CN204028993U - 一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，包括支撑台、可水平自转360度的置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机；所述支撑台用于支撑和固定置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机；所述置物台设置在支撑台上；所述光栅投影仪设于支撑台上正对置物台上方的位置；所述照明设备设置在支撑台上；所述至少5个相机分别设置在支撑台上。利用光栅扫描设备和软件进行物体的精细重建，在精细度、色彩和材质方面都达到完美的还原。

Description

一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置。 

背景技术

实物外观数码化技术在很多领域都有广泛的应用。例如在我们熟知的数字博物馆概念中，虚拟的艺术品宝藏将被呈现在数字网络世界中，使普通观众能够在家中或者在家附近就能体验同等甚至更深刻的艺术欣赏，得到展馆更人性化的服务，而不受时间与空间乃至个人经济条件的客观限制。同时实物数码化技术在电脑游戏，数字电影，物理仿真，社交网络，汽车，文化纪念品，家居装饰品等产业都将有极大的应用潜力。数字化三维建模技术应用前景十分广阔，可以说深入到我们生活的方方面面，现有的可以用二维图片展示的地方，以后都会被数字化三维模型展示所取代。随着3D打印在全世界范围的风靡及3D打印机的家庭化，数字化三维建模技术作为3D打印的上游行业必将迅速发展。我们正面临着一个从二维图像到三维大数据的历史时代。 

目前国内外三维重建系统大致分为以下三类：第一类三维重建系统是通过相机成像模型，从二维图像中计算出物体的三维结构。这一类的方法成本较低，但是重建结果易受到其他因素的影响。第二类是利用精密的硬件设备，如激光扫描仪、结构光、深度扫描仪(Range Scanner)等，直接测量出物体表面点的三维坐标。这类方法由于是直接对三维物体的空间信息进行处理，因此精度较高。但是这类方法需要较为复杂的并且成本十分高昂的硬件设备，包括激光扫描装置、数据存储设备等，从而极大地限制了该技术的使用及适用场合。目前国际上比较成熟的三维重建系统主要有： 

Faugeras等人完成的利用经典的分层重建、自定标方法直接从图像序列中重建建筑物的三维重建系统。该系统考虑了建筑物的特殊性，利用了建筑物上的三维坐标已知点(Anchor Points)、己知角度或平行线等物理信息来标定摄像机，并利用多面体来表示被重建场景。该系统主要用于为CAD/CAM等建模系统提供原始的几何模型。

法国INRIA的Bougnoux等人开发的TotalCalib系统。该系统需要半手工的完成图像的匹配，摄像机定标以及三维重建，以获得较好的重建结果。 

比利时的K.U.Leuven大学的Pollefeys等人开发的物体三维表面自动生成系统，利用了可变参数下的摄像机自定标技术。该系统仅要求用户利用手持摄像机围绕要重建的物体拍摄一系列的图像，通过对图像对应点的密集匹配，即可自动的实现摄像机的自定标和分层重建。此系统在欧洲的考古学、文物保护等领域得到了成功的应用。 

英国剑桥大学计算机视觉研究组开发的PhotoBuilder三维重建系统。该系统需要手工指定空间中三组正交平行线在图像中的“消失点”来标定摄像机的内参数。其适用的范围较窄，自动化程度不高。 

对于以上的扫描设备和方法，工业设计中的一般流程为设计师或工程师利用3D制图软件设计产品或零件图纸，之后由3D外观几何数据转化并制造模具，最后由模具注塑成产品外壳或单个零部件。这种技术是利用以上的扫描仪对实物表面在一定的光照条件下进行长时间逐点扫描，之后扫描数据要通过有经验的专业人员进行大量平滑，曲面绘制等等繁重的重建工作而最终得到物体外形的3D几何数据。这种技术多用于对成品的3D 质量检测，帮助设计师或工程师进行修改，还可以依靠研究竞争对手产品外观而进行逆向设计。但是尤其对于艺术品和文物的重建，该技术主要有以下5点不足之处： 

