CN101526337A - 三维图像扫描***及三维图像扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维图像扫描***及方法，所述***包括：摄像装置、转动装置、相互正交的平板和光源。所述方法包括：1.横向设置相互正交的平板；2.根据相互正交的平板上的第二标志点对CCD相机进行标定，获取所述CCD相机的内外参数；3.根据所述CCD相机的内外参数，以及光源发射的线激光与所述相互正交的平板的图像，得到线激光扫描面的平面方程；4.根据所述线激光扫描面的平面方程，通过该平面方程及线线激光图像直线方程确定被测物体表面点的三维坐标。本发明通过设置转台和横向设置相互正交的平板，降低了成本，克服了现有技术中基于三角关系和对扫描曲面片进行曲面匹配的限制，提高了扫描的效率、精度和灵活性。

Description

三维图像扫描***及三维图像扫描方法

【技术领域】

本发明涉及三维扫描技术，具体涉及一种三维图像扫描***及三维图像扫描方法。

【背景技术】

非接触式光学扫描主要有主动式扫描方式和被动式扫描方式。其中，基于三角法的主动式扫描方式主要有激光扫描和光栅扫描方法等，其基本原理就是利用光源发出的一束激光或多束光栅照射在待测物体平面上，该激光或光栅经反射后在CCD相机上形成图像。当物体的表面位置发生变化时，经CCD相机所成的图像在检测器上的位移也发生变化。参阅图1现有技术基于三角法的三维扫描原理图，如图1所示，光源和CCD相机的位置均已事先标定好；利用物体、光源和CCD相机三者直接的三角关系，从而计算出物体的距离。基于立体视觉法的被动式扫描通过相机捕获被测物体的单幅或多副图像，再利用光照(Shading)、轮廓(Sihouettes)和立体(Stereo)等信息建立被测物体的三维信息。

但是，上述的基于三角法的主动式扫描和基于立体视觉的被动式扫描需要复杂的硬件***和算法；另外，在实施时，需要实现对光源和CCD相机的位置进行精确标定；再者，需要借助曲面匹配算法对每次获得的物体曲面片拼接以完成三维模型的重构；这样，导致实施成本高。对于被动式扫描中的基于立体视觉方法来说，因其算法复杂，数据处理效率较低；另外，其测量精度也较低。

参阅图2现有技术三维扫描装置原理图。如图2所示，该装置包括竖直放置的正交平板、位置可以移动的线激光发射器和相机。其工作过程为：相机首先对落在正交平板两侧的激光光条进行检测，再根据相机的内外参数建立线激光平面方程；对物体激光图像进行检测以获得线激光在物体上的像，再根据相机的中心建立线激光直线方程；最后，获取线激光平面方程和线激光直线方程的交点，从而获取了被测物体表面的三维坐标。上下移动手持光源，重复上述过程，直到获得可以实现三维模型拼接的多个曲面片；当扫面完成后，利用曲面匹配算法将多个曲面片拼接到三维坐标系下，完成三维模型的建立。

但是，上述的这种技术方案中，必须通过上下移动线激光发射器才能获得不同的曲面片，操作难度较大；另外，由于相机正对着物体，光源必须与相机有足够大的夹角才能获取线激光平面方程和线激光直线方程的交点，尤其当光源斜射到物体上的线激光光条变大时，准确提取图像中的激光线难度较大；再者，针对每一帧图像都要进行激光平面方程的建立，并且对多个曲面片要进行基于匹配算法的融合，这样导致效率较低。

【发明内容】

为了解决现有技术中基于三角法需要对光源和CCD相机的精确位置进行标定导致的成本高，借助曲面匹配算法对每次获得的物体曲面片拼接以完成三维模型的重构导致的效率低等缺陷，本发明提供了一种三维图像扫描***。

本发明还提供了一种三维图像扫描方法。

本发明解决现有技术问题所采用的方案为：提供了一种三维图像扫描***，所述三维图像扫描***包括：摄像装置、转动装置、相互正交的平板和光源，其中，所述摄像装置设置在对准所述转动装置的方向上；所述转动装置设置在所述摄像装置和所述相互正交的平板之间，所述转动装置上设有第一标志点位，用于安放和旋转被测物体；所述相互正交的平板横向设置，所述相互正交的平板均设有第二标志点位；所述光源设置在与所述摄像装置成夹角的方向上。

