CN114627249A - 三维扫描系统及三维扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种三维扫描系统及三维扫描方法，其中，该系统包括扫描装置和与扫描装置连接的建模终端，扫描装置用于获取扫描目标的第一原始图像数据，扫描装置内置第一现场可编程门阵列模块，第一现场可编程门阵列模块用于对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；建模终端，基于特征数据进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型。通过本申请，在提高三维扫描系统的传输效率的前提下，建模终端只需对有效的特征数据进行建模，能够进一步降低特征数据的配置要求，以达到高帧率扫描的需求；解决了相关技术中三维扫描系统受限于线缆的传输效率，导致扫描效率低，且对电脑端配置要求高的问题。

Description

三维扫描系统及三维扫描方法
技术领域
本发明涉及三维扫描技术领域，特别是涉及一种三维扫描系统及三维扫描方法。
背景技术
近年来出现的三维扫描系统，其工作原理均是采用激光器和摄像头的组合，根据三角测量法获得物体表面三维数据。这种测量原理的应用越来越广泛，已然成为高精度三维测量领域的主要测量方法之一，被广泛应用在机械、汽车、航空、雕塑、医疗等行业。
传统的三维扫描系统，通常由三维扫描仪与一定配置的电脑通过线缆连接组成。其中，三维扫描仪仅用于获取原始图像数据，然后将原始图像数据通过线缆传输到电脑端。电脑端接收到原始图像数据后，对上述原始图像数据进行实时数据处理，最后处理得到三维模型。随着对三维扫描仪的要求越来越高，为了提升三维扫描仪的性能，往往会增加相机的分辨率，这样会加大数据传输量，若还按照传统三维扫描工作方式进行，会大大降低数据传输速度，降低扫描效率；另外，即便这些数据都传输至电脑端，电脑也会因如此大的数据量而出现卡顿，同样也会大大降低扫描效率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种三维扫描系统及三维扫描方法，以至少解决相关技术中三维扫描系统在扫描过程中因数据量大，而导致扫描效率低的问题。
第一个方面，在本实施例中提供了一种三维扫描系统，包括扫描装置和与所述扫描装置连接的建模终端，所述扫描装置用于获取扫描目标的第一原始图像数据，所述扫描装置内置第一现场可编程门阵列模块，所述第一现场可编程门阵列模块用于对所述第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
所述建模终端，基于所述特征数据进行后置建模处理，以生成所述扫描目标的三维模型。
在其中的一些实施例中，所述第一现场可编程门阵列模块包括第一特征处理单元；
所述第一特征处理单元，用于对所述第一原始图像数据进行特征识别；所述特征识别包括标记点识别和/或激光点识别。
在其中的一些实施例中，所述第一现场可编程门阵列模块还包括与所述第一特征处理单元连接的第一图像信号处理单元；
所述第一图像信号处理单元，用于对所述第一原始图像数据进行图像信号处理，以将经过处理的所述第一原始图像数据传输至所述第一特征处理单元。
在其中的一些实施例中，所述第一现场可编程门阵列模块还包括第一提取单元；
所述第一提取单元，与所述第一特征处理单元连接，用于对所述第一原始图像进行特征识别的识别结果进行亚像素提取。
在其中的一些实施例中，所述扫描装置还包括至少两个第一采集模块和传输模块；
至少两个所述第一采集模块，均与所述第一现场可编程门阵列连接，用于对扫描目标进行扫描，以获取所述扫描目标的第一原始图像数据，并将所述第一原始图像数据传输至所述第一现场可编程门阵列；
所述传输模块，与所述第一现场可编程门阵列连接，用于将所述第一现场可编程门阵列中有效的特征数据传输至所述建模终端。
在其中的一些实施例中，所述第一现场可编程门阵列还包括第一同步单元；
所述第一同步单元，分别与至少两个所述第一采集模块连接，用于对接收的至少两个所述第一采集模块的所述第一原始图像数据进行分别计数，以使所述第一现场可编程门阵列对同一时间获取的所述第一原始图像数据进行同步前置计算处理。
在其中的一些实施例中，至少两个所述第一采集模块分别贴合于对应的所述扫描装置的镜头上，每个所述第一采集模块至所述第一现场可编程门阵列的距离均不小于第一预设阈值。
在其中的一些实施例中，所述系统还包括跟踪装置；
所述跟踪装置，与所述建模终端连接，用于获取跟踪目标的第二原始图像数据；
所述跟踪装置内置第二现场可编程门阵列模块，所述第二现场可编程门阵列模块用于对所述第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
在其中的一些实施例中，所述跟踪装置还包括至少两个第二采集模块；
所述第二现场可编程门阵列模块的数量与所述第二采集模块相同；
至少两个所述第二采集模块，与对应的所述第二现场可编程门阵列连接，用于获取所述跟踪目标的第二原始图像数据，并将所述第二原始图像数据传输至对应的所述第二现场可编程门阵列。
在其中的一些实施例中，每个所述第二采集模块分别贴合于对应的所述跟踪装置的镜头上；所述第二现场可编程门阵列至所述第二采集模块的距离不小于第二预设阈值。
