用于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备制造技术

本实用新型专利技术提供一种用于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备，包括一组用于分析图像数据和控制前端设备状态的移动处理平台，该处理平台分别与图案投射装置，图像传感设备，数据发送模块，移动电源模块连接，实现图像数据到目标检测结果压缩数据的检测输出，实现设备状态探测，实现与上位机的数据和命令交流。本设备具有更高的扫描分辨率和扫描速度，使用处理后的数据，配合数据压缩，突破原有限制，可以实现更高分辨率，更高速度的扫描。

【技术实现步骤摘要】
用于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备
本技术属于物体表面几何形状的三维扫描领域，尤其是一种具有数据前端处理功能的无线手持三维扫描设备。
技术介绍
物体表面的何形状的三维扫描和数字化技术现在被普遍地应用于很多工业和服务中，它的应用领域是非常广泛的。这些应用领域的一些例子如下：工业生产系统中的外形一致性检查和测量；工业造型设计中的设计模型和样件的数字化；具有复杂几何形状的零部件的逆向工程；多媒体和游戏应用中的交互式虚拟现实技术；文物，艺术品等高价值物品的非接触三维数字化。测距传感器可以测量传感器和物体表面上一组点之间的距离，从而获得目标表面上各点在传感器坐标系上的三维坐标。但此时获得的三维坐标集合仅仅是表面可见部分的距离测量。为了完整的获得整个物体的数字化形状，传感器必须移动视角以覆盖整个物体表面。根据各个视角在全球公用坐标系统上的方位以及对应视角传感器坐标系上的局部三维坐标，旋转平移组合全部的局部坐标集合，即可以获得整个目标物的完整数字化外部形状。关于测距传感器发展了很多不同的理论，其中，干涉度量法(interferometry)，飞行时间(TOF)和多视角摄影测量法的原理是公知的理论，根据精度要求、传感器和物体之间的距离以及景深要求，每一种理论都有其适用的范围。我们特别关注基于多视角摄影测量原理的测距传感器，此类传感器通常适用于近距离测量，尤其是分米～米长度级别的距离测量。此类方法模拟生物的立体双目视觉，人们必须从两个不同视角收集同一目标的两个观测值，这两个视角相对位置固定。综合视角顶点的连线和两个光线方向，可以获知被观测点的相对位置，即使用三角形中的一条边长和两个角求解三角形顶点。进一步的，如果用在己知方向上发射一组光线的光线投影器来替代光线检测器，那么使用投影器的方向线替代双目方案的其中一个视角，也可以检测光线求解三角形。光线投影器的使用替代了图像目标物的复杂检测，同时可以提供密集的表面点测量集。典型的光源有投射点光线、光照平面或其他简单几何图案排布的激光光源。CCD和CMOS数码相机是最常用的光线检测器。扫描一个物体的就是要收集物体表面上点的信息，并将其构造成曲线(轮廓)或深度图像的形式。为了扫描物体的整个表面，需要移动传感器实现全方位覆盖。一般来说，传感器通常至少包含一个光线检测器和一个投影器，且光线检测器和投影器是刚性集成的。通过利用机械系统带动或手持围绕物体转动扫描，非常适合快速扫描物体或物体必须在现场扫描的情况。以上步骤获得了物体在设备坐标系下的扫描数据，扫描整体轮廓需要将数据转换到相对于物体来说是固定的全球公用坐标系统，这需要连续评估仪器的位置和方向。一类方法是通过使用与测距传感器相耦合的定位装置来完成，但存在增加仪器的复杂度和成本以及可能限制集成数据质量的问题。另一种替代方案是使用在刚性物体上收集到的测量结果来计算仪器和物体之间相对位置和方向，但是这种系统完全依赖于物体的几何形状并且对所保持姿势的准确评估较为困难。为了改进上述的方法，可以使用从场景中的提取的固定点及特征，通过多视角特征匹配，就可以使用照相测量法理论。但这种场景中的自然点存在密度或质量是不充分的问题，进一步的，使用人工设置的固定目标，可以较好的解决特征点不足或难以精确检测的问题。使用这种类型的系统，一般首先测量和建立特征目标的框架，使用扫描图像中的目标信息，实现当前位置检测数据和整体目标数据的拼合。通过利用机械系统带动或手持围绕物体转动扫描，非常适合快速扫描物体或物体必须在现场扫描的情况。现有的手持设备受到电源和数据线长度的限制，扫描大型或表面结构较复杂的目标时，操作受限或非常不便，为了改进上述的方法，可以使用无线传输和电池供电的模式，同时为了解决附加高数据传输量的问题，采用前端处理+无线的方式可以获得更好的使用体验。然而，前端图像处理需要的大量计算和无线设备功耗，如何提高设备的续航能力；高帧速原始图像的数据量大于有效带宽的条件下，如何稳定传输大量的检测数据；前端处理和无线传输带来的设备重量变化和便携性的冲突如何协调，是本技术要解决的技术问题。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在世界坐标系内获得物体表面空间坐标点的便携式手持3D激光测量设备。本技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种具有数据前端处理功能的无线手持三维扫描设备，图案投射装置，图像传感设备，无线通信模块，移动电源模块，还包括一组用于分析图像数据和控制前端设备状态的移动处理平台，实现图像数据到目标检测结果压缩数据的输出，实现设备状态探测，实现与上位机的数据和命令交流。图案投射装置，图像传感设备，无线通信模块，移动电源模块，温度传感器均连接在处理单元的接口上。图案投射装置，图像传感设备，无线通信模块，移动电源模块和核心的移动处理单元可以集成到一个结构件内部，也可以将移动处理单元外挂到现有的仅包含图案投射装置，图像传感设备和驱动电路的有线手持设备上。本设备还包括音频信息反馈设备，告警设备的异常状态；移动电源模块采用双模供电模块，可使用外接电源和电池两种供电模式。图案投射装置是由若干激光器和LED按一定投射角度组合，具有独立或统一点亮时序的设备。所述移动处理平台包括至少一个移动处理单元，移动处理单元包括至少一个前端计算器，所述前端计算器用于进行前端数据运算；所述的前端计算器从图像中提取扫描目标物表面标记点和表面点的2D特征数据，根据2D特征数据集进行三维重建得到三维特征数据集。其中，移动处理单元使用CPU+GPU的构成方案，其中高速图像处理模块使用GPU实现；也可以使用DSP、FPGA、ARM实现。上述移动处理单元及其支撑电路构成的移动处理平台，替代了现有的传输图像的手持前端中包含的相机控制电路，由于上述核心方案的高集成度，即使额外包含了电池和散热装置，优化设计了结构的前端设备重量也仅仅是略高于现有的手持前端，由于扫描中无需使用电源和网线，或二者集成的连接线，使用的便利性大大提高。移动处理单元包括前端图像处理器，该模块以高帧速接收相机图像，该模块可以从图像中提取至少4个扫描目标物表面标记物的几何参数和光学参数，也可以从图像中提取图案投射装置在扫描目标物表面上漫反射得到的图样的坐标位置和光学参数；本方案的表面标记物为圆形，对应几何参数为椭圆的5个几何参数；光学参数为目标范围内点的分段亮度分布统计值。上述两种检测功能可同时运行，也可单独运行。本模块使用计算平衡技术，把计算中可以同时进行的部分，分配到构成所述移动处理单元的不同电子芯片中，可以充分利用前端有限的资源，降低硬件要求。移动处理单元包括实时设备参数调控模块，使用高速图像处理模块两个分支计算的光学参数的统计值，计算修改图案投射装置和图像传感设备的运行参数；通过与移动处理平台，根据参数控制上述设备完成接收图像的实时控制。由于上述设备直接与移动处理单元连接，信号的速率和完整度均高于现有的上位机发送控制的连接方式，控制的实时性更好。移动处理单元包括数据压缩和发送模块，上述检测数据使用结构化的数据存储，压缩模块将数据通过压缩算法合并成信息相同但数据量较少的数据包；然后将上述数据包向上位机发送，压缩数据可在上位机还原为原始结构化数据。由于使用前端图像处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备，包括：图案投射装置，用于在所述物体表面上提供投影图案；图像传感设备，包括至少两个照相机，照相机用于从不同视点获得所述物体表面的2D图像；数据发送模块，用于将移动处理平台得到的数据发送至上位机进行后续计算和接收上位机命令并传送至所述移动处理平台；移动电源模块，用于为所述三维扫描设备供电；其特征在于：还包括移动处理平台，为设备提供运算核心，所述移动处理平台包括至少一个移动处理单元，移动处理单元包括至少一个前端计算器，所述前端计算器用于进行前端数据运算。