根据本发明的一优选技术方案：所述光源的中心轴线与所述CCD相机的中心轴线成40-50°夹角。

根据本发明的一优选技术方案：所述光源为出射角为50°-80°的线激光器。

根据本发明的一优选技术方案：所述第一标志点位为第一标志贴。

根据本发明的一优选技术方案：所述第二标志点位为第二标志贴。

根据本发明的一优选技术方案：摄像装置为CCD相机。

根据本发明的一优选技术方案：所述转动装置为转台。

本发明还提供了一种三维图像扫描方法，所述三维图像扫描方法包括步骤：第一步：横向设置相互正交的平板，所述相互正交的平板上均设有第二标志点位；第二步：根据相互正交的平板上的第二标志点位对摄像装置进行标定，获取所述摄像装置的内外参数；第三步：根据所述摄像装置的内外参数，以及光源发射的线激光与所述相互正交的平板的图像，得到线激光扫描面的平面方程，所述光源与所述摄像装置按夹角设置；第四步：根据所述线激光扫描面的平面方程，以及线激光图像直线方程确定被测物体表面的三维坐标，其中，所述光源直线方程是在设有第一标志点位的旋转动装置旋转所述被测物体的过程中，根据所述光源发射的线激光在所述被测物体上变形曲线的图像和所述摄像装置的中心点建立的。

根据本发明的一优选技术方案：在所述第一步之前包括：根据所述相互正交的平板，建立世界坐标系。

根据本发明的一优选技术方案：所述第二步之前包括：根据所述转动装置上的第二标志点位，得到所述转动装置相对于所述世界坐标系的变换矩阵。

本发明中，通过设有标志点的相互正交的平板建立线激光扫描面的平面方程，克服了现有技术中需要对光源和CCD相机都要标定，以及需要已知光源、CCD相机及被测物体之间构成的精确三角关系才能确定被测物体三维坐标的缺陷，降低了成本；另外，由于相互正交的平板和光源的位置固定，只在扫描开始时对线激光扫描面求一次平面方程即可，再根据线激光直线方程从而确定出被测物体表面的三维坐标，有效提高了扫描的效率。再者，由于采用了转台安放并旋转被测物体，计算得到的物体表面的三维坐标信息即为被测物体实际的位置，这样，克服了现有技术中通过上下移动线激光发射器获得不同的曲面片，以及需要借助曲面匹配算法对每次获得的物体曲面片拼接以完成三维模型的重构而导致的数据处理效率低等缺点，提高了效率和精度。本发明的技术方案中不需要精密的硬件装置，各硬件之间的装配关系也不需很严格，只具有一定精度的旋转装置、摄像机(或摄像头)、一个光源以及两块相互正交的平板即可实现对被测物体的三维扫描。

【附图说明】

图1.现有技术基于三角法的三维扫描原理图；

图2.现有技术三维扫描装置原理图；

图3.本发明三维图像扫描***的结构示意图；

图4.本发明三维图像扫描***各部件的空间布置示意图之一；

图5.本发明三维图像扫描***各部件的空间布置示意图之二；

图6.本发明相互正交的平板上第二标志点的设置分布图；

图7.本发明旋转装置上第一标志点的设置分布图；

图8.基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法流程图；

图9.基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法工作状态图之一；

图10.基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法工作状态图之二。

【具体实施方式】

以下结合附图对本发明进行详细说明：

请参阅图3本发明三维图像扫描***的结构示意图，图4本发明三维图像扫描***各部件的空间布置示意图之一和图5本发明三维图像扫描***各部件的空间布置示意图之二。如图3、图4和图5所示，所述三维图像扫描***包括：作为摄像装置1的CCD相机、作为转动装置2的转台、作为相互正交的平板3的正交平板和作为光源4的线激光器，其中，所述CCD相机设置在对准所述转台的方向上；所述转台设置在所述CCD相机和所述正交平板之间，所述转台上设有第一标志点用于安放和旋转被测物体；所述正交平板3横向设置，所述正交平板设有第二标志点；所述光源4设置在与所述CCD相机成夹角的方向上，光源4可以位于正交平板前方的任何位置。

为了提高扫描精度，如图4所示，使CCD相机对准转台旋转中心A与光源4最近一点的转台边缘B的中点C。

请参阅图6本发明相互正交的平板3上第二标志点的设置分布图。如图6所示，在平板3上第二标志点可以根据需要设置成不同大小，其直径可以为20和15个单位的圆；在平板3上第一列第二标志点设置在距离平板3左边沿20个单位处，与相邻第二列第二标志点的间距可以为50个单位，第二列第二标点与第三列第二标志点的间距可以为50个单位，依次类推；第一行第二标志点设置在距离平板3上沿20个单位处，与相邻第二行第二标志点的间距可以为30个单位，第二行第二标点与第三行第二标志点的间距可以为30个单位，依次类推。

请参阅图7本发明旋转装置上第一标志点的设置分布图。如图7所示，可以采用正方形的图案错落设置第一标志点。

在本发明的优选技术方案中：所述光源4的中心轴线与所述CCD相机的中心轴线成40-50°夹角。所述光源4的中心轴线与所述CCD相机的中心轴线优选成45°夹角。所述第一标志点为第一标志贴；所述第二标志点为第二标志贴。

