一种三维扫描系统技术方案

本申请提供了一种三维扫描系统，包括：发射端用于向被扫描对象发射复合图案化光束，其中复合图案包括多线图案和编码图案，多线图案中含有多根线条，且多根线条被编码图案进行了唯一性编码；接收端用于采集经被扫描对象反射的复合图案化光束并生成复合图，复合图包括多线图像以及编码图像；处理器，用于根据编码图像对多线图像进行解码以识别多根线条，利用识别后的多根线条并基于线激光扫描原理计算被扫描对象的深度信息。与现有技术相比，本申请提供的三维扫描系统精度高且功耗低。提供的三维扫描系统精度高且功耗低。提供的三维扫描系统精度高且功耗低。

【技术实现步骤摘要】
一种三维扫描系统


[0001]本申请涉及三维成像
，尤其涉及一种三维扫描系统。

技术介绍

[0002]现有的三维扫描系统一般在发射端采用DLP向物体表面投射预设多帧条纹图案（如格雷码，或者相移条纹），容易获得高测量精度的测量结果。然而DLP成本较高，结构较复杂，且投射多帧条纹不利于动态三维测量。而使用基于散斑结构光的技术（如Kinect，RealSense D435/D455）向物体表面投射单帧散斑图案通过匹配算法计算被扫描对象点的深度可以测量动态物体，但其精度有限。
[0003]为解决上述问题，现有技术提出了采用激光线的线激光扫描技术，即扫描仪的发射端向物体表面投射单根或多根激光线并被接收端采集。基于线激光扫描原理，每根激光线都对应一个光平面方程，根据接收端的光心和图像中激光线上的某个点可以确定一条射线，由这条射线和光平面方程的交点就可以确定被扫描对象点的三维坐标。然而，当发射端发射多根激光线时，接收端采集多根激光线得到多线图像；由此，从多线图像中任一根激光线上的某个点出发的射线会与多个光平面相交得到多个交点，导致无法唯一确定激光线对应的光平面方程。
[0004]为唯一确定激光线对应的平面方程，现有方案提出使用多种颜色的激光线，利用相邻激光线在空间中的不同颜色的组合实现激光线的编码。在该方案中，需使用彩色相机采集激光线图像，而彩色相机中的拜耳(Bayer)滤光片会降低相机的灵敏度。例如，当采用蓝色或红色激光线时，在彩色相机的所有像素中，只有1/4像素可灵敏响应，其余3/4像素是几乎没有响应的；而当采用绿色激光线时，彩色相机中也只有一半的像素可灵敏响应。此外，利用颜色组合对激光线进行编码不适合对色彩丰富的物体进行扫描。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种三维扫描系统，旨在解决相关技术中三维扫描系统对被扫描对象进行扫描时精度低且功耗高的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本申请提供了一种三维扫描系统，包括：发射端用于向被扫描对象发射复合图案化光束，其中复合图案化光束包括多线图案和编码图案，多线图案中含有多根线条，且多根线条被编码图案进行了唯一性编码；接收端用于采集经被扫描对象反射的复合图案化光束并生成复合图，复合图包括多线图像以及编码图像；处理器，用于根据编码图像对多线图像进行解码以识别多根线条，利用识别后的多根线条并基于线激光扫描原理计算被扫描对象的深度信息。
[0007]本申请的有益效果为：与现有技术相比，本申请通过提供一种结合编码图案和多线图案的三维扫描系统，仅使用少数光源便可获取高精度的三维扫描信息，在确保精度的前提下，不仅降低了成本及功耗，还无需在被扫描对象上外贴标志点，减少了人工成本及提高了扫描速率，从而提升了三维重建的速率。
附图说明
[0008]为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0009]图1为本申请实施例提供的一种三维扫描系统结构示意图；图2为本申请实施例提供的复合图案化光束中的多线图案结构示意图；图3为本申请实施例提供的复合图案化光束中的编码图案结构示意图；图4为本申请实施例提供的复合图案化光束的编码原理结构示意图；图5为本申请实施例提供的一复合图案化光束的编码原理结构示意图；图6为本申请实施例提供的又一复合图案化光束的编码原理结构示意图；图7
‑
8为本申请实施例提供的另一复合图案化光束的编码原理结构示意图；图9为本申请实施例提供的再一复合图案化光束的编码原理结构示意图；图10为本申请实施例提供的一种图案调制元件的结构示意图；图11为本申请实施例提供的又一图案调制元件的结构示意图；图12为本申请实施例提供的线激光扫描原理的结构示意图；图13为本申请实施例提供的一光学系统结构示意图；图14为本申请实施例提供的又一光学系统结构示意图；图15为本申请实施例提供的另一光学系统结构示意图；图16为本申请实施例提供的再一光学系统结构示意图。
具体实施方式
