CN210924673U - 一种三维建模设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种三维建模设备，涉及三维扫描技术领域，包括光源以及多个相机，多个相机设置于光源两侧，光源向被扫描物体照射扫描光束，其中，光源与被扫描物体相对移动；多个相机中的每个相机用于获取扫描光束照射在被扫描物体上形成的多个扫描线的图像，其中，扫描线的第一方向与相对移动的第二方向之间夹角不为零；其中，根据多个扫描线的图像能够建立被扫描物体的三维模型，当其中一个相机获取的扫描线图像出现不准确的情况时，根据另一个相机仍然可以准确的获取扫描线的图像，从而提高得到被扫描物体的三维模型的精度。

Description

一种三维建模设备

技术领域

本申请涉及三维扫描技术领域，具体而言，涉及一种三维建模设备。

背景技术

三维扫描技术在工业、医疗、科研等方面已有广泛的应用，目前该技术的实现大多采用的是基于机器视觉领域的图像获取与处理，基于机械控制移动定位的线扫描由于数据量少、处理步骤简单、易于实现等优点而被广泛采用，在被扫描物体的表面上存在高低变化较大的表面，导致相机采集的图像中扫描线出现缺失的情况，因而扫描得到的三维模型精度较低。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种三维建模设备，用以改善现有技术中扫描得到的三维模型精度较低的问题。

本申请较佳实施例提供一种三维建模设备，所述三维建模设备包括光源、多个相机，所述多个相机设置于所述光源两侧；所述光源用于向被扫描物体照射扫描光束，其中，所述光源与所述被扫描物体相对移动；所述多个相机中的每个相机用于获取扫描光束照射在所述被扫描物体上形成的多个扫描线的图像，其中，所述扫描线的第一方向与相对移动的第二方向之间夹角不为零；其中，根据所述多个扫描线的图像能够建立所述被扫描物体的三维模型。

在上述实现过程中，光源向被扫描物体照射扫描光束，以在被扫描物体上形成扫描线，由于光源与被扫描物体之间存在相对移动，因此被扫描物体上形成的扫描线可以全面的反映被扫描物体的形状，然后通过设置在光源两侧的两台相机获取扫描线的图像，保证当其中一个相机获取的扫描线图像出现不准确的情况时，根据另一个相机仍然可以准确的获取扫描线的图像，从而提高得到被扫描物体的三维模型的精度。

可选地，所述三维建模设备还包括载物台，所述载物台设置于所述光源下方；所述载物台用于带动所述被扫描物体与所述光源相对移动。

在上述实现过程中，载物台带动被扫描物体匀速移动时，相机可以每间隔预设时间获取一次扫描线的图像，因而可以获取到可以表示被扫描物体形状扫描线，进而根据相机获取到的扫描线图像得到的扫描线就可以较为准确的还原被扫描物体的三维模型。

可选地，所述三维建模设备还包括滑动板以及导轨，所述滑动板上固定设置有所述光源以及所述相机，所述滑动板与所述导轨滑动连接；所述滑动板带动所述光源以及所述相机与所述被扫描物体相对移动。

可选地，所述光源照射的扫描光束的第三方向与相对移动的第二方向垂直，所述扫描线的第一方向与相对移动的第二方向垂直，所述第一方向与所述光源照射的扫描光束的第三方向垂直。

可选地，所述多个相机包括两个相机，所述两个相机沿所述第二方向分别设置于所述光源的两侧。相机延第二方向分别设置于光源两侧，则获取的数据可以避免由于角度不同而需要对获取的数据进行数据转换，直接进行合并或者其他处理能够提高数据处理效率。

可选地，所述两个相机对称设置于所述光源的两侧。

可选地，所述光源为激光器光源，所述激光器光源用于产生激光扫描光束。由于激光比普通光源具备单色性好、亮度高以及方向性好的特点，因此利用激光对被扫描物体进行扫描能够提高扫描的准确性。

可选地，所述相机为工业相机。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种三维建模设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光路原理示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种三维建模设备的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种三维建模设备的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种数据处理的示意图。

图标：100-三维建模设备；110-光源；120-相机；130-被扫描物体；140-载物台；150-滑动板；160-导轨。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

