CN1474161A - 确定三维物体表面坐标和颜色的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取三维物体表面坐标和颜色的方法及装置。本发明通过对被测物表面实施激光脉冲与照明光脉冲交替曝光，形成受物体表面深度调制的激光影像和彩色影像。依据光学原理计算出物体上受激光照射点的三维坐标，并由物体彩色影像的对应点处采集颜色信息。实现上述方法的装置中，扫描头由双视角扫描摄像头、照明脉冲光源和激光脉冲光源构成。本发明采用双视角CCD摄像装置可实现视场互补，有效地降低因表面曲率变化过大引起的盲区深度误差。

Description

确定三维物体表面坐标和颜色的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种确定三维物体表面坐标和颜色的方法及装置，特别涉及一种确定三维物体表面空间点坐标及相应坐标点所在位置真实颜色的方法和用于实现该方法的装置。

背景技术

计算机三维图像处理软件用一种直观的方式表现现实世界，帮助人们在荧屏上再现逼真的三维世界。计算机三维图形图像处理技术主要涉及物体形态的空间坐标参数，物体表面色彩的颜色以及表现物体材质，物体与环境相互关系的光照、映射、阴影等因素。上述参数中物体三维坐标完全取决于物体自身特征。物体表面颜色主要依赖于物体自身，但它会受环境光照条件的影响，其他因素完全可以由某种算法加以体现。计算机处理物体的三维数据主要分为两大类：由计算机按照某种特定的立体几何参数，依据给定的几何算法得到的三维数据。如长方体，圆柱体等规则形体及其组合形体；另一类则是通过某种仪器(如三维坐标测量仪、非接触式激光三维扫描仪、计算机断层分析仪CT、核磁共振仪MRI、航测等)针对现实复杂物体进行形体测量取得三维数据。三维扫描仪的应用发展迅速，目前在许多行业的CAD/CAM及逆向工程等领域均能见到它的踪影，如航天航空、机械化工、建筑设计、模具、模型设计制造、服装设计、医学图像及家庭装饰装潢设计等。

目前三维物体坐标测量仪器主要有两大类：一类为接触式精密三维测量仪；另一类为非接触式三维扫描仪(如：三维激光扫描仪、结构光或编码光三维照相机、计算机断层分析仪CT、核磁共振仪MRI、航测等)。接触式三维坐标测量仪主要目的是精确测量物体外形参数，并不考虑被测对象的表面颜色信息。用于快速获取物体表面形状参数的常用设备是三维激光扫描仪、结构光或编码光三维照相机，这部分仪器大多只能采集物体的三维坐标数据，而无物体表面颜色信息，如美国的FastScan，法国的MENSI 3D laser scanner等。

有的彩色三维扫描仪，如加拿大inspeck公司的3D Capturor，其实质并非为真正意义的彩色扫描仪，而仅仅是利用结构光实现探测物体表面三维坐标参数，然后将物体的二维平面照片作为三维重构物体的纹理贴图来表现物体的彩色属性，这就难免产生由平面二维图像到三维图像纹理贴图过程中的拉伸及压缩变形，并且对三维物体进行纹理贴图也是件比较费事的工作。

另一类彩色三维扫描仪，如美国Cyberware公司的3030RGB scanner head和中国专利申请981024084中描述的三维扫描仪，虽然不需要在扫描后期采用人工拼接纹理贴图，但采集到的彩色三维物体的表面颜色与物体表面指定点并没有真正的关联关系。并且当物体表面颜色或背景颜色与激光颜色相近时，会影响对物体表面形态的识别，另外环境光的干扰对于准确识别激光位置影像也是一个难以避免的不良因素。这种技术存在的另一个缺点是只有一个承担三维物体表面坐标参数测定的CCD影像传感器，因而无法克服物体表面深度发生突变的部位产生的盲区噪声干扰。

中国专利申请008108501描述了一种三维光扫描方法，这种技术属于真正的三维彩色扫描技术，它在获得物体表面指定点的三维坐标参数的同时也获取物体上与该点相关联的表面颜色信息。但是它采用多波长组分的点状光源，因此导致数据采集效率不高；另外三维光扫描方法只有一个探测物体表面深度信息的光学装置，这样有可能导致较大的盲区深度误差。

发明内容

本发明目的之一在于确立一种确定三维物体表面空间点的坐标参数及与该点关联的表面真实色彩信息的方法，获得物体表面三维坐标参数的同时获取物体表面上的颜色信息，并减小盲区深度误差。