在其中的一些实施例中，所述跟踪装置还包括控制模块；所述控制模块内置第二同步单元；
所述第二同步单元，与每个所述第二现场可编程门阵列连接，用于根据与所述第二原始图像数据对应的时间戳对所述第二原始图像数据进行识别。
在其中的一些实施例中，所述第二现场可编程门阵列包括第二特征处理单元，用于对所述第二原始图像数据进行特征识别；所述特征识别包括标记点识别。
在其中的一些实施例中，所述跟踪装置的数量至少为两个；
至少两个所述跟踪装置，均与所述建模终端连接，用于获取各自跟踪目标的第三原始图像数据；
所述跟踪装置内置第二现场可编程门阵列模块，所述第二现场可编程门阵列模块用于对所述第三原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
第二个方面，在本实施例中提供了一种三维扫描方法，适用于如第一方面所述的三维扫描系统，所述方法包括：
获取扫描目标的第一原始图像数据；
在所述扫描装置内置的第一现场可编程门阵列中，对所述第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
在与所述扫描装置连接的建模终端中，基于所述特征数据进行后置建模处理，以生成所述扫描目标的三维模型。
本发明提供的三维扫描系统及三维扫描方法，其中，三维扫描系统包括扫描装置和与扫描装置连接的建模终端，扫描装置用于获取扫描目标的第一原始图像数据，扫描装置内置第一现场可编程门阵列模块，第一现场可编程门阵列模块用于对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；建模终端，基于特征数据进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型；在提高三维扫描系统的传输效率的前提下，建模终端只需对有效的特征数据进行建模，能够进一步降低特征数据的配置要求，以达到高帧率扫描的需求；解决了相关技术中三维扫描系统受限于线缆的传输效率，导致扫描效率低，且对电脑端配置要求高的问题。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是现有的三维扫描系统的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的三维扫描装置的结构示例图；
图3是本申请一实施例提供的扫描装置的结构示意图；
图4是本申请另一实施例提供的三维扫描装置的结构示例图；
图5是本申请一实施例提供的跟踪装置的结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的三维扫描方法的流程图。
图中：1、相机；2、接收转接模块；3、电脑；100、扫描装置；110、第一采集模块；120、第一现场可编程门阵列模块；121、第一图像信号处理单元；122、第一特征处理单元；123、第一提取单元；124、第一同步单元；130、传输模块；140、第一补光模块；150、第一激光模块；160、第一存储模块；200、建模终端；300、跟踪装置；310、第二采集模块；320、第二现场可编程门阵列模块；321、第二图像信号处理单元；322、第二特征处理单元；323、第二提取单元；330、控制模块；331、第二同步单元；340、第二补光模块；350、第二激光模块。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请当元件被称为“设于”另一个元件，它可以直接设在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“固定于”另一个元件，它可以是直接固定在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面对本申请的设计思想进行说明：
传统的三维扫描系统，通常由三维扫描仪与一定配置的电脑3通过线缆连接组成。其中，三维扫描仪仅用于获取原始图像数据，然后将原始图像数据通过线缆传输到电脑3端。其中，电脑3端的配置要求需要满足对原始图像数据进行实时数据处理，并依据处理后的数据进行三维建模，以得到三维模型。如图1所示，包括两个相机1、接收转接模块2、线缆以及电脑3；相机1有以太网接口或者USB接口，将采集到的原始图像数据通过高速线缆发送到接收转接模块2。接收转接模块2将接收的原始图像数据通过高速线缆发送到电脑3，电脑3对原始图像数据进行实时数据处理，并依据处理后的数据进行三维建模，以得到三维模型。
但是随着三维扫描仪中相机1的分辨率的提升，相机1采集的都是高分辨率的图像数据。由于线缆需要传输所有的高分辨率的原始图像数据，会导致线缆的传输压力很大。目前最为常见的传输方式为千兆网传输和USB3.0传输，千兆网的理论带宽是1Gbps，USB3.0的理论带宽是5Gbps，目前常用的相机1分辨率为1280×1024，2048×1536，2448×2048。而扫描系统在使用中通常会有至少两个相机1同时工作，当扫描系统需要同时传输两个相机1的原始图像数据时，如果使用千兆网的理论带宽传输，在1280×1024，2048×1536，2448×2048三种分辨率下分别能够达到50fps，20.8fps，13fps；如果使用USB3.0的理论带宽进行传输，在以上三种分辨率下分别能够达到200fps，83.2fps，52fps；而在实际使用过程中，千兆网和USB3.0的速度都会因为线缆、接口、芯片等原因无法达到理论速度，实际上USB3.0实际使用最大上限一般是3.2Gbps，导致扫描系统无法达到高帧率的使用。也就是说若还按照传统三维扫描工作方式进行，会大大降低数据传输速度，降低扫描效率；另外，即便这些数据都传输至电脑3，电脑3也会因如此大的数据量而出现卡顿，同样也会大大降低扫描效率。