目前三维扫描技术的实现大多采用的是基于机器视觉领域的图像获取与处理，例如，现有的三维扫描技术在实际工作过程中，先将扫描光束投射到被扫描物体上，在被扫描物体上形成远亮过被扫描物体本身的一条扫描线，然后在使用一个相机对扫描线的散射或反射光进行成像，同时获取成像时扫描线的物理坐标，但是，采用上述现有技术中的方法时，由于被扫描物体会存在表面高低变化的现象，因此，会发生扫描线被遮挡缺失或者移位的现象，此时无法根据拍摄获取的扫描线的图像判断实际扫描线的情况，最终导致扫描得到的三维模型不准确，且与实际被扫描物体存在较大的偏差。

为了能够提高三维模型的准确性，本申请提出一种三维建模设备100，请参看图1，图1为本申请实施例提供的一种三维建模设备100的结构示意图，该三维建模设备100包括光源110以及多个相机120，多个相机120设置于光源110两侧，光源110向被扫描物体130照射扫描光束，其中，光源110与被扫描物体130相对移动；多个相机120中的每个相机120用于获取扫描光束照射在被扫描物体130上形成的多个扫描线的图像，其中，扫描线的第一方向与相对移动的第二方向之间夹角不为零；其中，根据多个扫描线的图像能够建立所述被扫描物体130的三维模型。

其中，相机120可以包括传输模块，因此相机120可以将获取到的图像发送至外部处理器等设备，该传输模块可以是有线传输模块，也可以是无线传输模块，此外，还可以将相机120内部的存储器取出，并插入外部处理器等设备，以使外部处理器可以根据多个扫描线的图像建立被扫描物体130的三维模型。

光源110在向被扫描物体130照射扫描光束时，由于光直线传播的特性，被扫描物体130上会形成扫描线。此外，随着光源110与被扫描物体130之间的相对移动，被扫描物体130的表面上会依次形成不同的扫描线。

此外，多个相机120设置于光源110两侧，其中光源110两侧相机120的数量可以相等，也可以不相等，例如，光源110一侧的相机120数量为2个，另一侧相机120数量为1个，又如，光源110一侧的相机120数量为5个，另一侧相机120数量为5个。

特别地，相机120可以为工业相机，工业相机相对于传统的民用相机而言，具有更高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点，例如，此处的相机120可以是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机。

根据多个扫描线的图像能够获取多个扫描线相对于扫描无工件的平面时的情况的变化，从而得出扫描线对应截面的深度分布情况，该深度分布情况为一条与扫描线形状相似的曲线，最后结合成像时的物理坐标，将所有曲线纵向排列在一起，最终成为一个三维曲面，从而还原为被扫描物体130的三维模型。

其中，相机120装有镜头，因此相机120装拍摄到的曲线图像的尺寸与实际物理扫描的曲线尺寸为线性关系，请参看图2，图中的光源110向被扫描物体130照射光束，当光束到达被扫描物体130的表面后发生散射，如图中所示被扫描物体130的第一散射表面的高度为d，第一散射表面如图中实线所示，光束在第一散射表面发生散射后入射至相机120的镜头时，光路如L2所示，而被扫描物体130的第二散射表面的高度为d+d₁，第二散射表面如图中虚线所示，光束在第二散射表面发生散射后入射至相机120的镜头时，光路如L1所示，且L1与L2是平行的，在不同散射表面发生散射后的散射光线分别沿L1与L2垂直入射至相机120的镜头，平行的虚线为光轴(图示中未示出其他散射光线的光路)。d1、d2和d3分别为深度变化距离、光在镜头上入射点移动距离和相机120上像点移动的距离，因为L1与L2平行，因此它们截出的d1与d2也就满足下述第一关系式：

α表示镜头所在平面与激光光束的夹角。

因为感光面与镜头平行，d2与d3满足下述第二关系式：

其中，f为镜头的焦距，镜头的厚度忽略，D为镜头与感光面之间的距离。

第一关系式中表示镜头所在平面与激光光束的夹角α为固定值，第二关系式中表示镜头的焦距f以及表示镜头与感光面之间的距离D都是固定值，因此上述第一关系式的右边和第二关系式的右边都是常量，两式相乘即可得出d1和d3之间的线性关系如下式：

在上述实现过程中，光源110向被扫描物体130照射扫描光束，以在被扫描物体130上形成扫描线，由于光源110与被扫描物体130之间存在相对移动，因此被扫描物体130上形成的扫描线可以全面的反映被扫描物体130的形状，然后通过设置在光源110两侧的两台相机120获取扫描线的图像，保证当其中一个相机120获取的扫描线图像出现不准确的情况时，根据另一个相机120仍然可以准确的获取扫描线的图像，从而提高得到被扫描物体130的三维模型的精确度。