1.目前的扫描仪多为进口产品，提供此项服务的人员只是使用者，而非技术的专业人员，不能解决采集过程和结果中出现的实际问题；

2.扫描的时间长，外部环境的变化会引起结果的不稳定；

3.采集过程需要在物体上标定特征点，此接触式的扫描方法，不适合处理珍贵的文物；

4.需要大量繁重的人工后期处理，不仅在重建结果中引入了人为不确定因素，而且大大增加了时间和人工成本；

5.镭射扫描仪价格昂贵，而且没有颜色信息。颜色需要后期手工渲染；最重要的是，这种方法采集和重建的结果没有物体材料的质感信息，而只是外观几何信息。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种实现“一键式”全自动扫描，无线人工后期处理，自动生成颜色贴图的基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置。 

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，包括支撑台、可水平自转360度的置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机； 

所述支撑台用于支撑和固定置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机；

所述置物台设置在支撑台上，所述置物台用于放置物品；

所述光栅投影仪设于支撑台上正对置物台上方的位置，固定在支撑台上，所述光栅投影仪将产生的一系列衍射条纹投射到放置在置物台上的物品上；

所述照明设备设置在支撑台上，用于全方位为置物台上的物品照明；

所述至少5个相机分别设置在支撑台上，用于拍摄物品的图像，并将图像信息传输到数据处理单元。 

本实用新型的有益效果是：采用本实用新型装置进行特高精度的物体数字化建模，重建后的三维物体在精细度，色彩和材质方面都能达到完美的还原，其结果的精细度非常高；采用“一键式”建模，用户把待建模的物体放置在置物台上，无需人工干预；三维数字化重建的结果精细度高，可以超过镭射扫描仪的精度，且自动生成颜色纹理和材质的信息；结果稳定可靠。 

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。 

进一步，所述支撑台包括支撑架、球形龙骨和摇臂； 

所述支撑架放置于地面上，用于支撑和固定球形龙骨和摇臂；

所述球形龙骨中心轴两端固定设于支撑架上，所述球形龙骨内部设有照明设备，所述置物台设于球形龙骨内部，使放置在置物台上的物品的全部表面均匀受光；

所述摇臂设置于支撑架上，可沿球形龙骨纬线方向滑动；所述多个相机固定设置在摇臂上，用于采集球形龙骨内放置在置物台上的物品的图像信息。

进一步，所述球形龙骨由多个直径不同的同心圆的圆环龙骨构成，所述照明设备设置在圆环龙骨内侧面上。 

进一步，所述照明设备包括多个独立控制的LED灯，所述多个LED灯均匀设置在所有球形龙骨内部，用于使置物台上的物品所有方向均得到光照。 

采用上述进一步技术方案的有益效果是，LED灯是可以独立可控制的，可以单独打开或者关闭任意方向的LED灯，进而实现全方位的光照模拟，采集物体表面的材质属性。 

进一步，所述置物台包括透明平台、控制透明平台在平面上实现360度自转的电机和转台支撑； 

所述透明平台设置在转台支撑上，所述电机与透明平台相连接，所述透明平台用于放置需扫描物品，所述电机控制透明平台在平面方向转动；所述转台支撑用于支撑透明平台。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置硬件设施图； 

图2为本实用新型所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置硬件设施主视图；

图3为本实用新型所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置硬件设施俯视图；

图4为计算机构造的一系列黑白相间的编码结构光示意图；

图5为编码与周期的对应关系。

附图中，各标号所代表的部件列表如下： 

1、支撑台，2、置物台，3、光栅投影仪，4、照明设备，5、相机， 11、支撑架，12、球形龙骨，13、摇臂，21、透明平台，22、电机，23、转台支撑。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。 

如图1所示，为本实用新型所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，包括支撑台1、可水平自转360度的置物台2、光栅投影仪3、照明设备4和至少5个相机5； 

所述支撑台1用于支撑和固定置物台2、光栅投影仪3、照明设备4和至少5个相机5；

所述置物台2设置在支撑台1上，所述置物台2用于放置物品；

所述光栅投影仪3设于支撑台上正对置物台上方的位置，固定在支撑台上，所述光栅投影仪3将产生的一系列衍射条纹投射到放置在置物台2上的物品上；

所述至少5个照明设备4分别设置在支撑台1上，用于全方位为置物台1上的物品照明；

所述相机5设置在支撑台1上，用于拍摄物品的图像。

所述支撑台1包括支撑架11、球形龙骨12和摇臂13； 

所述支撑架11放置于地面上，用于支撑和固定球形龙骨12和摇臂13；

所述球形龙骨12中心轴两端固定设于支撑架11上，所述球形龙骨12内部设有照明设备4，所述置物台2设于球形龙骨12内部，使放置在置物台2上的物品的全部表面均匀受光；

