CN215338215U - 一种结构光三维扫描仪和扫描系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种结构光三维扫描仪和扫描系统，其中，该结构光三维扫描仪包括至少两个投射装置，所述至少两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，使该结构光三维扫描仪既可以用较长波段光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

Description

一种结构光三维扫描仪和扫描系统

技术领域

本申请涉及三维扫描技术领域，特别是涉及一种结构光三维扫描仪和扫描系统。

背景技术

近年来随着计算机硬件性能的不断增加，以及通讯速度的不断提升，使得三维扫描技术也随之不断的迭代更新。目前市面上的三维扫描仪主要分为面向消费领域的结构光三维扫描仪和面向工业领域的激光三维扫描仪两大类。

目前的结构光三维扫描仪在物体表面投射可见光图案并采集物体表面的图案特征进行三维重建，扫描精细度高，但是扫描面幅较小，导致扫描的流畅性不足。

目前缺乏一种在保证扫描精细度的基础上可以实现大面幅扫描的结构光三维扫描仪。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种结构光三维扫描仪和扫描系统，以至少解决相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证扫描精度的基础上实现大面幅扫描的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种结构光三维扫描仪，该结构光三维扫描仪包括至少两个投射装置、至少一个图像采集装置，以及分别与所述至少两个投射装置和所述至少一个图像采集装置连接的控制装置，所述至少两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，所述至少一个图像采集装置能采集投射有所述图案特征的待扫描物体的表面图像数据。

在其中一些实施例中，所述投射装置包括第一投射装置和第二投射装置，其中，所述第一投射装置用于投射第一波段的图案特征，所述第二投射装置用于投射第二波段的图案特征，所述第一波段与所述第二波段不同。

在其中一些实施例中，所述第一波段为红外波段，所述第二波段为可见光波段。

在其中一些实施例中，所述第一投射装置与所述第二投射装置，其中一个为垂直腔表面发射激光器，另一个为投影机。

在其中一些实施例中，所述第一投射装置和第二投射装置均为垂直腔表面发射激光器。

在其中一些实施例中，所述第一投射装置和所述第二投射装置均为投影机。

在其中一些实施例中，所述控制装置包括同步触发单元，所述同步触发单元用于同步触发所述图像采集装置和当前工作的所述投射装置。

在其中一些实施例中，所述图案特征为散斑或条纹。

第二方面，本申请实施例提供了一种三维扫描系统，包括扫描仪和计算装置，所述扫描仪为上述任一项所述的结构光三维扫描仪；

所述计算装置连接所述扫描仪，所述计算装置用于对所述结构光三维扫描仪获取的扫描对象的扫描数据进行实时计算和处理，以生成所述扫描对象的三维模型。

相比于相关技术，本申请实施例提供的结构光三维扫描仪和扫描系统，其中结构光三维扫描仪，包括至少两个投射装置，所述至少两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，使该结构光三维扫描仪既可以用较长波段光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例提供的一种结构光三维扫描仪的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种结构光三维扫描仪的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种三维扫描系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请实施例提供了一种结构光三维扫描仪，图1是本申请实施例提供的结构光三维扫描仪的结构示意图，如图1所示，该结构光三维扫描仪包括两个投射装置(以第一投射装置111和第二投射装置112为例)，一个图像采集装置120，以及分别与投射装置111、投射装置112和图像采集装置120连接的控制装置130。其中，第一投射装置111和第二投射装置112能向待测物体投射两种不同波段的图案特征，图像采集装置120能采集投射有图案特征的待扫描物体的表面图像数据。

具体地，第一投射装置111和第二投射装置112的具体结构不做限制，只要能向待扫描物体表面投射图案特征，以满足扫描要求即可，且第一投射装置111和第二投射装置112投射的光波段不同。例如，第一投射装置111可以是垂直腔表面发射激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser,VCESL)，投射较长波段的光，以用于大面幅扫描；第二投射装置112可以为投影机，投射较短波段的光，以用于局部精细扫描。再例如，第一投射装置111是投影机，投射较短波段的光，以用于局部精细扫描；第二投射装置112为垂直腔表面发射激光器，投射较长波段的光，以用于大面幅扫描。第一投射装置111和第二投射装置112都可以采用VCESL实现，也都可以采用投影机实现，只需要能向待测物体投射两种不同波段的图案特征即可。

需要说明的是，投影机投射出的图案清晰，可以投射出各波段的图案，如红外光、红光和蓝光等，缺点是体积大、功耗大，且结构较复杂；VCSEL体积小，结构简单，功耗小，但是投射出的图案不够清晰，有些波段的VCSEL还未投入产业化，仅在实验室阶段，如蓝光VCSEL。因此，本申请中的投射装置可以根据具体的扫描需求进行配置。