在一些实施例中，光源110固定，由被扫描物体130移动实现二者的相对移动。例如，三维建模设备100还包括载物台140，载物台140设置于光源110下方，载物台140用于带动被扫描物体130与光源110相对移动。

其中，三维建模设备100中的载物台140带动被扫描物体130与光源110相对移动，载物台140可以带动被扫描物体130匀速移动。相机120可以设置为每间隔预设时间获取一次扫描线的图像，由于被扫描物体130匀速移动，根据相机120获取到的扫描线图像得到的扫描线就可以准确的还原被扫描物体130的三维模型。

在另一些实施例中，被扫描物体130固定，由光源110移动实现二者相对移动。例如，请参看图3，三维建模设备100还包括滑动板150以及导轨160，滑动板150上固定设置有光源110以及相机120，滑动板150与导轨160滑动连接；滑动板150带动光源110以及相机120与被扫描物体130相对移动。

可选地，光源110照射的扫描光束的第三方向与相对移动的第二方向垂直，扫描线的第一方向与相对移动的第二方向垂直，第一方向与光源110照射的扫描光束的第三方向垂直。

其中，扫描光束垂直照射至被扫描物体130移动的第三方向，且被扫描物体130表面形成的扫描线与扫描光束与被扫描物体130移动的第三方向均垂直，因此，可以无需对得到的扫描线数据进行坐标换算的处理，直接根据该数据建立三维模型，继而提高模型建立的效率。

可选地，多个相机120包括两个相机120，两个相机120沿第二方向分别设置于光源110的两侧。具体地，两个相机120对称设置于光源110的两侧。

在上述实现过程中，相机120沿第二方向分别设置于光源110两侧，则获取的数据可以避免由于角度不同而需要对获取的数据进行数据转换，直接进行合并或者其他处理能够提高数据处理效率。

可选地，光源110为激光器光源，激光器光源用于产生激光扫描光束。物理学中原子中的电子吸收能量后会从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量可以以光子的形式放出，被引诱出来的光子束也被称为激光，由于光子光学特性高度一致，使得激光比起普通光源具备单色性好、亮度高以及方向性好的特点，因此利用激光对被扫描物体130进行扫描能够保证扫描的准确性。

作为一种实施方式，请参看图1，载物台140带动被扫描物体130移动，光源110向载物台140照射扫描光束，图1中带有箭头的线表示扫描光束，箭头表示被扫描物体130移动的方向，扫描光束从光源110出发，遇到被扫描物体130后发生折射以及反射现象，相机120可以获取折射和反射的光线的图像，因此能够得到扫描线，当被扫描物体130还未移动至光源110下时，扫描光束只能在载物台140平面上形成扫描线，而无法在被扫描物体130上形成扫描线，当被扫描物体130刚移动至光源110下时，扫描光束可以在被扫描物体130的一端表面上形成扫描线，此时的扫描线与扫描光束在载物台140平面上形成扫描线之间出现高度变化，继而根据被扫描物体130上不同位置形成的扫描线排列在一起，可以较为准确得到被扫描物体130的三维模型。

作为另一种实施方式，请参看图4，图4为本申请实施例提供的另一种三维建模设备100的结构示意图，此时由于被扫描物体130表面出现不平整，其中一个相机120无法获取扫描线的图像，图中带箭头的虚线表示扫描线若未被遮挡的光路情况，另一个相机120仍然可以正常获取扫描线的图像，此时可以只取正常获取的扫描线图像，从而保证能够准确地得到被扫描物体130的三维模型。

可选地，根据多个扫描线的图像建立被扫描物体130的三维模型时，可以先根据设置于光源110一侧的相机120获取的多个扫描线的图像获取第一分辨率数据，同时根据设置于光源110另一侧的相机120获取的多个扫描线的图像获取第二分辨率数据，然后将第一分辨率数据以及第二分辨率数据合并为目标分辨率数据，并根据目标分辨率数据建立被扫描物体130的三维模型。

下边结合图5对三维模型建立的数据处理过程进行简单的描述，光源110一侧的相机120用m＝0表示，光源110另一侧的相机120用m＝1表示，每个相机获取的图像数据都是包含图像灰度值的二维数组，也就是分辨率数据，x_n(m,y)表示分辨率数据中的一个数据，其中，m表示相机120，y表示序号，则x_n(m,y)表示该数据来自于m相机120的图像中第y个数据。具体地，m＝0的相机120获取的第一分辨率数据为：x_n(0,1)、x_n(0,2)、x_n(0,3)、……、x_n(0,y)，m＝1的相机120获取的第二分辨率数据为：x_n(1,1)、x_n(1,2)、x_n(1,3)、……、x_n(1,y)，然后将第一分辨率数据与第二分辨率数据合并为目标分辨率数据：Xn(1)、Xn(2)、Xn(3)、……、Xn(y)。其中，当其中的一个数据为0则表示此处出现了扫描线缺失的情况，此时可以直接取不为0的另一个数据为目标分辨率数据，当两个数据都不为0时，可以取两者的均值，而当两个数据都为0时，则可以取默认值。

