计算机视觉三维彩色扫描系统及其扫描方式技术方案

本发明专利技术涉及一种计算机视觉三维立体彩色扫描系统，采用普通光进行扫描和目标物体的三维模型轮廓的识别，利用目标物体的外型轮廓构型，进行三维模型的重建，在摄像装置拍摄到的每张图片基于系统坐标系进行叠加，生成物体基本的外型，即生成三维模型。在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的色彩信息，即得到被扫描物体的三维纹理贴图。两者合成，即形成了初步的三维彩色模型。利用激光成像技术，利用三角测距的原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的三维几何数据。将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，在不同位置扫描出来的数据也能够进行计算机自动迭加，从而得到准确完善的三维数据。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种计算机视觉三维立体彩色扫描系统，采用普通光与激光相结合的复合式技术，用于对物体空间外形结构和色彩纹理进行扫描，以获得物体表面的空间坐标和色彩信息。将这些信息转换为计算机能够直接处理的数字信号，提供给机械行业及其它相关行业应用。目前有几种类型的光学扫描仪，归纳起来可以分成两类基于三角原理的系统和外轮廓投影的系统。基于三角原理的系统是通过将线状光线投射到物体表面再反射回接收装置，来得出投射在被测物体光点的三维空间位置。通常，反射回来的光线和光源发出的光线之间存在一个角度，系统从相对位置获取反射信息，通过三角测距的原理来确定点或群点的三维坐标。单点系统是将一束光投射到物体表面上形成一个点，经反射后获取一个单点的反射信息。线状扫描系统是将一束线状光源投射到物体表面，反射形成排成曲线一系列的点，描述物体的外围轮廓。曲线上一系列点每个点的三维空间位置都可以通过三角测量的方法来得到。有一些单点光学扫描系统使用直线反射光源检测器来获取目标物体的信息。在这样一些系统中通常都是由一束激光投射到物体表面形成一个点，线状反射光源检测器接收该点的反射回来的光信息通过三角法则来确定该点的三维空间位置。点状光学扫描系统每次只能确定一个点的三维空间坐标，因此，就象我们对机械式的系统描述的那样，点状光学扫描系统采集点的速度非常慢，也就是说其扫描速度非常慢，点状光学扫描仪的典型应用例如工业工程界。由于机械式的系统的数字化的速度很慢并且受到机械方式的限制，例如光束的移动及位置的确定。然而，机械式的可以得到很高的系统精度，扫描头可以被高精度的安装固定，但是成本高，速度慢，缺少适用性，因此，点状光学扫描仪通常都在有限的范围内应用。线状光学扫描系统突破了以三角原理的扫描速度上的瓶颈，此类系统使用典型的2D图像处理方法，例如使用CCD镜头作信号检测，系统将线状光束投射到物体表面上，例如激光条纹，取代单点方式的扫描，这样，系统可以接收多点反馈回来的信息，通过三角测距的原理确定此系列点的三维空间坐标，来描述该扫描区域的物体的三维轮廓信息。具体到某一线性光学原理的设备上，有些是带有旋转臂的，有些设备上的CCD镜头是可以移动的。在扫描过程中，或者是目标物体相对于镜头或激光头移动，或者是镜头或激光头相对于目标物体移动，或者是目标物体和镜头或激光头同时运动，在任何情况下，此类系统通常依赖于那种固定式的旋转装置和经常使用体积非常大的、具有高精度的机械装置来定位。由于使用了机械装置定位，所以其扫描有很大的局限性，例如若一台设备用来扫描篮球那么大小物体的扫描仪就不能够扫描摩托车大小的物体。现在有一些利用三角原理的激光扫描系统的局限性则更大，原因在于激光条纹打在目标物体的表面上，反射光线相对于CCD镜头的夹角是固定的，系统根据旋转平台的柱状坐标系来计算。数学上的简化导致此类投影系统的的硬件部分变的复杂化，而且其特点是很依靠旋转平台。同时，简化的几何体也不能非常好的重定义和重建拓扑非常复杂的物体，例如在物体上有孔洞等(例如带把的茶壶)。在现有的利用三角原理的激光扫描系统中还没有实现没有局限性的扫描装置。另外一种可选择的扫描系统是侧面影像方法(普通光扫描)。利用侧面影像方法，目标的重点是从单镜头获取的大量的视觉数据点，获取的大量的物体的图像与物体相关角度相关联，并且这些大量的图像信息描述了物体的表面部分。包括各个计算单元的数字信息处理器将检测器连接到一起并且对这些图像信息作出响应，确定该物体外曲面部分的三维空间信息和相关的图像信息。该数据同时包括物体的几何空间信息和物体表面的色彩信息，全部基于侧面影像的方法(普通光扫描)来获取物体的三维空间模型。