CN1262814C - 激光三维彩色扫描数字化方法及数字化仪 - Google Patents
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Abstract
激光三维彩色扫描数字化方法及数字化仪。包括一个测试基台、4组三维同步扫描传感器系统、和4组彩色传感器系统；测量时，将待测物体置于测试基台之上，多个三维传感器上的线结构激光光源于物体上形成一闭合光带，光电传感器接收此光带并被数据采集卡所采集。三维传感器上下垂直同步扫描被测物体，得到物体的完整三维信息。再将物体用自然光照明，利用多个彩色传感器获得物体不同侧面的彩色图像。本发明能实现对大型物体的快速、精确三维彩色数字化，获得物体的三维彩色数字化模型，适用范围广，操作简单，自动化程度高，可广泛应用于计算机辅助设计与制造、逆向工程、快速原型等领域，可有效提高建模速度和精度，缩短产品开发周期。
Description
【技术领域】：本发明涉及一种用同步扫描系统获得物体的三维信息，并将三维信息与彩色信息匹配以实现对物体的三维彩色数字化的数字化仪。
【背景技术】：随着科技的进步，特别是计算机技术的迅速发展以及三维成像软硬件系统和技术的不断提高，三维彩色数字化技术得到越来越广泛的关注和应用。通过三维彩色数字化技术，可以得到物体的三维空间坐标信息和彩色信息，对这些数据进行分析处理后，所得结果可以广泛应用于CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)、RE(逆向工程)、RP(快速原型)、VR(虚拟现实)等领域。
目前存在多种物体三维信息的获取技术，主要包括接触式和非接触式两大类。在非接触测量方法中，又包括光学方法和其它方法。其中光学方法包括相位测量法、结构光法、飞行时间法、数字全息法、双目视觉法等。在诸多的测量方法中，光学方法中的结构光法由于具有无接触、原理简单、测量速度快、精度高等优点已被广泛采用。
目前也有多种基于光学方法的三维彩色数字化仪，如中国专利申请98102408、00810850、02116507等。上述专利中所描述的方法采用了线结构或点结构激光成像方法，利用光学三角形原理实现对物体的三维数字化。在采集物体彩色信息时使用了不同的方法，或者是采集完三维信息后用自然光照明物体顺序获得物体的彩色图像序列，或者是采用彩色激光点状光源获得物体表面的彩色信息，或者采用照明脉冲与激光脉冲交替曝光交替获得物体的三维信息和彩色信息。上述方法存在的共同问题就是只能实现对小型物体的三维彩色数字化，对于大型物体(如人体尺寸等)则存在一定困难。
【发明内容】：本发明的目的在于解决上述已有方法不能对大型物体进行三维彩色数字化的问题，提供一种简易、精确的激光三维彩色扫描数字化方法及数字化仪。
本发明提供的激光三维彩色扫描数字化方法，是按以下步骤实现的：
1)系统布局：该系统包括一个测试基台、4组三维同步扫描传感器系统、和4组彩色传感器系统；将测试基台置于测试中央，将分别安装有一组三维同步扫描传感器系统的4个同步扫描测试轴布置于测试基台四周，使每一轴上三维传感器系统能够获得物体某一部分的信息，且相邻轴上的三维传感器所获得物体信息之间存在部分重合；然后根据被测物体尺寸调节4个彩色传感器系统的位置和角度，使得4个彩色传感器能够从不同角度获得物体的完整彩色信息，且相邻彩色传感器所采集的彩色图像有部分重合；
2)系统调整：首先将测试基台平面调整水平，再将测试轴垂直扫描系统的每一轴分别与测试基台平面调垂直，然后将每一轴上的三维传感器系统中的线结构激光光源所形成的光平面与测试基台平面调平行，然后调节每一轴上的三维传感器系统的垂直位置，使得各轴上的三维传感器中的4个线结构激光光源所发出的光平面共面；
3)三维信息的获取：将整个系统处于暗室中，打开激光光源，使4个测试轴上的三维传感器在同步控制系统控制下同步垂直扫过被测物体，物体表面的轮廓信息将被4个测试轴上的黑白光电传感器所采集，并通过数据采集卡存储于计算机中，物体的第三维信息即竖直方向，可通过运动控制系统获得，从而获得物体的三维信息；
4)彩色信息的获取：使物体处于自然光环境下，关闭激光器，利用4个彩色传感器从不同侧面采集物体的彩色图像信息，实现彩色信息的获取；
