本发明专利技术提出了一种物体几何表面三维扫描和数字化的系统、设备和方法。此系统包括一种自动参考的手持设备。因为不要任何定位设备提供６自由度的转换，所以此系统是自动参考的。当设备被用于扫描物体表面时，这种转换在把３Ｄ测量集成进全球坐标系统时是必需的。当扫描物体的几何表面时，此系统连续的计算其自身的位置并且根据观测结果来定向。为了具有此功能，系统应用了三角剖分理论并且集成进一种可以捕获来自于投影激光图案在物体表面上反射的表面点和来自于目标位置特征观测值的２Ｄ位置特征信息的设备。应用上述系统，可以同时进行位置特征的３Ｄ图像建立及匹配和对描述表面几何特征的３Ｄ表面点的累积。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及物体表面几何形状的三维扫描技术，更确切地说，涉 及可以手持操作的便携式三维扫描设备。
技术介绍
物体表面几<可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形状一致性4企查和测量；工业造型"it计中的泥塑 模型的数字化；已有复杂几何形状部件的反向工程；多媒体应用中的物体 的交互式虛拟现实技术；艺术品和人工制品的三维存档；为获得更好矫正 适应寸生i 戈生物统i十(orthesis adoption or biometry )的人j本扫4苗。通过测距传感器扫描和数字化物体的外形，测距传感器测量传感 器和表面上一组点之间的距离。通过这些测量，可以获得目标表面上 各点在传感器参考系上的三维坐标。从给定的视角，测距传感器仅仅 能够进行表面可见部分的距离测量。为了数字化整个物体，传感器必 须移动到多个视角以获得能够覆盖整个表面的距离测量值。根据全部 距离测量值可以在全球公用坐标系统上建立物体表面几何形状的才莫 型。关于测距传感器发展了很多不同的理论(参阅R Blais, "AReview of 20 Years of Range Sensor Development", in proceedings of SPIE-IS&T ElectronicImaging,SPIE Vol. 5013， 2003, pp. 62-76)。其中，干涉度量 法(interferometry )，飞4亍时间(time-of-flight)和基于三角剖分的原 理是公知的理论，根据精度要求、传感器和物体之间的相隔距离 (standoff)以及景深要求，每一种理论都或多或少是适用的。我们特别关注基于三角剖分原理的测距传感器，此传感器通常适 用于近距离测量，尤其是几米之内的距离。使用这种类型的仪器，人们必须从两个不同视角收集物体上一个相同特征点上的两个观测值， 这两个视角相距一个基线距离。从基线和两个光线方向上可以获知被 观测点的相对位置。通过使用三角形中的一条边长和两个角的知识求解两条光线的交点。这实际上就是被动立体^L觉原理。人们可以用可 在已知方向上发射一组光线的光线投影器来替代光线检测器。在这种 情况下，使用投影器的方向线和每一条反射在物体表面上的被检测光 线求解三角形是可能的。在两种情况下，计算每一个与三角形底边相 关的观测特征点的坐标是可能的。尽管可以使用特定的光线检测器， 但是CCD和CMOS数码相机是最常用的。光线投影器的使用方便了物体表面上各个部位反射点的检测，从 而可以提供密集的表面点测量集。典型的，光源为投射点光线、光照 平面或其他可能的光线形式(如十字光线)的激光光源。这种具有相 干光形式类型的投影器可以提供好的景深，但是会受到斑点噪声的影 响。当在景深上的损失不是很重要时，还可以使用非相干光形式的投 影器来避免斑点噪声的影响。扫描一个物体的就是要收集物体表面上点的信息。所述点可以^皮构造成曲线(轮廓)或深度图像的形式。为了扫描物体的整个表面， 人们必须移动传感器。尽管可以独立的移动投影器(参阅J. Y. Bouguet and P. Perona， "3D Photography Using Shadows in Dual-Space Geometry", Int. Journal of Computer Vision, vol. 35， No. 2, November-December 1999, pp. 129-149),传感器通常设计为一个包含 光线检测器和投影器的单一部件。光线检测器和投影器可以刚性集 成，或者在通常情况下使用光线投影器作为传感器设备内的扫描机 构。传感器可以通过利用机械系统围绕物体转动，也可以是多功能手 持设备。便携式手持系统对于快速扫描以及物体必须在现场扫描的情 况下特别有宜。应用手持系统的主要挑战在于在相对于物体来说是固定的全球 公用坐标系统内连续评估仪器的位置和方向(6个自由度)。