鉴于此，本申请设计了一种三维扫描系统及三维扫描方法。该系统包括扫描装置和与扫描装置连接的建模终端，扫描装置中内置的第一现场可编程门阵列模块对获取的第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；再将该有效的特征数据传输至建模终端，建模终端基于特征数据进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型；实现了在提高三维扫描系统的传输效率的前提下，建模终端只需对有效的特征数据进行建模，能够进一步降低特征数据的配置要求，以达到高帧率扫描的需求。
在本实施例中提供了一种三维扫描系统，图2是本实施例的三维扫描系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括扫描装置100和与扫描装置100连接的建模终端200，扫描装置100用于获取扫描目标的第一原始图像数据，扫描装置100内置第一现场可编程门阵列模块，第一现场可编程门阵列模块用于对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
建模终端200，基于特征数据进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型。
具体的，上述扫描装置100可以是一台扫描仪设备，也可以包括多台扫描仪设备。多台扫描仪设备可以独立进行工作，也可以相互配合工作。上述建模终端200可以为一个或多个电脑端，且配置统一。扫描装置100通过USB3.0与建模终端200建立连接，实现扫描装置100和建模终端200之间的数据传输。也可以在扫描装置100上设置传输模块，通过传输模块与建模终端200建立网络连接，实现扫描装置100和建模终端200之间的数据传输。
扫描装置100中内置的第一现场可编程门阵列模块可以承担一部分的工作。即在对扫描目标进行扫描的过程中，扫描装置100会实时获取扫描目标的第一原始图像数据，再利用扫描装置100中内置的第一现场可编程门阵列模块对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据，将有效的特征数据通过USB3.0传输至建模终端200进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型；而不是直接传输第一原始图像数据，可以有效提高传输效率。比如：第一原始图像数据的分辨率为2448×2048，采用线缆传输第一原始图像数据的理论速度是13fps。而本申请传输的是有效的特征数据；比如：特征数据为标记点，那么一个标记点大小50×50，一副第一原始图像数据里面100个标记点，如果第一原始图像数据是250000个字节，则占第一原始图像数据的5%，如果按照千兆网的传输速度上限，帧率可以达到260fps。
其中，第一原始图像数据可以通过扫描装置100中的第一采集模块获取；第一原始图像数据包括但不限于图像数据、视差图、深度图或彩色信息等。其中，特征数据指的是对于三维建模来说有效的特征数据；特征数据包括但不限于云图数据、点云数据等。建模终端200基于有效的特征数据进行后置建模处理，能够有效降低对建模终端200的配置要求，并且提高建模效率。
其中，建模终端200：可以是移动终端、固定终端或便携式终端，例如移动手机、站点、单元、设备、多媒体计算机、多媒体平板、互联网节点、通信器、台式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、上网本计算机、平板计算机、个人通信系统(PCS)设备、个人导航设备、个人数字助理(PDA)、音频/视频播放器、定位设备、电视接收器、无线电广播接收器、电子书设备、游戏设备或者其任意组合，包括这些设备的配件和外设或者其任意组合。
下面结合图3对前置计算处理进行详细说明：
在其中的一些实施例中，前置计算处理至少包括特征识别，从而能够提取出有效的特征数据。
具体的，第一现场可编程门阵列模块120包括第一特征处理单元122；
第一特征处理单元122，用于对第一原始图像数据进行特征识别；特征识别包括标记点识别和/或激光点识别。
具体的，第一特征处理单元122可以包括第一标记点识别子单元和/或第一激光点识别子单元。即第一特征处理单元122可以包括第一标记点识别子单元、第一激光点识别子单元；或者第一标记点识别子单元和第一激光点识别子单元。
