CN1301480C - 计算机视觉三维彩色扫描系统及其扫描方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机视觉三维立体彩色扫描系统，采用普通光进行扫描和目标物体的三维模型轮廓的识别，利用目标物体的外型轮廓构型，进行三维模型的重建，在摄像装置拍摄到的每张图片基于系统坐标系进行叠加，生成物体基本的外型，即生成三维模型。在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的色彩信息，即得到被扫描物体的三维纹理贴图。两者合成，即形成了初步的三维彩色模型。利用激光成像技术，利用三角测距的原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的三维几何数据。将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，在不同位置扫描出来的数据也能够进行计算机自动迭加，从而得到准确完善的三维数据。

Description

计算机视觉三维彩色扫描系统及其扫描方式

一、技术领域

本发明涉及一种计算机视觉三维立体彩色扫描系统，采用普通光与激光相结合的复合式技术，用于对物体空间外形结构和色彩纹理进行扫描，以获得物体表面的空间坐标和色彩信息。将这些信息转换为计算机能够直接处理的数字信号，提供给机械行业及其它相关行业应用。

二、背景技术描述

三维扫描技术的潜在应用领域是非常广泛的。在工程、医学、影视、服装、娱乐等行业领域对三维模型都有很大的需求，而最受欢迎的获取三维模型的手段就是非接触式的光学三维扫描。

目前有几种类型的光学扫描仪，归纳起来可以分成两类：基于三角原理的系统和外轮廓投影的系统。

基于三角原理的系统是通过将线状光线投射到物体表面再反射回接收装置，来得出投射在被测物体光点的三维空间位置。通常，反射回来的光线和光源发出的光线之间存在一个角度，系统从相对位置获取反射信息，通过三角测距的原理来确定点或群点的三维坐标。单点系统是将一束光投射到物体表面上形成一个点，经反射后获取一个单点的反射信息。线状扫描系统是将一束线状光源投射到物体表面，反射形成排成曲线一系列的点，描述物体的外围轮廓。曲线上一系列点每个点的三维空间位置都可以通过三角测量的方法来得到。

有一些单点光学扫描系统使用直线反射光源检测器来获取目标物体的信息。在这样一些系统中通常都是由一束激光投射到物体表面形成一个点，线状反射光源检测器接收该点的反射回来的光信息通过三角法则来确定该点的三维空间位置。点状光学扫描系统每次只能确定一个点的三维空间坐标，因此，就象我们对机械式的系统描述的那样，点状光学扫描系统采集点的速度非常慢，也就是说其扫描速度非常慢，点状光学扫描仪的典型应用例如工业工程界。由于机械式的系统的数字化的速度很慢并且受到机械方式的限制，例如光束的移动及位置的确定。然而，机械式的可以得到很高的系统精度，扫描头可以被高精度的安装固定，但是成本高，速度慢，缺少适用性，因此，点状光学扫描仪通常都在有限的范围内应用。

线状光学扫描系统突破了以三角原理的扫描速度上的瓶颈，此类系统使用典型的2D图像处理方法，例如使用CCD镜头作信号检测，系统将线状光束投射到物体表面上，例如激光条纹，取代单点方式的扫描，这样，系统可以接收多点反馈回来的信息，通过三角测距的原理确定此系列点的三维空间坐标，来描述该扫描区域的物体的三维轮廓信息。具体到某一线性光学原理的设备上，有些是带有旋转臂的，有些设备上的CCD镜头是可以移动的。在扫描过程中，或者是目标物体相对于镜头或激光头移动，或者是镜头或激光头相对于目标物体移动，或者是目标物体和镜头或激光头同时运动，在任何情况下，此类系统通常依赖于那种固定式的旋转装置和经常使用体积非常大的、具有高精度的机械装置来定位。由于使用了机械装置定位，所以其扫描有很大的局限性，例如：若一台设备用来扫描篮球那么大小物体的扫描仪就不能够扫描摩托车大小的物体。

