三维扫描仪及其三维模型重构方法技术

本发明专利技术三维扫描仪及其三维模型重构方法属于三维扫描领域中以采用光学方法为特征的计量设备及其计量方法。发明专利技术中所提及的三维扫描仪属于一种光栅扫描设备。本三维扫描仪由图像采集设备、光栅生成设备、标定块、计算机通讯板卡及外围机械支撑设施构成。其工作流程及特征为：首先对图像采集设备进行标定；然后采集被测件在不同结构光图案照射下所反射产生的图像，并由此计算出被测件上的反射点位置（点云）及贴于被测件上标志点的位置；最后通过各次采集到的点云及标志点之间的相互匹配关系合成被测件的整体三维模型。本发明专利技术设计了一种光栅扫描设备并提出了一种利用此设备多次采集到的数据进行拼接的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于三维扫描领域中以采用光学方法为特征的计量设备及其计量方法。本专利技术主要涉及到利用物理光路生成光学图案，在对光学采集设备进行标定 后，利用光学采集设备采集图像，对采集到的图像进行图像处理并计算出被测件 位置，对多次计算结果进行拼接等技术。能在工业、医疗服务业及文化产业上均 能得到较有效的运用。
技术介绍
三维扫描技术在工业、医疗服务业及文化产业上均有较广泛的应用，在工业 上利用于逆向工程计算，以及对体积较大、刚性较弱、形状较复杂的工件进行结 构及外形测量，在整形医疗服务业可用于创面分析、阴阳模设计，另外在三维动 画设计上也能用到三维扫描技术。对于传统的三维扫描设备多为接触式扫描器、激光扫描仪，扫描速度慢，操 作复杂，对于被测件以及工作条件都有较严格的要求，在很多需要三维扫描技术 的应用领域均不适用。最近发展起来的光栅式三维扫描技术尚处起步阶段，多项 技术均有待完善。与传统设备不一样的是，光栅式三维扫描设备在每次数据采集 后都将产生相对独立的海量点云数据，因此对多次采集所得到的数据进行拼接和 融合的技术就显示尤于重要了。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计了一种光栅扫描设备，并提出了一种利用此设备多次采 集到的数据进行拼接的方法。1. 光栅式三维扫描仪一种三维扫描仪(如图2)，其特征是由光栅生成设备③，图像采集设备①②，标定块 ，计算机通讯板卡⑤及外围机械支撑设施构成，光栅生成设备③与 计算机通讯板卡⑤连接，图像采集设备与计算机通讯板卡⑤连接，其数目可为一 到八个，具体数目由系统精度要求以及被测物体大小规格而定，标定块④(如图3)是一个尺寸经过严格控制的印有精确图案的标准量块，计算机通讯板卡⑤是 计算机控制图像采集设备的中介设备，可以是1394接口卡或USB接口卡，夕卜围 支撑设施可以是三脚机架、三坐标机床。2. 三维模型重构方法，其特征由以下步骤组成(1) 首先对图像采集设备进行定标；(2) 采集被测件在不同结构光图案照射下所反射产生的图像，并由此计算出 被测件上的反射点位置(点云)及贴于被测件上标志点的位置；(3) 点云数据拼接算法第一步在被测件上固定若干易于利用图像处理技术进行识别的标志点后，开始投射光栅并进行图像采集，每次图像采集都需保证能拍摄到多于三个以上的标志点，并保证所采集到的标志点图像具有足够的信息量；第二步匹配标志点，在两拼接数据的标志点集中选择三对对应点进行长边 对长边、短边对短边的三角形匹配，在匹配成功的情况下利用点对刚性变换算法 进行两拼接数据标志点集的完全对应匹配，其中刚性变换算法的具体步骤为首先按式C =_^， C《-^计算左点集重心Cp和右点集重心Q;然后按 P; = P,-Cp' 9;^-q计算相对位置P'和Q'，其中左相对坐标？'=(//,|/=1，2, 3，...，"}，右相对坐标(^={ ',|/= 1,2， 3, ...,"};再按式M-l^;(P;f计算交互协方差矩阵M;接着按式K-'"=+111<++11211〖++11311〖计算对称矩阵K =MTM，以及K的特征值乂卜^2、 "3及其相应特征向量u" u2、 u3，并由此计 算矩阵K的半正定平方根的逆K—1/2;最后由R = MK—^计算出旋转变换量R，并由t = C《-RCp计算出平移变换量t;第三步分别确定两拼接数据集的以法向锥方式表达的法向空间；第四步将法向所处区间均匀划分为若干部分，在每个部分中按一定数目取 样点进入后续操作；第五步在两拼接数据集中找到最近点对，即所有满足条件的点对勺", p^"〉，其中Pn是C^中距离p^最近的点，而p—"也是C/"—"中距离p"最近的 点，若点对数目过少则需返回第二步重新选取另一种标志点的配对方案；第六步找到所有最近点对，在点对集合中取样一部分点对进行刚性变换计 算，若计算出的刚性旋转量及平移量无法让所选取的点对距离平均值变小，则结 束刚性变换量计算，以当前位置作为拼接位置，否则重复本步操作直至结束。