所述摇臂13设置于支撑架11上，可沿球形龙骨12纬线方向滑动；所述多个相机5固定设置在摇臂13上，用于采集球形龙骨12内放置在置物台12上的物品的图像信息。

所述球形龙骨12由多个直径不同的同心圆的圆环龙骨构成，所述照明设备4设置在圆环龙骨内侧面上。 

所述照明设备4包括多个LED灯，所述多个LED灯均匀设置在所有球形龙骨12内部，用于使置物台2上的物品所有方向均得到光照。 

所述置物台2包括透明平台21、控制透明平台在平面上实现360度自转的电机22和转台支撑23； 

所述透明平台21设置在转台支撑23上，所述电机22与透明平台21相连接，所述透明平台21用于放置需扫描物品，所述电机22控制透明平台21在平面方向转动；所述转台支撑23用于支撑透明平台21。

所述材质库是分别对木材、石头、琉璃等12000种物体材质进行数据采集并标定得到的图像数据库。 

针对现有的扫描设备的缺点，我们的技术提出了新的解决技术方法，其目的是： 

1.   采用“一键式”全自动的扫描建模方式，非技术的人员就可以操作并得到预期的结果。

2.   扫描过程不受外部环境影响。外部由黑色幕布全部遮盖，预留相机运动的轨迹，并且灯光和相机的运动方向和开关由程序自动控制。 

3.   非接触式的扫描方法，不需要在被建模的物体上做任何的处理，适合珍贵文物的处理。 

4.   无需人工的后期处理，3D数字化重建结果自动生成。 

5.   颜色贴图信息自动生成，并且恢复物体材质材料的质感信息。材质的信息恢复是本实用新型的独创，目前为止，没有其他设备可以做到。 

本实用新型技术方案的完整内容： 

这里要介绍的光栅三维扫描系统就是专门针对现有镭射扫描技术在艺术品或文物三维重建方面的问题，而专门研发的一项全新的实物数码化技术，包括硬件设施和处理软件。技术研发的目的是能够自动并快速生成现实物体的高品质三维数据。使物体能够真实再现在网络，电影，图像，游戏以及更多的数字应用中。一般所需的采集时间在30分钟以内，即使应用办公用级别的计算机，重建时间也不会超过2－3个小时。 

物体首先要平稳地放置在光栅三维扫描仪器球幕中的玻璃转台上进行自动化光学数据采集，其中载物台的旋转和高度均可控。仪器标定的被测物标准上限为直径80厘米，质量100公斤以内的物体。 

利用结构化照明，即利用精密控制的光栅投影仪产生一定的一系列光影衍射条纹投射到物体上，同时精密控制的多台消费级数码相机在各个角度以一定的设置对物体进行拍摄。这一系列拍摄的照片与已知光照条件相结合，通过核心的计算机程序，物体的几何形状得以重建。 在精密控制地漫射光照明和定向光照明条件下所拍摄的照片系列将用于物体表面颜色和表面光照表现即表面质感的信息重建。分辨率达到了亚毫米量级。 

由表面反射干扰和图像传感器噪声所产生的伪数据点可被系统自动识别并剔除。转台底部的透明玻璃材质使物体底部的信息可在各种照明条件下同时采集到，玻璃表面的发射和厚度所产生的像差可通过计算机算法进行补偿。因此，该技术真正实现了自动化快速全物体表面的高质量三维重建。 

重建的三维数据读取和显示有多种选择，有配套开发的数据显示软件，同时数据格式也可以与CAD（计算机辅助工程设计）绘图软件兼容， 甚至还可以在网页浏览器中直接打开观看。重建的精细程度也提供多种选择，每个物体重建最高可以达到1GB左右的数据量用于数据的备份；也可以缩小到 5 MB左右用于网络传输和在线查看，而且研制的特殊算法可以保证在低数据量的情况下仍能获得较高的重现精细程度。 

文物高品质的三维重现，为文化遗产的保护提供了更加全面和可靠的储存方式，同时，为参观者提供了一种从未有过的视觉，感觉的交互式体验。利用当前流行的3D打印技术，数控机床等加工技术可以对现实物体外形实体进行快速的复制。当然，值得注意的是，此项技术目前仅限于物体的三维虚拟重现，而非以复制为目的。 

