CN116558443A - 一种基于tof传感器成像系统的3d快速扫描建模系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统及方法，该系统结合了TOF传感器成像模块、摄像头模块和IMU传感器模块，并设有参数监测模块和校正模块，参数监测模块能够对TOF传感器成像模块的温度及脉冲信号进行实时监测，克服了温度及脉冲信号不稳定带来的误差，校正模块也能够对测量结果进行自动校正。应用本技术方案，能够避免系统中的TOF传感器成像模块的参数变化带来的影响，同时校正成像误差，有效的提高了建模精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D扫描建模领域，尤其是涉及一种基于TOF传感器(飞行时间，Time of Flight) 成像系统的3D快速扫描建模系统及方法。
背景技术
TOF传感器成像是通过给目标连续发送光脉冲，接收从物体返回的光，通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离以产生深度信息，再结合传统的相机拍摄，能够将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。但现有技术采用TOF传感器成像系统测量时，其测试结果影响因素很多，其测试准确度会受很大影响。如CN114745529A提供了一种投影仪单TOF梯形校正的方法，通过利用精密光学旋转台对TOF模块进行距离比和角度关系标定，建立TOF模块与角度的关系实现IMU陀螺仪检测移动，实现快速自动无感梯形校正，但该校正方法一方面没有体现对TOF传感器参数的实时监测，另一方面该校正方法计算比较复杂。
由于传统的TOF传感器成像系统一方面受TOF传感器参数变化的影响，另一方面受环境的影响，不能够保证3D建模的精度，因此如何解决传统3D建模技术所面临的重建精度低以及实现快速建模便成为三维实时重建技术所亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统及方法，其能够进行实时监测与校正，提高3D快速扫描建模的准确性。
一方面，本发明提供了一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，包括TOF传感器成像模块、参数监测模块、摄像头模块、IMU传感器模块、控制模块、数据处理模块及校正模块，其特征在于：
TOF传感器成像模块，包括光源模块、接收模块，通过测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；
参数监测模块，用于监测TOF传感器成像模块中的温度及脉冲信号参数，并对参数进行筛选和调整；温度监测是通过建立温度与深度差值之间的多元非线性函数模型，获取温度补偿系数，通过补偿系数对该温度下的测量结果进行补偿；脉冲信号监测是通过将脉冲信号的变化值与阈值进行对比分析；
摄像头模块，摄像头模块使用高分辨率相机来捕捉物体的表面纹理和颜色信息，获得目标物体的图像；
IMU传感器模块，包括加速度计和陀螺仪，用于跟踪设备的位置和姿态；
控制模块，与TOF传感器成像模块、摄像头模块、IMU传感器模块通信连接，用于生成控制信号；
校正模块，通过建立校正关系模型对获得的数据进行校正；
数据处理模块，对采集的数据进行处理，获得3D建模图形。
所述摄像头模块采用RGB传感器进行成像。
所述光源模块包括发射光源、光学元件，光学元件对接收的光束进行调制后发射至目标物体。
所述脉冲信号监测，通过设定阈值，将监测脉冲信号的偏差值与阈值进行比较，若偏差值≤阈值，则脉冲信号不需调整，若偏差值>阈值，则调整脉冲信号。
此外，IMU传感器模块包括接收模块、发送模块，发送模块将当前位姿信息发送至控制模块，接收模块接收由控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整。
校正模块是通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后获取测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的缩放值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
数据处理模块还设有存储单元，用于将获得的各项数据进行存储，然后进行处理整合后获得3D模型。
另一方面，本发明旨在提供一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统的建模方法，1）用户将设备对准所要扫描的物体，光源模块发射脉冲光照射物体，通过接收模块测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；2）参数监测模块监测TOF传感器成像模块的温度及脉冲信号的变动，对参数进行实时筛选和调整；3）采用摄像头模块捕捉物体的三维坐标和纹理信息，获得目标物体图像，IMU传感器模块跟踪设备获取当前的姿态信息，并将姿态信息发送至控制模块，并接收控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整；4）采用校正模块对获得图像数据进行校正；5）将校正后的图像数据发送至数据处理模块，对数据进行处理和分析，获得3D建模图形。
由于随着温度上升，TOF传感器成像模块反馈的深度不断变大。温度监测是通过建立温度与深度差值之间的多元非线性函数模型，获取温度补偿系数，通过补偿系数对该温度下的测量结果进行补偿。通过获得温度T的变化系列[T01T02 ... T0i]T,获得对应的深度值Y系列值[Y1iY2i... Yni]T,并与实际的深度值Yi作差得到系列差值[△Y1i △Y2i... △Yni]T,建立多元非线性函数△Y=a2T2+a1T+a0,其中a2、a1、a0均为参数，通过获取的系列值计算得出各参数值，通过实时监测传感器温度，获取偏差值进行实时调整。
具体的，IMU传感器模块获取当前时刻的加速度信息和角速度信息。