5)数字模型的建立：物体的三维信息与彩色信息可以通过数据处理系统进行匹配，从而得到物体的三维彩色数字化模型。
一种实现上述激光三维彩色扫描数字化方法的数字化仪，包括：一个测试基台；测试基台四周设置的4个垂直同步机械扫描系统即同步扫描测试轴，每一测试轴上安装有一组三维同步扫描传感器系统，测试轴的具体结构包括，一个支撑立柱，支撑立柱上通过线性滑轨各安装有一个由步进电机或伺服电机控制的滚珠丝杠，丝杠上套装有一个滑块，滑块上安装有一组三维同步扫描传感器系统；用于对4个垂直同步机械扫描系统进行同步控制的同步运动控制系统；测试基台四周同时设置的4组彩色传感器系统，每组彩色传感器系统包括一个传感器支架和一个彩色传感器；用于接收光电传感器获取的数字化信息的数据采集系统和数据处理系统。
本发明的优点和积极效果：本发明集光、机、电、算于一体，利用激光三维彩色多轴同步扫描数字化方法及数字化仪，能够实现对大型物体的快速、精确三维彩色数字化，获得物体的三维彩色数字化模型，进而实现对三维彩色模型的显示、测量和特征提取等操作。本发明所采用方法对被测物体无特殊要求，适用范围广，且系统操作简单，自动化程度高，同时可以通过增加扫描轴的数量和高度来拓展测量范围。此项技术可以广泛应用于计算机辅助设计与制造、逆向工程、快速原型、虚拟现实、人体工程、文物保护、文化娱乐等领域，可以有效提高建模速度和精度，缩短产品开发周期，提升相关产业的竞争力，具有较强的实用价值和广阔的市场前景。
【附图说明】：
图1是单轴三维扫描系统结构示意图；
图2是激光三维彩色多轴同步扫描数字化仪(四轴)结构示意图；
图3是激光三维彩色多轴同步扫描数字化仪原理方框图
图4是一组三维传感器的结构示意图；
图5是一组物体三维点云图；
图6是一组物体三维彩色点云图。
【具体实施方式】：
实施例1：数字化方法
1)系统布局调整
如图2所示，四轴同步扫描系统的四轴置于一正方形或矩形的四个顶点之上(本例M、N均选4)，首先根据被测物体尺寸确定此正方形或矩形的尺寸，其依据是每一轴上三维传感器能够获得物体某一部分的信息，且相邻轴上的三维传感器所获得物体信息之间存在部分重合；然后根据被测物体尺寸调节四个彩色传感器系统的位置和角度，使得四个彩色传感器能够从不同角度获得物体的完整彩色信息，且相邻彩色传感器所采集的彩色图像有部分重合。
2)系统调整
首先将测试基台10平面调整水平，再将四轴垂直扫描系统的每一轴分别与测试基台平面调垂直，然后将每一轴上的三维传感器系统中的线结构激光光源6所形成的光平面与测试基台平面调平行，然后调节每一轴上的三维传感器系统的垂直位置，使得四轴上的四个三维传感器中的四个线结构激光光源所发出的光平面共面。
3)三维信息的获取
测量三维信息时，为了避免环境光的干扰，需屏蔽掉外界环境光，整个系统处于暗室中。打开激光光源，使四轴上的三维传感器在同步控制系统控制下垂直扫过被测物体，物体表面的轮廓信息将被四轴上的黑白光电传感器5和8所采集，并通过数据采集卡存储于计算机中，物体的第三维信息(竖直方向)可通过运动控制系统获得，从而获得物体的三维信息。
4)彩色信息的获取
使物体处于自然光环境下，可根据照明程度适当增加或减少环境光源。关闭激光器，利用四个彩色传感器从不同侧面采集物体的彩色图像信息，实现彩色信息的获取。
5)数字模型的建立
物体的三维信息与彩色信息可以通过数据处理系统进行匹配，从而得到物体的三维彩色数字化模型。
实施例2：数字化仪
如图1、2所示，该数字化仪包括：一个测试基台10；测试基台四周设置的N个(本例N选4)垂直同步机械扫描系统即同步扫描测试轴，每一测试轴上安装有一组三维同步扫描传感器系统，测试轴的具体结构包括，一个支撑立柱9，支撑立柱上通过线性滑轨2各安装有一个由步进电机或伺服电机1控制的滚珠丝杠3，丝杠上套装有一个滑块4，滑块上安装有一组三维同步扫描传感器系统，包括安装在滑块上的一个传感器底座7，底座上安装的线结构激光器6，以及依光学三角形设置的两个光电传感器5、8。测试基台四周同时设置的M组(本例M选4)彩色传感器系统，每组彩色传感器系统包括一个传感器支架12和一个彩色传感器11。光电传感器和彩色传感器采集的数据经控制器14(控制单元)送入中央处理器13。
如图3所示激光三维彩色多轴同步扫描数字化仪原理方框图，其中：