其中，第一标记点识别子单元，用于对第一原始图像数据进行标记点识别。具体过程可以为：使用一个算子去遍历每一行的第一原始图像数据，找出灰度梯度变化符合预设第一要求的位置坐标，认为该位置坐标为图像边沿；将识别出的各位置坐标进行二值化，对二值化后各位置坐标的进行孔洞填补和孤立点去除，并开始寻找连通域；寻找整幅原始图像的连通域，并将连通域以坐标形式输出，得到有效的标记点坐标数据。
其中，第一激光点识别子单元，用于对第一原始图像数据进行激光点识别。具体过程可以为：使用算子进行遍历每一行的第一原始图像数据，找出灰度梯度变化预设第二要求的位置坐标，认为该位置坐标为图像边沿；对位置坐标中的强边缘进行输出，弱边缘进行强化后输出，得到有效的激光点坐标数据。
通过上述的特征识别，由扫描装置传输至建模终端的特征数据为标记点坐标数据和/或激光点坐标数据；这两个特征数据相对于第一原始图像数据，在系统的传输条件下，能够显著提高传输效率。
在其中的一些实施例中，为了提高识别准确度和识别效率，可以在特征识别之前，对第一原始图像数据进行图像信号（Image Signal Processor，ISP）处理。具体的，第一现场可编程门阵列模块120还包括与第一特征处理单元122连接的第一图像信号处理单元121；第一图像信号处理单元121，用于对第一原始图像数据进行图像信号处理，以将经过处理的第一原始图像数据传输至第一特征处理单元122。
其中，图像信号处理的具体过程为：包括Bayer、黑电平补偿（black levelcompensation）、镜头矫正（lens shading correction）、坏像素矫正（bad pixelcorrection）、颜色插值（demosaic）、Bayer噪声去除、白平衡（AWB）矫正、色彩矫正（colorcorrection）、gamma矫正、色彩空间转换（RGB转换为YUV）、在YUV色彩空间上彩噪去除与边缘加强、色彩与对比度加强，中间还要进行自动曝光控制等，最后输出YUV（或者RGB）格式的图像数据，先对第一原始图像数据进行图像信号处理，再将经过图像信号处理的第一原始图像数据传输至第一特征处理单元122中进行特征识别有利于提高特征识别的识别准确度和识别效率。
在其中的一些实施例中，为了提高识别精度，可以在特征识别之后，对特征数据进行亚像素提取。具体的，第一现场可编程门阵列模块120还包括第一提取单元123；
第一提取单元123，与第一特征处理单元122连接，用于对第一原始图像进行特征识别的识别结果进行亚像素提取。
其中，亚像素提取为：采用插值算法对特征识别得到的特征数据（标记点坐标数据和激光点坐标数据）进行亚像素提取。其中，插值算法包括但不限于二次插值、B样条插值和切比雪夫多项式插值等，对此并不进行限制。
在其中的一些实施例中，扫描装置还包括至少两个第一采集模块110和传输模块130；
至少两个第一采集模块110，均与第一现场可编程门阵列连接，用于对扫描目标进行扫描，以获取扫描目标的第一原始图像数据，并将第一原始图像数据传输至第一现场可编程门阵列；
传输模块130，与第一现场可编程门阵列连接，用于将第一现场可编程门阵列中有效的特征数据传输至建模终端。
具体的，扫描装置中第一采集模块110的数量至少为两个。至少两个第一采集模块110，均与第一现场可编程门阵列连接，在第一现场可编程门阵列的配置信息和控制指令控制下配置第一采集模块110的参数和触发其对扫描目标进行扫描，获取第一原始图像数据。第一采集模块110可以为图像传感器（Image sensor），两个图像传感器相对设置在扫描装置中的镜头位置，其他器件设置在扫描装置的内腔中。目前，直接传输至少两个第一采集模块110获取的第一原始图像数据，受线缆的传输限制，很难达到高帧率的传输目的。因此，将至少两个第一采集模块110获取的第一原始图像数据传输至第一现场可编程门阵列进行前置计算处理，得到有效的特征数据，再将该有效的特征数据通过传输模块130传输至建模终端，从而降低数据传输量，达到高帧率传输的目的。
传输模块130用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络包括终端的有限网络或无线网络。在一个实例中，传输模块130可以为CYPRESS，其用于通过USB3.0进行通讯。
在其中的一些实施例中，第一现场可编程门阵列还包括第一同步单元124；
第一同步单元124，分别与至少两个第一采集模块110连接，用于对接收的至少两个第一采集模块110的第一原始图像数据进行分别计数，以对同一时间获取的第一原始图像数据进行同步前置计算处理。虽然第一采集模块110是在第一现场可编程门阵列的控制指令下可以实现同时触发扫描，但是由于第一采集模块110硬件和软件之间的差异，同一时间采集的第一原始图像数据传输至第一现场可编程门阵列可能存在时间上的差异。因此，为了解决这一问题，且实现多角度同步拍摄成像，进一步提高扫描效率。利用第一同步单元124主要用于对至少两个第一采集模块110的同步工作。
具体同步过程为：首先，在第一现场可编程门阵列的控制指令控制下配置两个第一采集模块110的参数。其次，在第一现场可编程门阵列的控制指令控制下同时触发两个第一采集模块110对扫描目标进行扫描，获取各自的第一原始图像数据。其次，第一现场可编程门阵列，对接收的第一个第一采集模块110的第一帧的第一原始图像数据标记为1；第二帧的第一原始图像数据标记为2，以此类推后续标记的计数；第一现场可编程门阵列，对接收的第二个第一采集模块110的第一帧的第一原始图像数据标记为1；第二帧的第一原始图像数据标记为2，以此类推后续标记的计数；最后，通过比对标记是否相同来判断是否为同一时间获取的第一原始图像数据。比如：第一原始图像数据的标记均为2，那么是同一时间获取的第一原始图像数据。