光栅三维扫描系统硬件的详细阐述: 

整个扫描系统由两大部分组成:硬件控制设备和电子数据采集设备。下面我们分别系统的阐述这两部分：

硬件控制设备：如图1、图2、图3所示，主要由三部分构成： 支撑台、置物台和摇臂。

支撑台：支撑台包括球形龙骨，和支撑球形龙骨的平台。支撑台主要是在扫描过程中提供一个稳定的安全的无外界干扰的环境，可以把待重建的物体置于球形龙骨中间的置物台上，然后进行自动的扫描操作。支撑球形龙骨可分开变成两部分，方便放进和拿出物体。在球形龙骨上分布着很多LED灯，最后会在球形龙骨外面包黑色的帆布。基于这样的设计，球形龙骨里面的灯光是完全可以通过LED灯组进行控制，不会受外界环境的影响。 

置物台：置物台包括玻璃的透明平台，控制转动的电机和转台支撑，同步电机可以控制玻璃的透明平台水平的360度的旋转。透明平台放置于转台支撑。基于这样的设计，待扫描的物体可以在支撑平台的严格环境保护下进行水平360的旋转，为数据采集提供支持。透明平台平面是玻璃的，因为需要采集物体底部的信息，配合摇臂装置，就可以完成待测物体底部的数据获取。 

摇臂：摇臂如图2、3所示，由同步电机控制摇臂，可以在垂直方向180度旋转，摇臂上有固定的多台相机和光栅投影仪，用来扫描数据。摇臂的垂直180度和转台的水平360度旋转，使得能够对物体全方位的，无死角的数据扫描。 

电子数据采集设备：电子数据采集设备是由5台Canon5DII相机和一台光栅投影仪组成，分别安置在摇臂上，如图2所示。摇臂，透明平台，相机和光栅投影仪通过计算机统一控制，来完成数据扫描的过程。数据扫描过程自动完成：摇臂垂直１８０度从上到下停留７个位置，这７个位置之间间隔３０度。摇臂每停留一个位置，透明平台都水平方向旋转３６０度，停留１８个位置，每个位置之间间隔２０度。在每个位置上在投影光栅下５台相机同时拍摄一组照片，在没有光栅投影下５台相机再同时拍摄一组照片。这样每个物体拍摄7*18*5*2＝1260张照片。这些照片作为我们接下来软件分析的输入数据。 

光栅三维扫描系统软件的详细阐述: 

被扫描物体表面结构的自动生成:

扫描物体的结构表面的系统由一台扫描仪和5台相机组成。扫描仪打出一系列的带有编码信息的结构光，5台相机同时同步的拍摄这些结构光信息。实现方法是先将计算机构造的一系列黑白相间的编码结构光也由投影仪投射到物体上，如图4所示。编码结构光是具有不同节距的一系列二值光栅，比如将图4的这三幅光栅投影在物体上，被测空间被划分为8个区域，根据各个点在不同图像中的亮度进行编码，每个区域由一个三位二进制编码表示，这个编码是与该点所处的周期相联系的，因此可以由编码与周期的对应关系得到被测物体上栅线的周期分布，从而基本完成相展开过程。编码与周期的对应关系如图5所示。根据被测空间的大小以及对精度的要求，可以灵活调整投射编码结构光的数目，也即调整周期的数目。然后将畸变栅线图像由7台照相及采集到计算机中，用解相光栅进行解相得到重叠在（-π，π）区间内的相主值，用结构光编码方法进行相展开得到相位的周期，二者相加得到真实的相位值。与传统的相展开方法相比，该方法相展开过程变得简单高效，不依赖于路径，不存在误差的传播，对噪音的抗干扰能力强，那够得到准确的周期。根据以上的技术简述得到被扫描物体表面在亚毫米量级的几何结构。

有结构光扫描的数据的原始值是有很多噪音和误差点的。我们通过程序自动来剔除这些噪音和误差。第一步：反投影剔除。计算三维数据点在二维图像上的反投影点，如果反投影点在图像的物体上，那么认为是正确的有用的点，相反，如果反投影点落在图像的背景上，那么认为是错误的点。第二步：相对关系剔除。计算三维数据点同他邻居的三维点的距离，如果这个距离大于一定阈值，认为这一点是游离在外的误差点。 

被扫描物体颜色贴图的自动生成: 