具体的，为了降低对最终测量结果的误差，设置校正模块对结果进行校正，具体实施时，通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后采用摄像头模块获取物体图像，并对获取的图像进行处理，将获取的图像分成若干方块单元，在每个方块单元获取多个体像素值，获取方块单元的体像素平均值，在相同条件下采集标定图像，获取标定图像每个方块单元内的体像素平均值，然后计算各方块单元内缩放值，缩放值为测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的比值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
与现有技术相比，本发明技术方案有益效果如下：首先，本系统采用TOF传感器成像模块、摄像头模块和IMU传感器模块相结合的方式，能够实现高精度的三维扫描，其测量精度可达到毫米级别，与传统的激光扫描相比，本系统可以快速、准确地获取目标物体的三维数据；其次，本申请通过设置参数监测模块及校正模块，能够对数据进行实时监测和校正，并进行筛选和调整，大大提高了建模精度，且提高了建模速度；最后，与传统的三维扫描设备相比，本系统可适用于各种不同形状和尺寸的目标物体，快速高效的三维扫描和建模，提高了工作效率。
附图说明
图1本发明技术方案三维场景重建装置结构示意图；
图2本发明技术方案三维场景重建方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明技术方案三维场景重建装置结构示意图，如图1所示，一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，包括TOF传感器成像模块、摄像头模块、IMU传感器模块、控制模块、数据处理模块及校正模块，其特征在于：
TOF传感器成像模块，包括光源模块、接收模块，通过测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；
参数监测模块，用于监测TOF传感器成像模块中的温度及脉冲信号参数，并对参数进行筛选和调整；温度监测是通过建立温度与深度差值之间的多元非线性函数模型，获取温度补偿系数，通过补偿系数对该温度下的测量结果进行补偿；脉冲信号监测是通过将脉冲信号的变化值与阈值进行对比分析；
摄像头模块，摄像头模块使用高分辨率相机来捕捉物体的表面纹理和颜色信息，获得目标物体的图像；
IMU传感器模块，包括加速度计和陀螺仪，用于跟踪设备的位置和姿态；
控制模块，与TOF传感器成像模块、摄像头模块、IMU传感器模块通信连接，用于生成控制信号；
校正模块，通过建立校正关系模型对获得的数据进行校正；
数据处理模块，对采集的数据进行处理，获得3D建模图形。
具体的，所述摄像头模块采用RGB传感器进行成像。
具体的，所述光源模块包括发射光源、光学元件，光学元件对接收的光束进行调制后发射至目标物体。
所述脉冲信号监测，通过设定阈值，将监测脉冲信号的偏差值与阈值进行比较，若偏差值≤阈值，则脉冲信号不需调整，若偏差值>阈值，则调整脉冲信号。
而IMU传感器模块包括接收模块、发送模块，发送模块将当前位姿信息发送至控制模块，接收模块接收由控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整。
校正模块是通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后获取测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的缩放值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
数据处理模块还设有存储单元，用于将获得的各项数据进行存储，然后进行处理整合后获得3D模型。
图2为本发明技术方案三维场景重建方法流程图，具体3D快速扫描建模方法包括以下步骤：1）用户将设备对准所要扫描的物体，光源模块发射脉冲光照射物体，通过接收模块测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；2）参数监测模块监测TOF传感器成像模块的温度及脉冲信号的变动，对参数进行实时筛选和调整；3）采用摄像头模块捕捉物体的三维坐标和纹理信息，获得目标物体图像，IMU传感器模块跟踪设备获取当前的姿态信息，并将姿态信息发送至控制模块，并接收控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整；4）采用校正模块对获得图像数据进行校正；5）将校正后的图像数据发送至数据处理模块，对数据进行处理和分析，获得3D建模图形。
脉冲信号的微小偏差就会给测量结果带来较大的偏差，所述脉冲信号监测，通过设定阈值，将监测脉冲信号的偏差值与阈值进行比较，若偏差值≤阈值，则脉冲信号不需调整，若偏差值>阈值，则调整脉冲信号。要实现精确测量，必须精确地控制光脉冲，使其具有完全相同的持续时间、上升时间和下降时间，因此阈值范围设置为±0.1%，以确保测量结果的准确性。
温度监测是通过建立温度与深度差值之间的多元非线性函数模型，获取温度补偿系数，通过补偿系数对该温度下的测量结果进行补偿。通过获得温度T的变化系列[T01T02 ... T0i]T,获得对应的深度值Y系列值[Y1iY2i... Yni]T,并与实际的深度值Yi作差得到系列差值[△Y1i △Y2i... △Yni]T,建立多元非线性函数△Y=a2T2+a1T+a0,其中a2、a1、a0均为参数，通过获取的系列值计算得出各参数值，通过实时监测传感器温度，获取偏差值进行实时调整。
具体的，IMU传感器模块获取当前时刻的加速度信息和角速度信息。