由于扫描装置不限于一台扫描仪设备，可以包括多台扫描仪设备，所以上述多个第一采集模块110可以设置在一台扫描仪设备上，也可以分别设置在多台扫描仪设备上。
在其中的一些实施例中，多个第一采集模块110可以设置在一台扫描仪设备上，且其他器件也设置在该扫描仪设备上；传统的第一采集模块110和第一现场可编程门阵列是安装在一起，由于第一采集模块110和第一现场可编程门阵列都是发热很严重的元件；且第一采集模块110需要设置在镜头出，会导致扫描装置中所有产生的热量会通过外壳直接传导给镜头，温度的变化会使得拍摄的原始图像数据精度产生不可控的变化，目前的普遍做法是根据原始图像数据和温度变化测量出温度曲线，从算法上对精度进行补偿，但是该方法非常耗时，且最终结果也很难达到理想预期。
在本实施例中，至少两个第一采集模块110分别贴合于对应的扫描装置的镜头上，每个第一采集模块110至第一现场可编程门阵列的距离均不小于（大于或等于）第一预设阈值。采用第一采集模块110和第一现场可编程门阵列分离的设置方式，且每个第一采集模块110至第一现场可编程门阵列的距离均不小于第一预设阈值。其中，第一现场可编程门阵列设置在扫描装置的内腔中，第一预设阈值指的是第一现场可编程门阵列与两个第一采集模块110的距离相同，且第一现场可编程门阵列与其中一个第一采集模块110的距离最远。本实施例只有第一采集模块110的热量会传递到镜头上，内腔中第一现场可编程门阵列的热量会传递给扫描装置的骨架以散热。相较于传统的方案，发热对精度的影响得到缓解。当然在本实施例方案的基础上，可以再结合根据原始图像数据和温度变化测量出温度曲线，从算法上对精度进行补偿，对此并不进行限制。
在其中的一些实施例中，扫描装置还包括第一存储模块160；第一存储模块160，设置在扫描装置的内腔中，与第一现场可编程门阵列连接，用于接收并存储第一原始图像数据。第一存储模块160主要用于缓存第一原始图像数据。由于第一存储模块160也是一个发热元件，将其设置在内腔中能够避免将其热量传递到镜头，影响原始图像数据的获取精度。
在其中的一些实施例中，扫描装置还包括第一补光模块140和第一激光模块150；
第一补光模块140，与第一现场可编程门阵列连接，用于在第一现场可编程门阵列的控制指令下，对扫描目标的扫描进行补光。第一补光模块140的数量与第一采集模块110的数量一样。每个第一补光模块140为对应的第一采集模块110的工作进行补光；从而提高获取第一原始图像数据的清晰度。
第一激光模块150，与第一现场可编程门阵列连接，用于在第一现场可编程门阵列的控制指令下激发激光到扫描目标上，激发的激光投射到扫描目标上，形成激光点。
基于上述各器件组成的三维扫描系统可以看成是一个手持式三维扫描仪。
在扫描时，扫描的流程为：首先，第一现场可编程门阵列与建模终端通过传输模块130建立USB连接，建模终端将配置信息（曝光时间、帧率、增益等）以及控制指令（开始触发、停止触发等指令）发送给第一现场可编程门阵列；其次，第一现场可编程门阵列根据接收到的配置信息和控制指令触发补光灯和激光器的工作，并启动第一采集模块110；再次，第一采集模块110将获取到的第一原始图像数据传递给第一现场可编程门阵列，第一现场可编程门阵列对接收到的第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；最后，将有效的特征数据通过传输模块130传递到建模终端进行后置建模处理，生成扫描目标的三维模型。
在其中的一些实施例中，如图4所示，三维扫描系统，还包括跟踪装置300；
跟踪装置300，与建模终端200连接，用于获取跟踪目标的第二原始图像数据；
跟踪装置300内置第二现场可编程门阵列模块，第二现场可编程门阵列模块用于对第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
具体的，上述跟踪装置300可以是一台跟踪仪设备，也可以包括多台跟踪仪设备。多台跟踪仪设备可以独立进行工作，也可以相互配合工作。跟踪装置300通过USB3.0与建模终端200建立连接，实现跟踪装置300和建模终端200之间的数据传输。也可以在跟踪装置300上设置控制模块，通过该控制模块与建模终端200建立网络连接，实现跟踪装置300和建模终端200之间的数据传输。
和扫描装置100中内置的第一现场可编程门阵列模块类似，跟踪装置300中内置的第二现场可编程门阵列模块也可以承担一部分的工作。即在对跟踪目标进行跟踪的过程中，跟踪装置300会实时获取跟踪目标的第二原始图像数据，再利用跟踪装置300中内置的第二现场可编程门阵列模块对第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据，再将有效的特征数据通过USB3.0传输至建模终端200，而不是直接传输第二原始图像数据，可以有效提高传输效率。相应的，建模终端200，基于特征数据进行后置建模处理，以生成三维模型。