使用单纯的侧面影像方法(普通光扫描)时，三维模型的重建是依赖于被扫描物体的外轮廓线的，任何凹进去的部分都很难表达出来，所以物体的凹面部分就不能通过使用侧面影像的方法来获取了。总之，用来扫描、测量或者其它从3D物体获取数据的装置，例如进行三维重建，在速度和精度上很难兼顾。无论是利用三角原理还是利用侧面影像的原理同时都碰到了速度和精度很难协调的问题。因此，用来扫描、测量或者其它从3D物体获取数据的装置，从3D实物快速地、精确地获取3D数据、生成点云，就比以前的系统有了很大的改进。如果该装置在不需要大型计算机系统的情况下能够快速地的完成从点云收集、计算、建立3D模型，那么也可以说该系统是非常先进的。本专利技术提供了一种扫描系统，该方法可以实现快速地对目标物体测量及外型、边界、色彩和纹理贴图的处理，并且快速实现图像显示、图形处理和模型建立等。由于可以精确地快速获取被扫描物体的基本信息，本专利技术特别适合用于需要高速、高精度彩色三维扫描测量的场合。利用激光成像技术，利用三角测距的原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的三维几何数据。将普通光扫描和激光扫描生成的数据自动迭加复合，在不同位置扫描出来的数据也能够进行计算机自动迭加，从而得到准确完善的三维数据。应用软件将扫描得到的点云数据自动进行几何特征的识别和3D几何模型的重建。将激光扫描系统集成到利用外轮廓识别的设备上是本专利技术的首要目标。本项专利技术的要点在于激光三维扫描和普通光扫描(利用侧面轮廓技术)的三维重建都是基于光线追踪(ray-tracing)原理。将这两种技术的基本部分集成为一体，形成新的3D重建体系，这样就可以适合于复杂的目标物体的扫描，并且提供了可调、高速的三维扫描和3D重建手段。集成后的产品可以进行高速、高精度的3D扫描和3D建模系统。本专利技术的第一个要点是提供了一种基于特征的校正方式，利用被扫描物体的几何体的整体模型特征(例如球或立方体形状)和非线性优化技术，新的校正方法为整个系统提供了精确的校正参数。第二要点就是提供了3D/2D相关联的3D模型重建手段，使用关联特性，3D建模过程可以在2D的环境下修改，即2D和3D是相关联的，这样，可以显著地提高建模速度。在此技术中利用到了容错分析容错分析(error-tolerance)，近距分析(near-distance)和光线追踪(ray-cutting)算法，本手段可以避免任何系统错误，并且能够保证优化建模过程。第三要点是在进行3D模型重建时提供了一体化曲面成型技术。与其他3D建模分为两步的方式相反，一体化曲面成型算法将3D点云生成和3D曲面重建合并成一步。在3D模型数据的生成过程中，本系统能够自动的生成基于多边型网格面(Polygons)的曲面模型。此技术将3D建模的速度成倍提高。第四要点是本项技术提供了一种新颖的基于矢量的子像素边界检测手段，用来提高系统测量精度。本算法将黑白灰度级边界检测扩展到了彩色灰度级边界检测。通过使用基于彩色矢量的灰度级空间要素边界检测算法，子像素的精度可以比当前其它边界检测技术要提高10～100倍。第五要点是本专利技术使用的激光扫描系统是由点状激光扫描而形成的线状激光束，具有点光源高精度的优点，同时又具有线状激光光源的高速度的优势。第六要点是本系统一共有五维运动，激光头和CCD镜头可以在Z方向上下移动，转台可以在X、Y平面平动，又可以自由转动，在转台上又设有智能夹具，可以根据扫描进行情况进行旋转，完全避免扫描死角的存在。第七要点是本系统提供了一体化人工智能建模方式，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维扫描系统，包括普通光扫描和激光扫描，其特征在于采用普通光进行扫描和目标物体的三维模型轮廓的识别；利用目标物体的外型轮廓构型，进行三维模型的重建；在摄像装置拍摄到的每张图片基于系统坐标系进行叠加；生成物体基本的外型，即生成三维模型；在轮廓识别的同时，通过摄像装置获取物体表面的色彩信息得到被扫描物体的三维纹理贴图；两者合成，即形成了初步的三维彩色模型；利用激光成像技术和三角测距的原理，获取物体表面测量点的准确坐标值，由此生成大量的三维几何数据；将普通光扫描和激光扫 描生成的数据自动迭加复合，在不同位置扫描出来的数据进行计算机自动迭加，从而得到准确完善的三维数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余晖，王维平，赵磊，
申请(专利权)人：深圳市特得维技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]