可选地，在根据目标分辨率数据建立被扫描物体130的三维模型时，可以先获取标定系数以及预设参数，并根据下述公式获取在第二方向上变化的数据：Zn＝k*(Xn-X0)，其中，Zn表示在第二方向上变化的数据，k表示标定系数，Xn表示目标分辨率数据，X0表示预设参数，然后根据目标分辨率数据以及在第二方向上变化的数据确定三维数据组，并根据三维数据组建立被扫描物体130的三维模型。

标定系数以及预设参数可以为预设好的参数，为了保证每次测量的准确性，还可以先在载物台140上不放被扫描物体130，并使光源110向载物台140直接发射扫描光束，再通过设置在光源110两侧的相机120同时获取直接照射载物台140而形成的扫描光束的图像，然后按照计算质心的方法计算出扫描线各段沿相对移动的第二方向的坐标，此处用X表示第二方向，然后综合取两者的计算结果得到最终的坐标，也就是预设参数，这里用数列X0表示，可以理解的，上述过程也可在被扫描物体130已经放置于载物台140上，但扫描光束未照射在被扫描物体130上之前完成。

其中，计算质心的方法包括如下过程：先对图像进行阈值处理，然后将图像中表示灰度的二维数组沿第一方向拆分成数列xn(m,y)，此处用Y方向表示第一方向，得到的数列平行于X方向，每个数列都中包含有一段扫描线，其中，m代表该数列来自哪个相机120的图像，y为拆分出来的数列的序号，同时也是Xn每个元素的索引位置、未标定的Y方向的坐标，x为数列中像素点的索引。

Z方向表示第三方向，则Z方向上数据的可以表示被扫描物体130的高度，因此通过公式Zn＝k*(Xn-X0)能够计算出每个扫描截面的高度变化情况，最后根据目标分辨率数据以及在第二方向上变化的数据Zn确定三维数据组，并根据三维数据组建立被扫描物体130的三维模型。

综上所述，本申请提供一种三维建模设备，包括光源以及多个相机，所述多个相机设置于所述光源两侧，所述光源向被扫描物体照射扫描光束，其中，所述光源与所述被扫描物体相对移动；所述多个相机中的每个相机用于获取扫描光束照射在所述被扫描物体上形成的多个扫描线的图像，其中，所述扫描线的第一方向与相对移动的第二方向之间夹角不为零；其中，根据所述多个扫描线的图像能够建立所述被扫描物体的三维模型，当其中一个相机获取的扫描线图像出现不准确的情况时，根据另一个相机仍然可以准确的获取扫描线的图像，从而保证准确地得到被扫描物体的三维模型。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维建模设备，其特征在于，所述三维建模设备包括光源以及多个相机，所述多个相机设置于所述光源两侧；

所述光源用于向被扫描物体照射扫描光束，其中，所述光源与所述被扫描物体相对移动；

所述多个相机中的每个相机用于获取扫描光束照射在所述被扫描物体上形成的多个扫描线的图像，其中，所述扫描线的第一方向与相对移动的第二方向之间夹角不为零；

其中，根据所述多个扫描线的图像能够建立所述被扫描物体的三维模型。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三维建模设备还包括载物台，所述载物台设置于所述光源下方；

所述载物台用于带动所述被扫描物体与所述光源相对移动。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三维建模设备还包括滑动板以及导轨，所述滑动板上固定设置有所述光源以及所述相机，所述滑动板与所述导轨滑动连接；

所述滑动板带动所述光源以及所述相机与所述被扫描物体相对移动。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光源照射的扫描光束的第三方向与相对移动的第二方向垂直，所述扫描线的第一方向与相对移动的第二方向垂直，所述第一方向与所述光源照射的扫描光束的第三方向垂直。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个相机包括两个相机，所述两个相机沿所述第二方向分别设置于所述光源的两侧。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述两个相机对称设置于所述光源的两侧。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光源为激光器光源，所述激光器光源用于产生激光扫描光束。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相机为工业相机。

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