需要知道的是，跟踪目标指的是跟踪装置300视野内需要跟踪的目标对象。其可能包括待扫描的物体、扫描装置100、标记点辅助工件等。扫描目标指的是扫描装置100视野内需要扫描的目标对象。其可能包括待扫描的物体、标记点辅助工件等。
跟踪装置300中的各器件和扫描装置100中的各器件在名称相同的情况下，器件本身也是一样的，区别在于数据处理、安装位置或者数量存在差别。比如：第一现场可编程门阵列模块和第二现场可编程门阵列模块都是现场可编程门阵列模块，区别在于扫描装置100中的现场可编程门阵列模块是一个，连接两个采集模块。而跟踪装置300中的现场可编程门阵列模块是两个，每个现场可编程门阵列模块对应一个采集模块。其他器件的差异在此不一一举例说明。
下面结合图5对跟踪装置的各部件进行详细说明：
在其中的一些实施例中，第二现场可编程门阵列模块320包括第二特征处理单元322；
第二特征处理单元322，用于对第二原始图像数据进行特征识别；特征识别包括标记点识别。在其他实施例中，第二原始图像数据也可以进行激光点识别或者进行标记点识别和激光点识别。
可如上第一特征处理单元，在此不作赘述。
在其中的一些实施例中，第二现场可编程门阵列模块320还包括与第二特征处理单元322连接的第二图像信号处理单元321；
第二图像信号处理单元321，用于对第二原始图像数据进行图像信号处理，以将经过处理的第二原始图像数据传输至第二特征处理单元322。
可如上第二图像信号处理单元321，在此不作赘述。
在其中的一些实施例中，第二现场可编程门阵列模块320还包括第二提取单元323；
第二提取单元323，与第二特征处理单元322连接，用于对第二原始图像进行特征识别的识别结果进行亚像素提取。
可如上第二提取单元323，在此不作赘述。
在其中的一些实施例中，跟踪装置还包括至少两个第二采集模块310；
第二现场可编程门阵列模块320的数量与第二采集模块310相同；
至少两个第二采集模块310，与对应的第二现场可编程门阵列连接，用于获取跟踪目标的第二原始图像数据，并将第二原始图像数据传输至对应的第二现场可编程门阵列。
具体的，每个第二现场可编程门阵列连接一个对应的第二采集模块310；每个第二现场可编程门阵列单独控制一个第二采集模块310。比如：由第二现场可编程门阵列的配置信息对对应的第二采集模块310进行参数的配置，在配置完后，由第二现场可编程门阵列的控制指令触发对应的第二采集模块310对跟踪目标进行跟踪扫描，获取第二原始图像数据。第二采集模块310可以为图像传感器，两个图像传感器相对设置在跟踪装置中的镜头位置，其他器件设置在跟踪装置的内腔中。将至少两个第二采集模块310获取的第二原始图像数据传输至对应的第二现场可编程门阵列分别进行前置计算处理，得到有效的特征数据，再将该有效的特征数据传输至建模终端，从而降低数据传输量，达到高帧率传输的目的。
由于跟踪装置不限于一台跟踪仪设备，可以包括多台跟踪仪设备，所以上述多个第二采集模块310可以设置在一台跟踪仪设备上，也可以分别设置在多台跟踪仪设备上。
在其中的一些实施例中，多个第二采集模块310可以设置在一台跟踪仪设备上，且其他器件也设置在该跟踪仪设备上；那么每个第二采集模块310分别贴合于对应的跟踪装置的镜头上；第二现场可编程门阵列至第二采集模块310的距离不小于（大于或等于）第二预设阈值。采用每个第二采集模块310和每个第二现场可编程门阵列分离的设置方式，其中，第二现场可编程门阵列设置在跟踪装置的内腔中，第二采集模块310贴合在跟踪装置的镜头上。
第二预设阈值指的是第二现场可编程门阵列与两个第二采集模块310的距离均大于或等于第二预设阈值。本实施例只有第二采集模块310的热量会传递到镜头上，内腔中第二现场可编程门阵列的热量会传递给跟踪装置的骨架以散热。相较于传统的方案，发热对精度的影响得到缓解。当然在本实施例的方案基础上，可以再结合根据原始图像数据和温度变化测量出温度曲线，从算法上对精度进行补偿，对此并不进行限制。
在其中的一些实施例中，跟踪装置还包括控制模块330；控制模块330内置第二同步单元331；
第二同步单元331，与每个第二现场可编程门阵列连接，用于根据与第二原始图像数据对应的时间戳对第二原始图像数据进行识别。具体的，控制模块330可以为ARM处理器。
具体同步过程为：每个第二采集模块310通过预先定义的通讯协议实现与每个第二现场可编程门阵列连接；在传输第二原始图像数据时，能将与第二原始图像数据对应的时间戳存储在通讯协议的指定字段中。每个第二现场可编程门阵列也是通过该通讯协议实现与第二同步单元331的数据交互，将时间戳和第二原始图像数据传输至第二同步单元331。那么第二同步单元331可以从通讯协议中解析出与第二原始图像数据对应的时间戳。通过比对时间戳是否相同来判断是否为同一时间获取的第二原始图像数据。
预先定义的通讯协议指的是，指定通讯协议的格式中某一个字段用于存储时间戳。那么对应的，可以从通讯协议中解析出与第二原始图像数据对应的时间戳。
在其中的一些实施例中，跟踪装置还包括第二补光模块340和第二激光模块350；