【技术特征摘要】
1.一种用于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备，包括：图案投射装置，用于在所述物体表面上提供投影图案；图像传感设备，包括至少两个照相机，照相机用于从不同视点获得所述物体表面的2D图像；数据发送模块，用于将移动处理平台得到的数据发送至上位机进行后续计算和接收上位机命令并传送至所述移动处理平台；移动电源模块，用于为所述三维扫描设备供电；其特征在于：还包括移动处理平台，为设备提供运算核心，所述移动处理平台包括至少一个移动处理单元，移动处理单元包括至少一个前端计算器，所述前端计算器用于进行前端数据运算。2.根据权利要求1所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述移动处理单元包括实时设备参数调控模块，实现接收图像的质量的实时控制。3.根据权利要求2所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：实时设备参数调控模块使用所述特征数据和特征数据的统计量，调节图案投射装置的控制参数；将上述参数通过与移动处理单元连接的电路，控制图案投射装置。4.根据权利要求1所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述移动处理单元包括数据压缩模块。5.根据权利要求1所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述移动处理单元包括调度控制模块，该模块实现全部模块的调度和移动处理单元硬件状态的控制。6.根据权利要求5所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述调度控制模块依据各个模块的工作状态将移动处理单元设置为不同功耗的多种运行模式。7.根据权利要求1所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述的移动处理单元包括状态接收模块，获取设备状态信息，构成设备状态数据包，定时向上位机发送。8.根据权利要求7所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述的设备状态信息包括设备调节参数、设备供电信息、电池信息，设备温度信息，设备按键动作信息。9.根据权利要求1所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述的移动处理单元包括设备连接控制模块。10.根据权利要求9所述的无线手持式三维扫描设备，其特征在于：所述的设备连接控制模块控制相机拍摄上位机提供的包含连接信息的二维码，识别设备对应的上位机目标，然后检测有线连接状态，读取用户设置实现设备和上位机的无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，李洲强，杜华，李仁举，叶成蔚，
申请(专利权)人：天远三维天津科技有限公司，
类型：新型
国别省市：天津,12