现在有一些利用三角原理的激光扫描系统的局限性则更大，原因在于激光条纹打在目标物体的表面上，反射光线相对于CCD镜头的夹角是固定的，系统根据旋转平台的柱状坐标系来计算。数学上的简化导致此类投影系统的的硬件部分变的复杂化，而且其特点是很依靠旋转平台。同时，简化的几何体也不能非常好的重定义和重建拓扑非常复杂的物体，例如在物体上有孔洞等(例如：带把的茶壶)。在现有的利用三角原理的激光扫描系统中还没有实现没有局限性的扫描装置。

另外一种可选择的扫描系统是侧面影像方法(普通光扫描)。利用侧面影像方法，目标的重点是从单镜头获取的大量的视觉数据点，获取的大量的物体的图像与物体相关角度相关联，并且这些大量的图像信息描述了物体的表面部分。包括各个计算单元的数字信息处理器将检测器连接到一起并且对这些图像信息作出响应，确定该物体外曲面部分的三维空间信息和相关的图像信息。该数据同时包括物体的几何空间信息和物体表面的色彩信息，全部基于侧面影像的方法(普通光扫描)来获取物体的三维空间模型。

使用单纯的侧面影像方法(普通光扫描)时，三维模型的重建是依赖于被扫描物体的外轮廓线的，任何凹进去的部分都很难表达出来，所以物体的凹面部分就不能通过使用侧面影像的方法来获取了。

总之，用来扫描、测量或者其它从3D物体获取数据的装置，例如进行三维重建，在速度和精度上很难兼顾。无论是利用三角原理还是利用侧面影像的原理同时都碰到了速度和精度很难协调的问题。

因此，用来扫描、测量或者其它从3D物体获取数据的装置，从3D实物快速地、精确地获取3D数据、生成点云，就比以前的系统有了很大的改进。如果该装置在不需要大型计算机系统的情况下能够快速地的完成从点云收集、计算、建立3D模型，那么也可以说该系统是非常先进的。

本发明提供了一种扫描系统，该方法可以实现快速地对目标物体测量及外型、边界、色彩和纹理贴图的处理，并且快速实现图像显示、图形处理和模型建立等。由于可以精确地快速获取被扫描物体的基本信息，本发明特别适合用于需要高速、高精度彩色三维扫描测量的场合。

三、发明内容

本发明采用普通光进行扫描和目标物体的三维模型轮廓的识别，利用目标物体的外型轮廓构型，进行三维模型的重建(Shape from Silhouette)，在摄像装置拍摄到的每张图片(Silhouette)基于系统坐标系进行叠加，生成物体基本的外型(Shape)，即生成三维模型。在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的色彩信息，即得到被扫描物体的三维纹理贴图。两者合成，即形成了初步的三维彩色模型。

利用激光成像技术，利用三角测距的原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的三维几何数据。

将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，在不同位置扫描出来的数据也能够进行计算机自动迭加，从而得到准确完善的三维数据。

应用软件将扫描得到的点云数据自动进行几何特征的识别和3D几何模型的重建。

将激光扫描系统集成到利用外轮廓识别的设备上是本发明的首要目标。本项发明的要点在于激光三维扫描和普通光扫描(利用侧面轮廓技术)的三维重建都是基于光线追踪(ray-tracing)原理。将这两种技术的基本部分集成为一体，形成新的3D重建体系，这样就可以适合于复杂的目标物体的扫描，并且提供了可调、高速的三维扫描和3D重建手段。集成后的产品可以进行高速、高精度的3D扫描和3D建模系统。

本发明的第一个要点是提供了一种基于特征的校正方式，利用被扫描物体的几何体的整体模型特征(例如球或立方体形状)和非线性优化技术，新的校正方法为整个系统提供了精确的校正参数。

第二要点就是提供了3D/2D相关联的3D模型重建手段，使用关联特性，3D建模过程可以在2D的环境下修改，即2D和3D是相关联的，这样，可以显著地提高建模速度。在此技术中利用到了容错分析容错分析(error-tolerance)，近距分析(near-distance)和光线追踪(ray-cutting)算法，本手段可以避免任何系统错误，并且能够保证优化建模过程。

第三要点是在进行3D模型重建时提供了一体化曲面成型技术。与其他3D建模分为两步的方式相反，一体化曲面成型算法将3D点云生成和3D曲面重建合并成一步。在3D模型数据的生成过程中，本系统能够自动的生成基于多边型网格面(Polygons)的曲面模型。此技术将3D建模的速度成倍提高。