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点(1) 本专利技术所设计的系统结构能保证得到绝大部分点对光线反射的法向方向， 获得除空间位置之外更多的信息，如局部曲率等信息；(2) 对标志点位置识别精度要求不高。标志点的识别及定位往往只依靠于较 少的几个边缘像素点计算而得，很难保证精度，本专利技术考虑到这种先天不足的因 素，将标志点位置精度的影响能力降到较低的程度；(3) 可适度调整数据取样率。在对较大规模点云数据时，适度降低数据取样 率，可以较大幅度地提升拼接速度，而拼接精度并不会受到明显的影响；(4) 利用数据冗余剔除技术，拍摄次数的提高可以有效提升测量精度，可适 用于对精度要求极其严格的情况，从而使设备有更强的适用性。附图说明图1为三维扫描技术所涉及的技术环节及顺序关系示意图 图2为本专利技术所设计的光栅式三维扫描设备的结构示意图 图3为本专利技术所设计的标定块图案 图4为点云数据拼接算法流程5为多位置测量产生匹配点对刚性变换计算问题示意6为利用KD树搜索最近点示意7为由于相机畸变而造成的扫描误差分布图8为两个单面拼接后的效果9为两个单面拼接并删除冗余点后的效果图具体实施方式1、 光栅式三维扫描仪本专利技术所采用的系统结构(如图2)由光栅生成设备③、图像采集设备①②、 标定块 、计算机通讯板卡⑤及外围机械支撑设施构成。光栅生成设备③与计算 机通讯板卡⑤连接，是一种可产生光栅式结构光的光源设备，其光栅图案可因计 算机控制而改变。图像采集设备①②与计算机通讯板卡⑤连接，它的主要作用在 于采集被测件对所投射光栅的反射图像，其数目可以只有一个，也可以有两个到 八个，具体数目由系统精度要求以及被测体物体大小规格而定。标定块④(如图 3)是一个尺寸经过严格控制的印有精确图案的标准量块，其尺寸精度的控制对 设备的精度有至关重要的作用。计算机通讯板卡是计算机控制相机的中介设备， 可以是1394接口卡或USB接口卡等。外围支撑设施可能是三脚机架、三坐标机 床等，主要因被测物体大小而确定。本专利技术在硬件设计时，为提高数据采集速度，采用了如下措施 1.1数据采集速度提高策略 *采用1394接口的数据采集接口； *采用CCD或CMOS电子高速相机；*使用不间断拍摄模式，在光栅图案切换后从缓存中选取数据。 1.2数据采集效率提高策略*采用三自由度设备拍摄方向调整器，保证各个拍摄视角的可达性； *相机与光栅发射器间相对位置可调，保证在多尺度条件下的可用性； *光栅发射器的亮度及相机的曝光时间可调，保证在不同光照条件下设备的适 应能力。2. 数据拼接算法假设由三维扫描设备采集到一系列的测量点集G (/ =1， 2, 3,")，要对这 些点集进行刚性变换(即只进行旋转变换和平移变换)，并合成为单一点集C^， 以得到对被测物体精确的整体测量或描述，这种手段就叫数据拼接。而如何更精 确地进行数据拼接就是三维扫描领域所面临的数据拼接问题。数据拼接使得使用 小设备对大型物体数据进行扫描成为可能，也是补齐很难由整体扫描得到的区域 的补充性手段。由此，在对物体进行360。整体扫描时，数据拼接技术被广泛的 运用。本专利技术提出的数据拼接方法是利用本专利技术所设计的三维扫描仪能获得均匀 分布于网格上的点阵，并能同时获得标志点位置以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维扫描仪，其特征是由光栅生成设备（３），图像采集设备（１）、（２），标定块（４），计算机通讯板卡（５）及外围机械支撑设施构成，光栅生成设备（３）与计算机通讯板卡（５）连接，图像采集设备与计算机通讯板卡（５）连接，其数目可为一到八个，具体数目由系统精度要求以及被测物体大小规格而定，标定块（４）是一个尺寸经过严格控制的印有精确图案的标准量块，计算机通讯板卡（５）是计算机控制图像采集设备的中介设备，可以是１３９４接口卡或ＵＳＢ接口卡，外围支撑设施可以是三脚机架、三坐标机床。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张利群，刘俊，
申请(专利权)人：张利群，刘俊，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]