具体的，为了降低对最终测量结果的误差，设置校正模块对结果进行校正，具体实施时，通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后采用摄像头模块获取物体图像，并对获取的图像进行处理，将获取的图像分成若干方块单元，在每个方块单元获取多个体像素值，获取方块单元的体像素平均值，在相同条件下采集标定图像，获取标定图像每个方块单元内的体像素平均值，然后计算各方块单元内缩放值，缩放值为测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的比值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
以上所述，仅为本发明具体实施方式。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，包括TOF传感器成像模块、参数监测模块、摄像头模块、IMU传感器模块、控制模块、数据处理模块及校正模块，其特征在于：
TOF传感器成像模块，包括光源模块、接收模块，通过测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；
参数监测模块，用于监测TOF传感器成像模块中的温度及脉冲信号参数，并对参数进行筛选和调整；
其中，温度监测是通过建立温度与深度差值之间的多元非线性函数模型，获取温度补偿系数，通过补偿系数对该温度下的测量结果进行补偿，通过获得温度T的变化系列[T01T02 ... T0i]T,获得对应的深度值Yi系列值[Y1i Y2i ... Yni]T,并与实际的深度值Y作差得到系列差值[△Y1i △Y2i ... △Yni]T,建立多元非线性函数△Y=a2T2+a1T+a0,其中a2、a1、a0均为参数，通过获取的系列值计算得出各参数值，通过实时监测传感器温度，获取温度偏差值进行实时调整；
脉冲信号监测是通过将脉冲信号的变化值与阈值进行对比分析，通过设定阈值，将监测脉冲信号的偏差值与阈值进行比较，若偏差值≤阈值，则脉冲信号不需调整，若偏差值>阈值，则调整脉冲信号；
IMU传感器模块，包括加速度计和陀螺仪，用于跟踪设备的位置和姿态；
控制模块，与TOF传感器成像模块、摄像头模块、IMU传感器模块通信连接，用于生成控制信号；
校正模块，通过建立校正关系模型对获得的数据进行校正；
数据处理模块，对采集的数据进行处理，获得3D建模图形。
2.根据权利要求1所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，所述摄像头模块采用RGB传感器进行成像。
3.根据权利要求1或2所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，所述光源模块包括发射光源、光学元件，光学元件对接收的光束进行调制后发射至目标物体。
4.根据权利要求1或2所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，阈值范围设置为±0.1%。
5.根据权利要求1或2所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，IMU传感器模块包括接收模块、发送模块，发送模块将当前位姿信息发送至控制模块，接收模块接收由控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整。
6.根据权利要求1所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，所述校正模块是通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后获取测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的缩放值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
7.根据权利要求1所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统，其特征在于，数据处理模块还设有存储单元，用于将获得的各项数据进行存储，然后进行处理整合后获得3D模型。
8.一种采用权利要求1-7任一所述的基于TOF传感器成像系统的3D快速扫描建模系统的建模方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：用户将设备对准所要扫描的物体，光源模块发射脉冲光照射物体，通过接收模块测量激光束从设备到物体反射回来所需的时间，从而计算出物体与设备之间的距离；
步骤S2：参数监测模块监测TOF传感器成像模块的温度及脉冲信号的变动，对参数进行实时筛选和调整；
步骤S3：采用摄像头模块捕捉物体的三维坐标和纹理信息，获得目标物体图像，IMU传感器模块跟踪设备获取当前的姿态信息，并将姿态信息发送至控制模块，并接收控制模块发送的位姿更新信息，进行位姿调整；
步骤S4：采用校正模块对获得图像数据进行校正；
步骤S5：将校正后的图像数据发送至数据处理模块，对数据进行处理和分析，获得3D建模图形。
9.根据权利要求8所述的建模方法，其特征在于，IMU传感器模块获取当前时刻的加速度信息和角速度信息。
10.根据权利要求8所述的建模方法，其特征在于，所述校正模块对结果进行校正时，通过TOF传感器成像模块的反馈确定物体的准确距离，然后采用摄像头模块获取物体图像，并对获取的图像进行处理，将获取的图像分成若干方块单元，在每个方块单元获取多个体像素值，获取方块单元的体像素平均值，在相同条件下采集标定图像，获取标定图像每个方块单元内的体像素平均值，然后计算各方块单元内缩放值，缩放值为测量图像的体像素平均值与标定图像体像素平均值的比值，最后建立距离与缩放值间的关系模型，实时对测量结果进行校正。
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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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| GR01 | Patent grant | ||
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