这可以通 过使用与测距传感器相耦合的定位装置(参阅专利号为No. US6,508,403的美国专利)来完成。使用定位装置显著的增加了仪器的复 杂度和成本。在一些情况下，使用定位装置是笨重的并且会造成足以 限制集成数据质量的噪音。为了避免使用外部定位装置， 一种替代方案是使用在刚性物体上 收集到的3D测量结果来计算仪器和物体之间相对位置和方向。甚至 在扫描时保持和移置手中的物体也是可行的(参阅S. Rusinkiewicz, O. Hall-Holt and M. Levoy， "Real-Time 3D Model Acquisition", in ACM Transactions on Graphics, vol. 21， no.3, July 2002, pp. 438-446, F. Blais， M. Picard and G. Godin, "Accurate 3D Acquisition of Freely Moving Objects," in proc. of the Second International Symposium on 3D Data Processing, Visualization and Transmission. Thessaloniki, Greece. September 6-9, 2004. NRC 47141 )。这种在测量时直接把位置计算集成 入系统的思想是很有趣味的，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是不可能的。例如，几何形状变化平 緩的物体或自身球形，圆柱形和局部对称的物体在位置测量中没有连 贯一致的质量。通过使用可以从场景中的不同视角重新观测的固定点及特征，人 们可以使用照相测量法理论。这些位置特征可以是场景中的自然点， 但是在大多数情况下它们的密度或质量是不充分的，并且目标位置特 征被设置在场景中。人们可以搜集一组图像并在全球公共坐标系统中 建立位置特征的3D模型。人们可以进一步将此利用相机的理论与3D 表面扫描仪相结合。照相测量法和测距传感方法的补充已经被开发出 来(参见http:〃www.gom-online.de/En/Products/tritop.html, March 8， 2006 ),在此方法中使用带有照相机的白光投影器照亮逆反射 (retro-relective)目标。使用这种类型的系统，逆反射目标集的照相 测量法模型通过使用数字照相机被预先测量和建立。然后，3D传感 器设备被放置在一组固定位置上以便测量物体表面几何形状。由于3D 传感器设备能够检测逆反射目标，测距图像被记录到先前构造的位置 特征模型上。一个有趣的思想是把手持扫描仪集成入同样的系统中，此扫描仪能够投影光图像(light pattern )，并且在观测位置特征的同时具有自定 位能力。Hebert (参阅P. H6bert, "A Self-Referenced Hand-Held Range Sensor", in proc. of the 3rd International Conference on 3D本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维扫描系统，所述系统包括：手持传感设备，此设备包括至少一个激光图案投影器集，至少两个物体和光线探测器，所述传感设备通过每个光线探测器提供图像；图像处理器，此处理器被构造用以获得至少一个从在物体表面上的所述投影图案反射而得的２Ｄ表面点集和至少两个从所述目标位置特征的观测值得到的２Ｄ位置特征集；３Ｄ表面点计算器，用于把所述２Ｄ表面点集转换为与传感器坐标系统相关的３Ｄ表面点集；３Ｄ位置特征计算器，用于把所述２Ｄ位置特征集转换为与传感器坐标系统相关的已计算３Ｄ位置特征集；３Ｄ参考位置特征模型构建器，用于计算，更新和累积已观测的３ｄ位置特征的图像；以及位置特征匹配器，用于把３Ｄ位置特征集和２Ｄ位置特征集与已观测位置特征的累积图像相匹配，并计算当前传感设备与所述累积的位置特征图像之间的空间关系；３Ｄ位置特征转换器，用于把所述３Ｄ位置特征集转换为关于全球坐标系的已计算３Ｄ位置特征集；３Ｄ表面点转换器，用于把所述３Ｄ表面点集转换到与３Ｄ位置特征图像相关的全球坐标系中。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：帕特里克赫伯特，埃里克圣皮埃尔，德拉甘图比克，
申请(专利权)人：形创有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]
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