第四要点是本项技术提供了一种新颖的基于矢量的子像素边界检测手段，用来提高系统测量精度。本算法将黑白灰度级边界检测扩展到了彩色灰度级边界检测。通过使用基于彩色矢量的灰度级空间要素边界检测算法，子像素的精度可以比当前其它边界检测技术要提高10～100倍。

第五要点是本发明使用的激光扫描系统是由点状激光扫描而形成的线状激光束，具有点光源高精度的优点，同时又具有线状激光光源的高速度的优势。

第六要点是本系统一共有五维运动，激光头和CCD镜头可以在Z方向上下移动，转台可以在X、Y平面平动，又可以自由转动，在转台上又设有智能夹具，可以根据扫描进行情况进行旋转，完全避免扫描死角的存在。

第七要点是本系统提供了一体化人工智能建模方式，可以根据扫描得到的点云特征自动生成三维几何特征，例如圆、椭圆、长方形、锥形等等，可以极大的缩短建模时间。

四、附图及说明

图1是系统组成及扫描方式流程图

图2是系统软件构成图

图3是系统3D模型三维重建过程图

图4a-4b是激光与普通光扫描原理图

图5是子像素边界检测原理图

图6a-6b是产品系列的系统组成

五、具体实施方式

现在结合附图对本发明的的实施步骤进行说明

图1是系统组成及扫描方式流程图，以下为系统三维扫描和模型建立的具体步骤：

1.扫描点云资料

(1)开机，进行系统初始化；

(2)使用标准的校正块对系统进行位置、精度校正；

(3)按照能够测量出最佳结果的原则来摆放模型；

(4)位置调整与参数设定，可以根据被扫描物体的形状，确定扫描方式，例如：普通光扫描，激光扫描还是复合式扫描等；

(5)按照设定好的扫描方式进行扫描，得到模型的点云数据；

2.点云资料的后处理与曲面编辑

在完成点云的扫描后，软件将点云进行了数据储存。若存在多次扫描，则软件会自动将多次扫描的结果合成，得到最终点云数据。然后再使用TriView中点云数据处理功能，进行点云处理与重新构建曲面的工作。

(1)点云资料的前置处理，消除噪音点，并用Cut功能将其余噪音点清除，将点云作适当的筛减，除可避免因点云过多造成表面有抖动现象外，更可缩短计算机运算时间，故可利用Data Processing下的DATA Reduction功能将点云资料筛减一半。

(2)点、线、面的建立与修改，曲面的建立可用wrap surface.、Coons surface、connect surface等功能；曲面的编辑方面，可用repair surface来改变曲面的阶数与控制点，而refit surface则可将曲面与点资料间的误差降低.。利用这些功能即可将曲面模型建立出来

(3)曲面分析，在曲面绘制的过程中，可随时由Analysis下的功能，将曲面的品质作分析，以了解曲面的平滑度与精确度。

3.图档转换与应用

(1)使用者可将已建好的图档，在DigiSurf中存成IGES或STL文件格式。

(2)IGES文件格式，可将IGES文件转给UG、IDEAS、PRO-E等具曲面功能的CAD软件做机械结构设计与模具设计。也可将IGES文档传给UG、Cimatron、MasterCAM、VisioCAM等计算机辅助制造软件，做刀具路径的设定，产生数控代码，再送到数控机床将实体模型加工出来。

(3)STL文件格式，可将STL文档经由曲面断层处理后，直接由快速成型方式，将实体模型制作出来。

图2是系统软件构成

首先从目标物体收集3D数据，存储并且使用表的形式来描述几何特征和尺寸；得到多种形式的数据，点云，框架线，实体曲面和纹理贴图。可以任意放大/缩小，旋转和移动来观察此3D数据。