请参阅图8基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法流程图。请参阅图9基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法工作状态图之一。请参阅图10基于本发明三维图像扫描***的三维图像扫描方法工作状态图之二。如图8、9和10所示，所述三维图像扫描方法包括步骤：

第一步：横向设置相互正交的平板3，所述相互正交的平板3上均设有第二标志点；

第二步：根据相互正交的平板3上的第二标志点对CCD相机进行标定，获取所述CCD相机的内外参数；

通过图像阈值分割、基于霍夫变换的椭圆拟合等算法获取第二标志点图像的中心点坐标p_i≡(u_i，v_i)，i＝1，2，…，n，根据图6所示的第二标志点分布确定出相互正交的平板3上的图案中心点坐标P_i≡(x_i，y_i，z_i)。这里，光源4模型的投影方程如式(1)所示

$p_i=\frac{1}{z}{\mathrm{MP}}_i---\left(1\right)$

其中，投影矩阵

$M=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\α}{r}_1^T-\mathrm{\α}\cot \mathrm{\θ}{r}_2^T+u_0{r}_3^T& \mathrm{\α}{t}_x-\mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}{t}_y+u_0{t}_z\\ \frac{\mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\θ}}{r}_2^T+u_0{r}_3^T& \frac{\mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\θ}}{t}_y+v_0{t}_z\\ r_3^T& t_z\end{array}\right)$

令m₁ ^T，m₂ ^T，m₃ ^T为M的三行即： $M\≡{(m_1^T,m_2^T,m_3^T)}^T,$ 投影方程(1)变为

$\left\{\begin{array}{c}u=\frac{m_1\·P}{m_3\·P}\\ v=\frac{m_2\·P}{m_3\·P}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由公式(2)可得：

$\left\{\begin{array}{c}(m_1-{\mathrm{um}}_3)\·P=0\\ (m_2-{\mathrm{um}}_3)\·P=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

将标定图案的图像坐标p_i和实际坐标P_i代入公式(3)并写成矩阵形式如(4)所示：

$\left(\begin{array}{ccc}{P}_1^T& 0^T& -u_1{P}_1^T\\ 0^T& P_1^T& -v_1{P}_1^T\\ ...& ...& ...\\ P_n^T& 0^T& -u_n{P}_n^T\\ 0^T& P_n^T& -v_n{P}_n^T\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{m}_1\\ m_2\\ m_3\end{array}\right)=0---\left(4\right)$

通过最小二乘法可以解出投影矩阵M。投影方程写成ρ(A b)＝K(R t)，其中M＝(A b)，K为内参数，(R t)为外参数矩阵，相机的内外参数可以通过下列公式(5)计算出：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}=\mathrm{\ϵ}/\left|a_3\right|\\ u_0={\mathrm{\ρ}}^2(a_1\·a_3)\\ v_0={\mathrm{\ρ}}^2(a_2\·a_3)\\ \mathrm{\α}={\mathrm{\ρ}}^2|a_1\×a_3|\sin \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\β}={\mathrm{\ρ}}^2|a_2\×a_3|\sin \mathrm{\θ}\\ r_1=\frac{1}{|a_2\×a_3|}(a_2\×a_3)\\ r_3=a_3\\ r_2=r_3\×r_1\\ t=\mathrm{\ρ}{K}^{-1}b\end{array}\right.---\left(5\right)$

在本发明的优选技术方案中，所述第一步之前还包括：根据所述相互正交的平板3，建立世界坐标系。

在本发明的优选技术方案中，当旋转台上没有放置被测物体时，可以标定算法、所述转台上的第二标志点，及测量技术可以计算出转台相对于世界坐标系的变换矩阵T及旋转轴。

第三步：根据所述CCD相机的内外参数，以及光源4发射的线激光与所述相互正交的平板3的图像，得到线激光扫描面的平面方程Ax+By+Cz-D＝0，记为f(x，y，z)＝0，所述光源4与所述CCD相机按夹角设置，所述光源4的出射角约为50°至80°；第四步，根据所述线激光扫描面的平面方程f(x，y，z)＝0，以及线激光图像直线方程l(x，y，z)确定被测物体表面的三维坐标，其中，所述光源4图像直线方程是在设有第一标志点的旋转台旋转所述被测物体的过程中，根据所述光源4发射的线激光在所述被测物体上变形曲线的图像上的点p_i，即图10中激光线在物体上变形曲线的图像所示，以及所述CCD相机的中心点O建立的。

将变形曲线上的所有点p_i构成的直线方程l(x，y，z)与线激光扫描面的平面方程f(x，y，z)＝0根据公式(6)求交后，即可计算出激光线上点的三维坐标P_i。

$\left\{\begin{array}{c}l(x,y,z)=0\\ f(x,y,z)=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