第二补光模块340，与控制模块330连接，用于在控制模块330的控制指令下，对跟踪目标的扫描进行补光。第二补光模块340的数量与第二采集模块310的数量一样。每个第二补光模块340为对应的第二采集模块310的工作进行补光；从而提高获取第二原始图像数据的清晰度。
第二激光模块350，与控制模块330连接，用于在控制模块330的控制指令下激发激光到跟踪目标上，激发的激光投射到跟踪目标上，形成激光点。
在其中的一些实施例中，跟踪模块还包括第二存储模块；第二存储模块，设置在跟踪装置的内腔中，与控制模块330连接，用于接收并存储第二原始图像数据。第二存储模块主要用于缓存第二原始图像数据。由于第二存储模块也是一个发热元件，将其设置在内腔中能够避免将其热量传递到镜头，影响原始图像数据的获取精度。
基于上述各器件组成的三维扫描系统可以看成是跟踪式三维扫描仪。
在扫描时，跟踪式三维扫描仪中的扫描装置如前所述，跟踪装置的扫描流程为：首先，控制模块330与建模终端建立连接，建模终端将配置信息（曝光时间、帧率、增益等）以及控制指令（开始触发、停止触发等指令）发送给控制模块330；其次，控制模块330接收到控制指令会分别触发第二补光模块340和第二激光模块350，同时将配置信息发送到两路的第二现场可编程门阵列，并发送触发采集模块指令；再次，两路第二现场可编程门阵列分别将配置信息和触发指令发送到第二采集模块310；两个第二采集模块310获取到第二原始图像数据，并分别将第二原始图像数据传输到对应的两路第二现场可编程门阵列上；然后，两路第二现场可编程门阵列分别对第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；最后，将有效的特征数据通过控制模块330传递到建模终端进行后置建模处理，生成扫描目标的三维模型。
在其中的一些实施例中，跟踪装置的数量至少为两个；
至少两个跟踪装置，均与建模终端连接，用于获取各自跟踪目标的第三原始图像数据；
跟踪装置内置第二现场可编程门阵列模块320，第二现场可编程门阵列模块320用于对第三原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
每个跟踪装置的结构均与上述相同，在此不作赘述。
需要说明的是，以上所使用的术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管在以下实施例中所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
在本实施例中还提供了一种三维扫描方法，该方法适用于上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。在以下流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图6是本实施例的三维扫描方法的流程图，适用于三维扫描系统，三维扫描系统如上所述，在此不作赘述。如图6所示，该方法包括：
步骤S610，获取扫描目标的第一原始图像数据；
步骤S620，在扫描装置内置的第一现场可编程门阵列中，对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
步骤S630，在与扫描装置连接的建模终端中，基于特征数据进行后置建模处理，以生成扫描目标的三维模型。
通过上述方法，能够进一步降低特征数据的配置要求，以达到高帧率扫描的需求；解决了相关技术中三维扫描系统受限于线缆的传输效率，导致扫描效率低，且对电脑端配置要求高的问题。
在其中的一些实施例中，步骤S620中的对第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据，包括：
对第一原始图像数据进行特征识别；特征识别包括标记点识别和/或激光点识别。
具体的，还包括对第一原始图像数据进行图像信号处理，以将经过处理的第一原始图像数据传输至第一特征处理单元。
具体的，还包括对第一原始图像进行特征识别的识别结果进行亚像素提取。
在其中的一些实施例中，该方法，还包括：
对接收的至少两个第一采集模块的第一原始图像数据进行分别计数，以对同一时间获取的第一原始图像数据进行同步前置计算处理。
在其中的一些实施例中，该方法，还包括：
获取跟踪目标的第二原始图像数据；
对第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
在其中的一些实施例中，该方法，还包括：
根据与所述第二原始图像数据对应的时间戳对第二原始图像数据进行识别。
在其中的一些实施例中，该方法，还包括：
获取各自跟踪目标的第三原始图像数据；
对第三原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。
显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。
“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种三维扫描系统，包括扫描装置和与所述扫描装置连接的建模终端，所述扫描装置用于获取扫描目标的第一原始图像数据，其特征在于，所述扫描装置内置第一现场可编程门阵列模块，所述第一现场可编程门阵列模块用于对所述第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