交互式图形界面提供了一系列数据选取功能。这些工具包括点一点选择，长方行、多边形区域选择或根据特征选择。

用户界面还提供了系列过滤功能，可根据此处理点云数据，包括点云光顺，筛减，变换，旋转，增加或删除等功能。

软件界面还提供了实体建模组件的一系列工具，例如：球，柱体等等。可以选择一个希望要设计的组件形式，指定(客户化)模型参数，该模型就按照指定的数据变化。

可以在软件界面观看和检查修改后的模型数据显示情况，如果不满意，还可以直接修改模型，或者选择另外的几何模型直到满意。

还可以进行模型数据其他建模过程直到完成整个CAD数据模型。

图3是3D模型三维重建过程

图4a-4b是激光与普通光扫描原理图

(1).系统首先初始化一个立方体的空间，确保此空间要比要扫描的目标物体的体积要大。在扫描目标物体的过程中，我们利用此空间装载扫描物体，在每转一个微小角度，系统记录下其侧面轮廓的数据，系统一直记录下每一个侧面轮廓直至扫描过程结束，此所谓系统采样过程。

(2).迭加侧面轮廓图形

(2a)系统获取的每一个轮廓边界都定义成图像采样边界条件，边界是由若干轮廓边界所组成，有一些轮廓线在物体边界之内，有些在物体边界之外。我们由此定义了外边界轮廓线和内边界轮廓线。

(2b)从第一个外边界轮廓线开始，将每一个轮廓线迭加在一起。

(i)镜头摄入物体反射光形成轮廓线的顶点连线。(图4a).

(ii)计算所有扫描模型的所有曲面反射光上的反射点。

(iii)迭加所有模型曲面

将当前曲面上所有反射点集中，生成二维多边形，同时也收集其状态，例如：其是否投影到模型中，或模型外。这些信息将会在第(iv)步中用到。在二维环境中将当前曲面的反射点执行交集操作。

如果是外边界轮廓，取多边形的交集取代当前曲面，成为新生成模型的曲面(图4b(i))。如果是内边界轮廓，就从当前曲面减掉，反射点多边行组成了新的模型曲面。(图4b(ii))

图5是子像素边界检测原理图

(iv)将所有反射光所组成轮廓迭加。

首先从最开始的两条光线开始。

基于内-外-对反射点构造新曲面。

(2c).所有新构造的曲面重新定义形成新的全封闭的3D模型。

(2d).继续迭加所有轮廓。

(3).合并所有剩余轮廓，完成目标物体3D模型的构件。

图6a-6b是产品系列的系统组成图

本发明开发了两种类型的产品，分别为工业上使用的计算机视觉三维彩色扫描系统TriView 2.0和人体彩色三维扫描系统Bio 1.0。

本发明所采用的方法，具有独特的复合式的三维扫描方式，集激光扫描、普通光扫描、高精度三维模型重建、复杂3D模型再生成为一体的复合式的扫描系统，在扫描精度、扫描速度、三维信息获取能力、色彩信息获取能力、扫描对象的广泛性和易用性。

Claims (3)

1、一种目标物体的三维扫描方法，其特征在于包括步骤：

使用标准的校正块对扫描系统的坐标和精度进行校正；

采用普通光对目标物体进行扫描和三维轮廓识别，包含子步骤：

目标物体每转一个微小的角度，用摄像装置记录下其侧面轮廓的图片数据，一直记录下每一个侧面轮廓直至扫描过程结束；

基于所述系统坐标系，将摄像装置记录的每张图片数据进行处理，识别目标物体的每一个轮廓边界的轮廓线，将每一个轮廓线迭加在一起，生成物体的基本外型，即建立三维模型；

在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的色彩信息，得到被扫描物体的三维纹理贴图；及

将所述建立的三维模型和所述三维纹理贴图两者合成，即形成了初步的三维色彩模型，由此得到目标物体的普通光扫描三维几何数据；

通过移动和转动激光头，利用激光成像技术和三角测距原理，获取目标物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的激光扫描三维点云数据；和

基于所述系统坐标系，将所述普通光扫描数据和所述激光扫描数据自动迭加复合，在不同位置扫描得到的数据进行计算机自动迭加，从而得到准确完整的三维数据。

2、根据权利要求1的三维扫描方法，其特征在于，所采用的扫描激光是由点状激光扫描而形成的线状激光束。

3、根据权利要求1的三维扫描方法，其特征在于，所述方法具有五维运动，激光头和CCD镜头可以在Z方向上下运动，转台可以在X、Y平面平动，又可以自由转动，在转台上设有智能夹具，可以根据扫描进行情况进行旋转，完全避免扫描死角的存在。

Images