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体（4）上；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体（4）的图像能在时间信息上与传送带（2）的传送状态具有对应关系；接收目标物体（4）的扫描图像；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。
7.具有3D特征的扫描方法，其特征是：采用如权利要求1所述的3D特征的扫描装置，获取红外摄像机的红外辐射图像I和视频图像摄像机的可见光图像V，采集并获得图像分割结果；使光源将光发射到目标物体（4）上；接收目标物体（4）的扫描图像；调整传送带（2）表面的温度；对图像分割结果进行边缘检测；以及处理扫描图像以生成包括图像的测量数据结构模型。
8.如权利要求7所述的具有3D特征的扫描方法，其特征是：所述的投影仪将辅助标定的图案投影到目标物体（4）上；还包括，同步多个时钟，每个时钟设置在3D 扫描仪中；使基于同步时钟，3D 扫描仪中的每个摄像机捕捉目标物体（4）的图像能在时间信息上与传送带（2）的传送状态具有对应关系。
9.一种计算机程序，其特征是：所述的计算机程序能实现如权利要求7所述的具有3D特征的扫描方法。
10.一种存储介质，其特征是：存储有如权利要求9所述计算机程序。
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