本发明的另外一个目的在于得到一种用于实现上述方法的装置，减轻现有技术的部分缺点。

本发明方法是这样实现的。一种确定三维物体表面坐标和颜色的方法，按照如下步骤进行：

A.对被测物表面实施激光脉冲与照明光脉冲交替曝光；

B.使用双视角复用传感器阵列探测被测物的反射光；

C.激光扫描光束投射在被测物表面，通过双视角复用传感器阵列形成受被测物表面深度调制的激光扫描影像，依据激光扫描影像，得到被测物受激光扫描处的三维坐标信息；

D.照明光投射在被测物表面，通过双视角复用传感器阵列形成被测物彩色影像，依据被测物彩色影像，得到被测物相应点处表面颜色信息。

一种实现上述方法的装置，其中扫描头安装在水平梁上，水平梁与丝杠和滑杆连接，水平梁的一端设有第二步进电机，第一步进电机与丝杠连接；扫描头由双视角扫描摄像头、照明脉冲光源和激光脉冲光源构成；水平梁通过滑杆与下方的平移平台连接，平移平台的两侧设置有第三步进电机和第四步进电机，平移平台的顶面设有载物平台。

本发明的优点：(1)采用双视角CCD摄像装置实现视场互补，可有效地降低因表面曲率变化过大引起的盲区深度误差。(2)本发明利用同一套光学装置对物体采取两种照明条件交替变换的曝光方法，有利于消除物体表面颜色或背景颜色对物体表面坐标识别的影响，又可获得物体在正常光照条件下的本色。(3)利用明暗复曝光方法，能有效克服物体表面本身颜色及光洁度等对激光影像位置识别的干扰，具有较高的物体适应性，提高了对物体表面空间点坐标的测量精度。

附图说明

图1为本发明结构构造示意图

图2激光偏转扫描装置示意图

图3控制器框图

图4双视角扫描抗盲区示意图

图5扫描头光学装置安装示意图

图6广视角方案示意图

图7暗曝光影像

图8明曝光影像

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例。

下面结合附图对本发明具体内容作进一步说明。

如图1所示，扫描头(13)由左右两个彩色CCD图像传感器(6L，6R)、白色高亮半导体发光二极管阵列照明光源(7)和线状半导体激光光源(12)构成；扫描头(13)安装在水平梁(5)上，水平梁(5)一端设有第二步进电机(3，X方向驱动)；水平梁由滚珠丝杠(11)、第一步进电机(2，Z方向驱动)驱动做垂直运动；平移平台(1)之上为旋转载物平台(9)，旋转载物平台(9)由一套蜗轮蜗杆机构、第四步进电机(8)驱动，平移平台由第三步进电机(4，Y方向驱动)驱动；在计算机或手动控制下，被扫描物与扫描头(13)的相对位置在三坐标X、Y、Z方向上可做平移调整，物体随旋转平台转动。

如图2所示，本实施例线状扫描激光通过激光器和光学偏转扫描装置生成。红色半导体激光器(14)(λ＝630nm)发出的激光经过透镜组(15)和柱面镜(16)聚焦后，投射到高速旋转多面镜(17)，经过光学非线性校正镜(18)而形成，将这条扫描线调整到与旋转平台的中心位置对准，且垂直。

如图3所示，激光真彩色扫描仪控制器中单片机(20)控制激光脉冲控制驱动单元(22)、通讯接口(21)、明暗曝光光源异步控制单元(23)、X向平移步进电机数字细分控制驱动单元(24)、Y向平移步进电机数字细分控制驱动单元(25)、Z向平移步进电机数字细分控制驱动单元(26)、旋转平台步进电机数字细分控制驱动单元(27)。

在单相机测量系统中，根据公知的光学三角测量原理，必须让激光与CCD传感器的光轴成一定的角度，因而对于某些物体表面必然会有一定的观察死角，即盲区。

如图4中A点相对于左CCD图像传感器(6L)为盲点，但通过右CCD图像传感器(6R)的补充，有效地克服单相机扫描系统无法回避的盲区噪声影像。本发明采用双视角扫描测量装置，扫描装置配置有两个CCD图像传感器。它们同时从两个视角观察物体，容易探测到物体表面曲率变化较大并处于低凹区域的部位。

如图5所示，为了实现双视角三维物体表面空间坐标的测量，有效地消除盲区噪声，光学系统需满足下述条件：

1.左右两视角CCD图像传感器的中心位于同一个平面S1(两个CCD图像传感器中心经过的面)，且该平面与激光扫描线形成的平面S2(激光扫掠面)垂直。

2.左右两视角CCD图像传感器的光轴应位于同一平面内S3(两个CCD图像传感器光学轴心构成的面)。

3.左右两视角CCD图像传感器的光轴与激光扫描线形成的平面(S2)之间保持对称相等的夹角α(CCD图像传感器光学轴心与激光扫掠面的夹角)。

4.调节左右两视角CCD图像传感器的镜头，使两者处于相同的焦距及景深。

如图6所示，增加仰视扫描头(28)和俯视扫描头(29)两套光学扫描装置，与正视扫描头(13)一起可构造广视角方案，扩展了正面垂直方向上的观察视角，便于扫描那些在垂直方向上两端附近斜率变化较大物体。