所述建模终端，基于所述特征数据进行后置建模处理，以生成所述扫描目标的三维模型。
2.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一现场可编程门阵列模块包括第一特征处理单元；
所述第一特征处理单元，用于对所述第一原始图像数据进行特征识别；所述特征识别包括标记点识别和/或激光点识别。
3.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一现场可编程门阵列模块还包括与所述第一特征处理单元连接的第一图像信号处理单元；
所述第一图像信号处理单元，用于对所述第一原始图像数据进行图像信号处理，以将经过处理的所述第一原始图像数据传输至所述第一特征处理单元。
4.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一现场可编程门阵列模块还包括第一提取单元；
所述第一提取单元，与所述第一特征处理单元连接，用于对所述第一原始图像进行特征识别的识别结果进行亚像素提取。
5.根据权利要求1至4任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述扫描装置还包括至少两个第一采集模块和传输模块；
至少两个所述第一采集模块，均与所述第一现场可编程门阵列连接，用于对扫描目标进行扫描，以获取所述扫描目标的第一原始图像数据，并将所述第一原始图像数据传输至所述第一现场可编程门阵列；
所述传输模块，与所述第一现场可编程门阵列连接，用于将所述第一现场可编程门阵列中有效的特征数据传输至所述建模终端。
6.根据权利要求5所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第一现场可编程门阵列还包括第一同步单元；
所述第一同步单元，分别与至少两个所述第一采集模块连接，用于对接收的至少两个所述第一采集模块的所述第一原始图像数据进行分别计数，以使所述第一现场可编程门阵列对同一时间获取的所述第一原始图像数据进行同步前置计算处理。
7.根据权利要求5所述的三维扫描系统，其特征在于，至少两个所述第一采集模块分别贴合于对应的所述扫描装置的镜头上，每个所述第一采集模块至所述第一现场可编程门阵列的距离均不小于第一预设阈值。
8.根据权利要求1至4任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述系统还包括跟踪装置；
所述跟踪装置，与所述建模终端连接，用于获取跟踪目标的第二原始图像数据；
所述跟踪装置内置第二现场可编程门阵列模块，所述第二现场可编程门阵列模块用于对所述第二原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
9.根据权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，所述跟踪装置还包括至少两个第二采集模块；
所述第二现场可编程门阵列模块的数量与所述第二采集模块相同；
至少两个所述第二采集模块，与对应的所述第二现场可编程门阵列连接，用于获取所述跟踪目标的第二原始图像数据，并将所述第二原始图像数据传输至对应的所述第二现场可编程门阵列。
10.根据权利要求9所述的三维扫描系统，其特征在于，每个所述第二采集模块分别贴合于对应的所述跟踪装置的镜头上；所述第二现场可编程门阵列至所述第二采集模块的距离不小于第二预设阈值。
11.根据权利要求9所述的三维扫描系统，其特征在于，所述跟踪装置还包括控制模块；所述控制模块内置第二同步单元；
所述第二同步单元，与每个所述第二现场可编程门阵列连接，用于根据与所述第二原始图像数据对应的时间戳对所述第二原始图像数据进行识别。
12.根据权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，所述第二现场可编程门阵列包括第二特征处理单元，用于对所述第二原始图像数据进行特征识别；所述特征识别包括标记点识别。
13.根据权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，所述跟踪装置的数量至少为两个；
至少两个所述跟踪装置，均与所述建模终端连接，用于获取各自跟踪目标的第三原始图像数据；
所述跟踪装置内置第二现场可编程门阵列模块，所述第二现场可编程门阵列模块用于对所述第三原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据。
14.一种三维扫描方法，适用于如权利要求1至13任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述方法包括：
获取扫描目标的第一原始图像数据；
在所述扫描装置内置的第一现场可编程门阵列中，对所述第一原始图像数据进行前置计算处理，以获得有效的特征数据；
在与所述扫描装置连接的建模终端中，基于所述特征数据进行后置建模处理，以生成所述扫描目标的三维模型。
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