[0010]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加的明显、易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，其中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0011]图1为根据本申请提供的一种三维扫描系统的系统结构示意图。该系统包括发射端10、接收端11及处理器（未示出），其中，发射端10用于向被扫描对象发射复合图案化光束12，其中，复合图案化光束包括多线图案120和编码图案121，编码图案121对多线图案中包含的的多根线条进行唯一性编码；接收端11用于采集经被扫描对象反射的复合图案化光束12并生成复合图传输至处理器，复合图包括多线图像和编码图像；处理器用于根据编码图像对多线图像进行解码以识别多根线条，利用识别后的多根线条并基于线激光扫描原理计算被扫描对象的深度信息。
[0012]进一步地，在得到被扫描对象的深度信息后，处理器一方面可用于获取三维扫描系统中发射端10与接收端11的内外参，并结合内外参及被扫描对象的深度信息得到被扫描对象的点云图；另一方面，处理器还可用于对得到的被扫描对象的点云图进行三维重建，得
到被扫描对象的三维模型。
[0013]在一个实施例中，多线图案120包括多根线条，线条为激光线，发射端10投射的多根激光线包括竖直方向或接近竖直方向的，多根激光线之间相互平行，如图2所示。需要说明的是，本实施例所描述竖直方向的激光线定义为激光线的延伸方向与发射端10及接收端11之间的基线相互垂直，即当发射端10发射水平方向的激光线时，当其与发射端10与接收端11的基线相互垂直时，亦属于本实施例中所描述的竖直方向的激光线。
[0014]在一个实施例中， 编码图案121为斑点，各激光线附近或沿各激光线排布至少一个斑点，根据单个斑点的形状或尺寸的唯一性或多个斑点的分布组合在编码图案的唯一性分别对多根线条进行编码，从而实现对多线图案中各线条的唯一性编码。需要说明的是，本实施例中的编码图案除斑点外，也可以为三角形、四边形、五边形等多边形或其他规则或不规则的二维图案，单根线条上的编码图案可为一种形状的二维图案，也可为多种形状的二维图案组合，如图3所示，此处不作限制。
[0015]图4为根据本申请提供的一种发射端发射的复合图案化光束的结构示意图，，以线条为激光线为例，其示出了利用编码图案的分布位置对多线图案中各激光线进行唯一性编码的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维扫描系统，其特征在于，包括：发射端，用于向被扫描对象发射复合图案化光束，其中，所述复合图案包括多线图案和编码图案，所述编码图案对所述多线图案中包含的多根线条进行唯一性编码；接收端，用于采集经所述被扫描对象反射的所述复合图案化光束并生成复合图，所述复合图包括多线图像以及编码图像；处理器，用于根据所述编码图像对所述多线图像进行解码以识别所述多根线条，利用识别后的所述多根线条并基于线激光扫描原理计算所述被扫描对象的深度信息。2.如权利要求2所示的三维扫描系统，其特征在于，所述处理器还用于获取所述发射端与所述接收端的内外参，并结合所述内外参及所述被扫描对象的深度信息得到所述被扫描对象的点云图。3.如权利要求3所述的三维扫描系统，其特征在于，所述处理器还用于对所述点云图进行三维重建得到所述被扫描对象的三维模型。4.如权利要求1~3任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述利用识别后的所述多根线条并基于线激光扫描原理计算所述被扫描对象的深度信息包括：预先标定发射端发射的所述多线图案中每根线条对应的光刀平面方程；识别所述多线图像中各线条以唯一确定各线条对应的光刀平面方程，提取任一线条上的任一点并从所述接收端的光心出发与当前提取的线条任一点形成一条射线，计算所述射线与当前线条对应的光刀平面方程的交点，得到所述被扫描对象的深度信息。5.如权利要求1~3任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端投射的多根线条包括竖直方向或接近竖直方向的；其中，所述竖直方向的线条定义为所述线条的延伸方向与所述发射端及所述接收端之间的基线相互垂直。6.如权利要求5所述的三维扫描系统，其特征在于，所述编码图案对所述多线图案中包含的多根线条进行唯一性编码包括：利用所述编码图案的尺寸或形状对各线条进行唯一性编码。7.如权利要求5所述的三维扫描系统，其特征在于，所述多线图案中各线条由多个编码图案集编排形成，所述编码图案等效于所述每根线条中多个编码图案集的编排方式；其中，所述每个编码图案集由一个或多个编码图案紧密排列组成且各编码图案集间具有预设间隙，不同的编排方式编码图案集使得基于所述不同编排方式的编码图案集得到各线条具有唯一性。