摇臂上的5台相机的位置是相对固定的，不需要校准。当摇臂移动时，相机的位置信息初始值可以通过硬件控制信息得到，进一步的精细的校准是由软件完成。在两幅不同位置的相机照片之间找到特征值和对应关系，通过这些对应关系得到相机的精准的位置和方向信息。这些相机外参信息用于下一步的颜色贴图。由于得到了相机的位置和方向，并建立了相机同被重建物体的对应关系，也就得到了从二维的图像到三维重建物体的投射关系。每一个三维重建物体的表面上的点都可以在二维的图像上找到相对应的颜色信息，这个颜色就是最终生成物体的颜色贴图信息。由于对角度的投射，在不考虑遮挡的条件下，每一个三维点至少有5台相机投射到这点。如何选取合适的颜色呢？我们采用基于三维物体区域分析的方法来实现，所谓区域分析，就是找到物体颜色相对一致的区域，根据不同的物体，把物体分割成50到500个这样的投影区域。计算每一个区域的法线方向同相机方向的夹角，选取最小夹角的相机颜色最为这一区域的颜色贴图。由此颜色贴图自动完成。

被扫描物体材质属性的自动生成: 

被扫描物体材质属性由物体的反光率对比图生成。通过控制球幕内各个方向的LED灯组，相机拍摄物体表面的反光率图像。把所有的LED灯关闭，打开一组同一方向的LED灯，分别在LED灯10度，30度，60度和90度方向上的相机拍照，得到这些角度的物体表面反光率的图像。最后再把这些反光率图像同预先建立好的材质库图像进行软件自动比对，得到一致的或者最相近的物体材质属性。这个材质库是预先建立好的，使用我们的扫描系统对木材，石头，琉璃等12000种物体材质进行数据采集并标定，得到一个相对完整的针对我们扫描仪的材质库。基于在颜色贴图步骤的区域划分，对于每一个区域，通过反光率图像对比，再在材质库中找到对应的材质信息。最终生成一个材质属性贴图，用于物体的显示渲染，得到更加逼真的效果展示。

以往的光栅扫描仪（例如CREAFORM的GO3DScan系统）都是手持式的，需要专业人员经过培训才能使用，而且常常不能解决采集过程和结果中出现的实际问题。同时扫描的时间长，外部环境的变化会引起结果的不稳定。需要大量繁重的人工后期处理，不仅在重建结果中引入了人为不确定因素，而且大大增加了时间和人工成本。本发明摇臂上安装了五个照相机和一个投影仪，可以垂直180度的旋转。支撑台上是一个玻璃的透明平台，可以水平360度的旋转。LED灯组外壳保证数据采集时的均匀光线，无外界干扰。整个数据采集过程可以保证物体的安全和一键式的自动化。由表面反射干扰和图像传感器噪声所产生的伪数据点可被系统自动识别并剔除。透明平台的透明玻璃材质使物体底部的信息可在各种照明条件下同时采集到，玻璃表面的发射和厚度所产生的像差可通过计算机算法进行补偿。因此，该技术真正实现了自动化快速全物体表面的高质量三维重建。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。  

Claims (4)

1.一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，其特征在于，包括支撑台、可水平自转360度的置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机；

所述支撑台用于支撑和固定置物台、光栅投影仪、照明设备和至少5个相机；

所述置物台设置在支撑台上；

所述光栅投影仪设于支撑台上正对置物台上方的位置，固定在支撑台上； 

所述照明设备设置在支撑台上；

所述支撑台包括支撑架、球形龙骨和摇臂；

所述支撑架放置于地面上；

所述球形龙骨中心轴两端固定设于支撑架上，所述球形龙骨内部设有照明设备，所述置物台设于球形龙骨内部；

所述摇臂 设置于支撑架上，可沿球形龙骨纬线方向滑动；所述5个相机和光栅投影仪固定设置在摇臂上。

2.根据权利要求1所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，其特征在于，所述球形龙骨由多个直径不同的同心圆的圆环龙骨构成，所述照明设备设置在圆环龙骨内侧面上。

3.根据权利要求2所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，其特征在于，所述照明设备包括多个独立控制的LED灯，所述多个LED灯均匀设置在所有球形龙骨内部。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建装置，其特征在于，所述置物台包括透明平台、控制透明平台在平面上实现360度自转的电机和转台支撑；

所述透明平台设置在转台支撑上，所述电机与透明平台相连接。