同步运动控制系统，由运动控制卡(运动控制卡为凌华公司的PCI-8134)和相关控制软件组成，可通过对控制软件的编程实现对运动控制卡输出的控制，以此来控制多个轴上的三维传感器的竖直位置，也就是物体空间坐标中的竖直方向坐标。其作用是保证多个轴上的三维传感器在扫描过程中同步，也就是使多个轴上的三维传感器中的线结构激光器在扫描过程中保持共面。
数据采集系统，由数据采集卡(图像采集卡为嘉恒公司的OK-MC30)和相关控制软件组成，可通过对控制软件进行编程实现对三维传感器或彩色传感器中的光电传感器的输出信号的采集，可将采集到的光电信号转换成黑白或彩色数字图像。这些图像可以采集后被直接进行处理，也可以利用存储介质储存用于后续处理。
数据处理系统，由相关软件和算法组成。用于将数据采集系统采集到的黑白光带数字图像转换为二维空间坐标，同时根据同步扫描控制系统获得的物体竖直方向坐标得到物体完整的三维空间坐标。同时可以对采集到的彩色数字图像进行处理，利用一定的映射关系将彩色信息与物体的三维信息进行匹配，得到物体的三维彩色数字化模型。
现以一组三维同步扫描传感器系统及彩色传感器系统为例，如图4所示三维传感器的结构示意图，反射镜15的引入有效降低了传感器的厚度，而双光电传感器5、8的结构则可以有效降低或消除扫描盲区。图5-图6为被测物体的三维彩色数字化实验结果(只是被测物体某一侧面的彩色数字化结果)。
黑白和彩色CCD分别为MINTRON公司的MTV-0360和73X11HP型面阵CCD，其中黑白CCD配以6mm镜头，彩色CCD配以8mm镜头，分别采用640×480和768×576的图像卡(图像采集卡为嘉恒公司的OK-MC30)进行图像采集。激光器采用加拿大LASIRIS公司生产的SNF-501L670型线结构光源，波长670nm。
Claims (3)
1、一种激光三维彩色扫描数字化方法，其特征是该方法按以下步骤实现：
1)系统布局：该系统包括一个测试基台、4组三维同步扫描传感器系统、和4组彩色传感器系统；将测试基台置于测试中央，将分别安装有一组三维同步扫描传感器系统的4个同步扫描测试轴布置于测试基台四周，使每一轴上三维传感器系统能够获得物体某一部分的信息，且相邻轴上的三维传感器所获得物体信息之间存在部分重合；然后根据被测物体尺寸调节4个彩色传感器系统的位置和角度，使得4个彩色传感器能够从4个角度获得物体的完整彩色信息，且相邻彩色传感器所采集的彩色图像有部分重合；
2)系统调整：首先将测试基台平面调整水平，再将测试轴垂直扫描系统的每一轴分别与测试基台平面调垂直，然后将每一轴上的三维传感器系统中的线结构激光光源所形成的光平面与测试基台平面调平行，然后调节每一轴上的三维传感器系统的垂直位置，使得各轴上的三维传感器中的4个线结构激光光源所发出的光平面共面；
3)三维信息的获取：将整个系统处于暗室中，打开激光光源，使4个测试轴上的三维传感器在同步控制系统控制下同步垂直扫过被测物体，物体表面的轮廓信息将被4个测试轴上的黑白光电传感器所采集，并通过数据采集卡存储于计算机中，物体的第三维信息即竖直方向，可通过运动控制系统获得，从而获得物体的三维信息；
4)彩色信息的获取：使物体处于自然光环境下，关闭激光器，利用4个彩色传感器从不同侧面采集物体的彩色图像信息，实现彩色信息的获取；
5)数字模型的建立：物体的三维信息与彩色信息可以通过数据处理系统进行匹配，从而得到物体的三维彩色数字化模型。
2、一种实现权利要求1所述的激光三维彩色扫描数字化方法的数字化仪，其特征是该数字化仪包括：一个测试基台；测试基台四周设置的4个垂直同步机械扫描系统即同步扫描测试轴，每一测试轴上安装有一组三维同步扫描传感器系统，测试轴的具体结构包括，一个支撑立柱，支撑立柱上通过线性滑轨各安装有一个由步进电机或伺服电机控制的滚珠丝杠，丝杠上套装有一个滑块，滑块上安装有一组三维同步扫描传感器系统；测试基台四周同时设置的4组彩色传感器系统，每组彩色传感器系统包括一个传感器支架和一个彩色传感器。
3、根据权利要求2所述的激光三维彩色扫描数字化仪，其特征是每组三维同步扫描传感器系统包括安装在滑块上的一个传感器底座，底座上安装的线结构激光器，以及依光学三角形设置的一个或两个光电传感器。
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