8.如权利要求5所述的三维扫描系统，其特征在于，所述各线条附近或沿各线条分布至少一个所述编码图案，其中，所述线条对所述多线图案中包含的多根线条进行唯一性编码包括：根据所述编码图案的分布位置对多线图案中各线条进行唯一性编码。9.如权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，所述根据所述编码图案的分布位置对多线图案中各线条进行唯一性编码包括：以编码图案分布于同一水平线上的预设参考编码图为参照，对部分编码图案投射于各线条上的位置进行上下偏移调整，使得调整后的编码图案分布位置在竖直方向上至少有2种分布状态；利用与各线条在水平方向上相邻的至少2个编码图案的分布状态对各线条进行唯一性编码。
10.如权利要求9所述的三维扫描系统，其特征在于，所述根据编码图像对所述多线图像进行解码以识别所述多根线条包括：预先赋予所述多线图案中各线条相应的编号及存储所述编码图案对各线条的唯一性编码与所述各线条编号的对应关系；根据所述复合图中当前线条所对应像素区域的邻域像素的像素值差异识别所述当前线条邻近编码图案的分布位置，并基于所述当前线条相邻的编码图案与所述预设参考编码图的相对位置获取当前线条的唯一性编码；从所述对应关系中查找所述当前线条的唯一性编码对应的线条编号以识别所述多根线条。11.如权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述线条具有预设长度时，沿所述线条延伸方向可分布多个编码图案，利用沿所述线条的延伸方向的编码图案分布位置对各线条进行唯一性编码。12.如权利要求1~3任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端包括光源和图案调制元件，其中，所述光源用于发射光束至所述图案调制元件，所述图案调制元件对所述光源发射的光束进行调制并向所述被扫描对象投射包括编码图案和多线图案的所述复合图案化光束。13.如权利要求12所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括准直元件，设于所述光源与所述图案调制元件之间，用于准直所述光源发射的光束至所述图案调制元件。14.如权利要求12所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括准直匀光部，设于所述光源与所述图案调制元件之间，用于对所述光源发射的光束进行准直匀光并投射至所述图案调制元件。15.如权利要求14所述的三维扫描系统，其特征在于，所述准直匀光部包括准直元件和匀光元件，其中，所述准直元件用于准直所述光源发射的光束至所述匀光元件；所述匀光元件用于对所述准直元件准直的光束进行匀光处理并向所述图案调制元件投射；所述准直元件和所述分光元件一体化设计或独立设置。16.如权利要求15所述的三维扫描系统，其特征在于，所述匀光元件包括复眼透镜、diffuser或微透镜中任一种或多种组合。17.如权利要求13~16任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括投影镜头，所述投影镜头用于准直所述图案调制元件投射的光束至所述被扫描对象。18.如权利要求13~16任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述光源为单光源时，所述图案调制元件包括至少一片Mask或至少一片DOE。19.如权利要求18所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述图案调制元件为一片Mask或DOE时，所述Mask或DOE光刻有只允许所述多线图案和所述编码图案透过的图形，以使所述光源发射的光束透过所述Mask或所述DOE后得到所述复合图案化光束。20.如权利要求18所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述图案调制元件包括多片Mask或DOE时，各Mask或DOE上可分别被光刻只允许多线图案或编码图案透过的图形，以使所述光源发射的光束透过所述各Mask或所述各DOE后得到复合图案化光束。21.如权利要求13...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐玉华，刘国帅，吴禹，黄泽铗，
申请(专利权)人：奥比中光科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：