图7、图8分别为暗曝光影像和明曝光影像。在计算机控制下，对放置在旋转载物平台上的物体实施两种照明条件交替变换的曝光方式。具体就是：关闭环境照明光源，开启激光扫描光源，扫描物体上的某区域，捕捉受物体表面深度调制的激光扫描线影像，简称暗曝光影像。在物体姿态保持固定不变的条件下，开启环境照明光源，同时关闭激光光源，捕捉物体彩色影像，简称明曝光影像。依据暗曝光影像，识别出受物体扫描经线深度变化调制的激光线迹(见图7中的30)，计算测量出物体上受激光线照射处的三维坐标信息，依据公知的三角测量算法将这条二维平面线迹转换成三维物体的一条经向轮廓线。再从明曝光影像上采集与暗曝光激光扫描线对应位置处的物体扫描经线位置(见图8的31)的颜色信息。一次暗曝光与明曝光，实现采集由物体一个经线位置的表面空间连续点集构成的物体扫描经线空间坐标向量及该物体扫描经线的颜色向量。完成一个角度采样后，将物体做一个小角度的旋转，重复上述采样过程，直至整个物体被扫描一周后，完成对整个物体的三维扫描过程。对于纵向较高的物体，由计算机控制进行分段扫描后自动拼接完整。依据本方法可以在准确获得物体表面某点的三维立体坐标参数的同时，捕捉与该点关联的真实色彩信息。

扫描过程中，将整个扫描仪放置在暗箱中。两个CCD图像传感器同时从各自的视角方向上捕捉采集左右两视角图像。先从其中的一个视角图像上(如：右视图)自上而下地逐行搜索定位物体表面反射激光像点的二维坐标。如果遇到盲区，在右视图上的当前行上无法找到激光像点的二维坐标时，转而到左视图同行上进行搜索确定激光像点的二维坐标。当两个视角同行上都无法确定激光像点的二维坐标时，将这个位制作特殊处理(如孔洞)。

线状扫描激光除前述生成方法外，还可通过诸如声光调制偏转扫描、柱面镜等方法产生。

激光脉冲光源除了可以使用线状激光光源外，还可采用点状、柱状、网状、圆形光栅状结构型光源或编码光源。

Claims (10)

1.一种确定三维物体表面坐标和颜色的方法，其特征在于：

A.对被测物表面实施激光脉冲与照明光脉冲交替曝光；

B.使用双视角复用传感器阵列探测被测物的反射光；

C.激光扫描光束投射在被测物表面，通过双视角复用传感器阵列形成受被测物表面深度调制的激光扫描影像，依据激光扫描影像，得到被测物受激光扫描处的三维坐标信息；

D.照明光投射在被测物表面，通过双视角复用传感器阵列形成被测物彩色影像，依据被测物彩色影像，得到被测物相应点处表面颜色信息。

2.根据权利要求1所述方法，激光脉冲采用线状、点状、柱状、网状、圆形光栅状结构型光源或编码光源。

3.根据权利要求2所述方法，激光脉冲采用为线状激光光源。

4.根据权利要求1所述方法，照明脉冲光源采用白色光源。

5.根据权利要求1所述方法，双视角复用传感器阵列为两个CCD彩色图像传感器。

6.一种确定三维物体表面坐标和颜色的装置，包括控制器和载物平台(9)，其特征在于：

A.扫描头(13)安装在水平梁(5)上，水平梁(5)与丝杠(11)和滑杆(10)连接，水平梁(5)的一端设有第二步进电机(3)，第一步进电机(2)与丝杠(11)连接；

B.扫描头(13)由扫描摄像头(6L，6R)、照明脉冲光源(7)和激光脉冲光源(12)构成；

C.水平梁(5)通过滑杆(10)与下方的平移平台(1)连接，平移平台(1)的两侧设置有第三步进电机(4)和第四步进电机(8)，平移平台(1)的顶面设有载物平台(9)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于载物平台(9)为旋转载物平台。

8.根据权利要求6所述的装置，激光脉冲光源(12)采用线状、点状、柱状、网状、圆形光栅状结构型光源或编码光源。

9.根据权利要求8所述的装置，激光脉冲光源(12)采用线状激光光源。

10.根据权利要求6所述的装置，照明脉冲光源(7)采用白色光源。

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