为了得到被测物体表面的三维坐标，需要将激光线上点的三维坐标P_i根据P_r＝PT^-1变换到旋转台的坐标系下。当旋转台发生角度φ的旋转时，P_r需要经公式(7)才能获得被测物体表面的三维坐标P_rot。

P_rot＝P_riR_rot  (7)其中， $R_{\mathrm{rot}}=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

在上述技术方案中，不断旋转转台完成360°旋转后，可以获得可以确定被测物体表面的三维坐标。

在本发明的优选技术方案中所述第一步中所述相互正交的平板3上均设有的第二标志点为第二标志贴。

所述第三步中根据所述线激光扫描面的平面方程，以及线激光图像直线方程确定被测物体表面的三维坐标，其中，所述光源4图像直线方程是在设有第一标志点的旋转台旋转所述被测物体的过程中，根据所述光源4发射的线激光与所述被测物体所成图像上的变形曲线和所述CCD相机的中心点建立的。

所述第三步中所述光源4与所述CCD相机按夹角设置具体为：按两者中心轴线呈40-50°的夹角设置所述光源4与所述CCD相机。

所述第三步中所述光源4与所述CCD相机按夹角设置具体为：按两者中心轴线呈45°的夹角设置所述光源4与所述CCD相机。

本发明的上述技术方案在三维设计、游戏开发、动画制作、虚拟现实、虚拟文物等领域有着重要应用，可以将数字化物体的电影数据重建出三维模型。通过设有标志点的相互正交的平板3建立线激光扫描面的平面方程，克服了现有技术中需要对光源4和CCD相机都要标定，以及需要已知光源4、CCD相机及被测物体之间构成的精确三角关系才能确定被测物体三维坐标的缺陷，降低了成本；另外，由于相互正交的平板3和光源4的位置固定，只在扫描开始时对线激光扫描面求一次平面方程即可，再根据线激光直线方程从而确定出被测物体表面的三维坐标，有效提高了扫描的效率。再者，由于采用了转台安放并旋转被测物体，计算得到的物体表面的三维坐标信息即为被测物体实际的位置，这样，克服了现有技术中通过上下移动线激光发射器获得不同的曲面片，以及需要借助曲面匹配算法对每次获得的物体曲面片拼接以完成三维模型的重构而导致的数据处理效率低等缺点，提高了效率和精度。本发明的技术方案中不需要精密的硬件装置，各硬件之间的装配关系也不需很严格，只具有一定精度的摄像机或摄像头、一个光源4以及两块相互正交的平板3即可实现对被测物体的三维扫描。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维图像扫描***，其特征在于：所述三维图像扫描***包括：摄像装置(1)、转动装置(2)、相互正交的平板(3)和光源(4)，其中，所述摄像装置(1)设置在对准所述转动装置(2)的方向上；所述转动装置(2)设置在所述摄像装置(1)和所述相互正交的平板(3)之间，所述转动装置(2)上设有第一标志点位，用于安放和旋转被测物体；所述相互正交的平板(3)转轴横向设置，所述相互正交的平板(3)上设有第二标志点位；所述光源(4)设置在与所述摄像装置(1)成夹角的方向上。

2.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于：所述光源(4)的中心轴线与所述摄像装置(1)的中心轴线成40-50°夹角。

3.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于：所述光源(4)为出射角为50°-80°的线激光器。

4.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于：所述第一标志点位为第一标志贴。

5.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于：所述第二标志点位为第二标志贴。

6.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于，所述摄像装置(1)为CCD相机。

7.根据权利要求1所述三维图像扫描***，其特征在于，所述转动装置(2)为转台。

8.一种三维图像扫描方法，其特征在于：所述三维图像扫描方法包括步骤：

A：相互正交的平板(3)转轴横向设置，所述相互正交的平板(3)上设有第二标志点位；

B：根据相互正交的平板(3)上的第二标志点位对摄像装置(1)进行标定，获取所述摄像装置(1)的内外参数；

C：根据所述摄像装置(1)的内外参数，以及光源(4)发射的线激光与所述相互正交的平板(3)的图像，得到线激光扫描面的平面方程，所述光源(4)与所述摄像装置(1)按夹角设置；

D：根据所述线激光扫描面的平面方程，以及线激光图像直线方程确定被测物体表面的三维坐标，其中，所述光源(4)直线方程是在设有第一标志点的旋转动装置(2)旋转所述被测物体的过程中，根据所述光源(4)发射的线激光在所述被测物体上变形曲线的图像和所述摄像装置(1)的中心点建立的。

9.根据权利要求8所述三维图像扫描方法，其特征在于，在所述步骤A之前包括：根据所述相互正交的平板(3)，建立世界坐标系。

10.根据权利要求8所述三维图像扫描方法，其特征在于，所述步骤B之前包括：根据所述转动装置(2)上的第二标志点位，得到所述转动装置(2)相对于所述世界坐标系的变换矩阵。

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