上述图像采集装置120主要用于采集待扫描物体的表面图像数据，并对表面图像数据进行三维重建，以得到待扫描物体的三维结构数据，可以利用现有的各种类型的相机实现。其中，三维重建过程，可以采用现有的三维重建技术实现，例如采用三角法进行三维重建。图像采集装置120的数量可以是一个或者多个。优选地，可以设置两个图像采集装置120，组成双目视觉系统，采集两张投射有图案特征待扫描物体的表面图像用于三维重建。也可以采用一个图像采集装置120，用一张投射有图案特征的待扫描物体的表面图像和一张图案特征图像进行三维重建。也可以采用两个以上的图像采集装置120，采用多目三维重建方法进行三维重建。需要说明的是，图像采集装置120需要提前标定好位置关系与各自在不同波段的内参和畸变系数，以进行图像采集和三维重建计算。

上述控制装置130连接第一投射装置111和第二投射装置112和图像采集装置120，用于控制第一投射装置111、第二投射装置112和图像采集装置120的移动。

进一步地，该结构光三维扫描仪可以设置两类扫描模式：大面幅扫描模式和局部精细扫描模式。以第一投射装置111投射红外光，第二投射装置112投射可见光为例，当需要对待测物体进行大幅面扫描时，扫描仪切换到大面幅扫描模式，采用第一投射装置111投射图案特征；当需要对待测物体进行近距离精细扫描时，扫描仪切换到局部精细扫描模式，则选择第二投射装置112投射图案特征。

当选择大面幅扫描模式时，第一投射装置111投射较长波段光，利用图像采集装置120采集待扫描物体的表面图像，通过采集到的图像数据进行三维重建得到单帧点云，再将单帧点云转到全局坐标系，再通过融合算法，例如，TSDF(Truncated Signed DistanceFunction)算法或八叉树算法，将单帧点云融合入全局的点云中，更新全局实时点云数据。

需要说明的是，上述重建和计算过程可以用与扫描仪连接的外置计算装置实现，比如电脑，也可以在扫描仪中设置一个计算单元实现，具体地，该计算单元可以设置于控制装置130中，还可以在扫描仪的计算单元中实现部分前置计算，在云服务器端进行耗资源大的计算。

通过对被测物体进行大面幅快速扫描，可以大致扫描得到被测物体的初步三维数据，当需要更加精细的扫描被测物体的局部位置时，扫描仪切换至局部精细扫描模式，进行近距离的局部精细扫描。具体地，将切换投射装置后的扫描仪移动到需要近距离精细扫描的被测物体的具体位置，扫描仪通过快速定位在全局坐标系中找到当前位置，接着已获得的点云数据继续扫描即可。

相比于相关技术，本申请实施例提供的结构光三维扫描仪，利用第一投射装置111和第二投射装置112向待测物体投射两种不同波段的图案特征，使扫描仪既可以用较长波光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

需要说明的是，本申请提供的结构光三维扫描仪，包括至少两个投射装置。即可以包括两个投射装置，如上面实施例提供的第一投射装置111和第二投射装置112，也可以包括三个投射装置、四个投射装置，甚至更多，以满足更具体化的扫描需求，提升单台结构光三维扫描仪的复用性。例如，作为一种可实施方式，本申请提供的结构光三维扫描仪包括三个投射装置，这三个投射装置分别用于投射蓝光、红光和红外光的图案特征，以适用于不同场景的扫描需求。

在其中一个实施例中，提供一种结构光三维扫描仪，包括两个投射装置，即，第一投射装置111和第二投射装置112，其中，第一投射装置111用于投射第一波段的图案特征，第二投射装置112用于投射第二波段的图案特征，其中第一波段与第二波段不同。例如，第一投射装置111投射红外光波段的图案特征，第二投射装置112投射可见光波段的图案特征。或者，第一投射装置111投射可见光波段的图案特征，第二投射装置112投射红外光波段的图案特征。更具体地，第一投射装置111投射蓝光波段的图案特征，第二投射装置112投射红外光波段的图案特征。

相比于相关技术，本实施例提供的结构光三维扫描仪，包括两个投射装置，两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，使扫描仪既可以用较长波光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

在其中一个实施例中，提供了一种结构光三维扫描仪，图2是该结构光三维扫描仪的结构示意图，如图2所示，该结构光三维扫描仪包括三个投射装置，即，第一投射装置111、第二投射装置112和第三投射装置113。作为一种可实施方式，第一投射装置111可以为投影机或VCESL，投射红外波段的图案特征，第二投射装置112为投影机或VCESL，投射红光波段的图案特征，第三投射装置113可以为投影机，投射蓝光波段的图案特征。

该结构光三维扫描仪有三个扫描模式，分别对应上述三个投射装置，其中，投射红外波段光的第一投射装置111的扫描面幅最大，投射红光的第二投射装置112的扫描面幅次之，投射蓝光的第三投射装置113的扫描面幅最小。而在精细程度方面，第三投射装置113的扫描精细程度最高，第二投射装置112的扫描精细程度次之，第一投射装置111的扫描精细程度最低，用户可以根据需要选择适合的扫描模式。

需要说明的是，本申请中的投射装置可以根据具体需求进行配置。

相比于相关技术，本实施例提供的结构光三维扫描仪，包括三个投射装置，其中第一投射装置111投射红外波段的图案特征，第二投射装置112投射红光波段的图案特征，第三投射装置113投射蓝光波段的图案特征。该结构光三维扫描仪有三个扫描模式，应对不同的扫描需求，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

在其中一个实施例中，提供了一种结构光三维扫描仪，该结构光三维扫描仪包括两个VCESL作为投射装置，两个VCESL投射不同波段的图案特征。

相比于相关技术，本实施例提供的结构光三维扫描仪，包括两个VCESL，两个VCESL能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，使扫描仪既可以用较长波光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

在其中一个实施例中，提供了一种结构光三维扫描仪，该结构光三维扫描仪包括两个投射装置(以第一投射装置111和第二投射装置112为例)，一个图像采集装置120，以及分别与投射装置111和投射装置112和图像采集装置120连接的控制装置130。其中，第一投射装置111和第二投射装置112能向待测物体投射两种不同波段的图案特征，图像采集装置120能采集投射有图案特征的待扫描物体的表面图像数据，控制装置130包括同步触发单元，所述同步触发单元用于同步触发图像采集装置120和当前工作的投射装置。

具体地，同步触发单元用于扫描时，对图像采集装置120和当前工作的投射装置(第一投射装置111或第二投射装置112)进行同步触发。

在其中一个实施例中，提供了一种结构光三维扫描仪，该结构光三维扫描仪包括两个投射装置(以第一投射装置111和第二投射装置112为例)，一个图像采集装置120，以及分别与投射装置111和投射装置112和图像采集装置120连接的控制装置130。其中，第一投射装置111和第二投射装置112能向待测物体投射两种不同波段的散斑或条纹，图像采集装置120能采集投射有图案特征的待扫描物体的表面图像数据。

需要说明的是，第一投射装置111和第二投射装置112均能够向待测物体投射一种固定的图案特征，该图案特征可以自行设计，扫描仪能够根据图案特征将局部坐标系的三维点云转换至全局坐标系，即，将图像采集装置120在待测物体不同位置扫描获得的待测物体的局部三维点云拼接成一个整体，在本实施例中，投射装置投射的图案特征为散斑或条纹。

相比于相关技术，本申请实施例提供的结构光三维扫描仪，利用第一投射装置111和第二投射装置112向待测物体投射两种不同波段的散斑或条纹，使扫描仪既可以用较长波光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。

在其中一个实施例中，还提供了一种三维扫描系统，图3为本实施例提供的三维扫描系统的结构示意图，如图3所示，该三维扫描系统包括结构光三维扫描仪100和计算装置200，结构光三维扫描仪100和计算装置200连接，该结构光扫描仪100为上述任一项实施例所述的结构光三维扫描仪。

计算装置200通过连接设备连接扫描仪100，计算装置200用于对扫描仪100获取的所述扫描对象的所述扫描数据进行实时计算和处理，包括将图像采集装置120采集到的图像数据进行三维重建得到单帧点云，将该单帧点云转换至全局坐标系，以生成所述扫描对象的三维模型。具体地，该计算装置200可以是PC机，也可以是服务器或者其他类似的计算装置，该连接设备可以是有线网络或无线网络。

本申请实施例提供的三维扫描系统，其中，结构光三维扫描仪100，包括至少两个投射装置，至少两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，使该结构光三维扫描仪100既可以用较长波段光进行大面幅扫描，也可以用较短波段光进行局部精细扫描，解决了相关技术中结构光三维扫描仪无法在保证精细度的基础上实现大面幅扫描的问题，增加了单台扫描仪的复用性。上述三维扫描系统通过结构光三维扫描仪100与计算装置200相互配合，可以实现多模式多场景扫描。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种结构光三维扫描仪，其特征在于，包括至少两个投射装置、至少一个图像采集装置，以及分别与所述至少两个投射装置和所述至少一个图像采集装置连接的控制装置，所述至少两个投射装置能向待测物体投射至少两种不同波段的图案特征，所述至少一个图像采集装置能采集投射有所述图案特征的待扫描物体的表面图像数据。

2.根据权利要求1所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述至少两个投射装置包括第一投射装置和第二投射装置，其中，所述第一投射装置用于投射第一波段的图案特征，所述第二投射装置用于投射第二波段的图案特征，所述第一波段与所述第二波段不同。

3.根据权利要求2所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述第一波段为红外波段，所述第二波段为可见光波段。

4.根据权利要求2或3所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述第一投射装置与所述第二投射装置，其中一个为垂直腔表面发射激光器，另一个为投影机。

5.根据权利要求2或3所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述第一投射装置和第二投射装置均为垂直腔表面发射激光器。

6.根据权利要求2或3所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述第一投射装置和所述第二投射装置均为投影机。

7.根据权利要求1所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述控制装置包括同步触发单元，所述同步触发单元用于同步触发所述图像采集装置和当前工作的所述投射装置。

8.根据权利要求1所述的结构光三维扫描仪，其特征在于，所述图案特征为散斑或条纹。

9.一种三维扫描系统，包括扫描仪和计算装置，其特征在于，所述扫描仪为权利要求1至8中任一项所述的结构光三维扫描仪；

所述计算装置连接所述扫描仪，所述计算装置用于对所述结构光三维扫描仪获取的扫描对象的扫描数据进行实时计算和处理，以生成所述扫描对象的三维模型。

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