CN102878945A - 一种获得物体三维和颜色数据的***和方法 - Google Patents

一种获得物体三维和颜色数据的***和方法 Download PDF

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Abstract

一种获得物体三维和颜色数据的***及方法，其中***包括采集头和滑轨，所述采集头在所述滑轨上滑动设置，所述采集头包括光栅发生器、水平摄像头和倾斜摄像头，所述光栅发生器的光栅发射方向垂直于所述滑轨，所述水平摄像头紧挨所述光栅发生器设置并且其拍摄方向平行于所述光栅发生器的光栅发射方向；所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器一端距离设置并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角。本发明重新构建了硬件设计，大幅降低了软件算法的难度，提高了扫描的精确度；本发明由于不再需要软件拼接，减小了出错和数据扭曲的几率；非常适用于扫描大型模型，例如人体，家具等。成像效果极佳。

Description

一种获得物体三维和颜色数据的***和方法
技术领域
本发明涉及自动检测和计算机技术领域，尤其是涉及一种获得物体三维和颜色数据的***和方法。
背景技术
现有技术中的三维扫描设备都只能扫描50cm以内的小型模型，其扫描大型模型需要复杂的拼接算法，经过很多次扫描拼接而成，很容易出错，并且精度不高。本方法通过对硬件和算法的同步改进，以达到一次性扫描大型模型的目的，理论上模型可以达到几十米。并且不需要非常复杂的算法。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的获得物体三维和颜色数据的***，解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种获得物体三维和颜色数据的***，包括采集头和滑轨，所述采集头在所述滑轨上滑动设置，所述采集头包括光栅发生器、水平摄像头和倾斜摄像头，所述光栅发生器的光栅发射方向垂直于所述滑轨，所述水平摄像头紧挨所述光栅发生器设置并且其拍摄方向平行于所述光栅发生器的光栅发射方向；所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器一端距离设置并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角。
所述光栅发生器的光栅发射方向、所述水平摄像头的拍摄方向和所述倾斜摄像头的拍摄方向在同一平面上。
所述滑轨为由步进电机控制的滑轨，并且所述滑轨竖直设置。
所述光栅发生器的散射角不超过0.2rad，光栅的宽度不超过1mm。
所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器1cm至100cm，并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角的范围为1°至90°；所述水平摄像头和所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向位于所述光栅发生器的两侧或者同侧。
所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器10cm，并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角的范围为45°。
所述光栅发生器为激光发生器，所述水平摄像头为高分辨率摄像头。
一种获得物体三维和颜色数据的方法，包括步骤如下：
步骤一，将被测物体放置在所述光栅发生器的光栅发射方向和所述倾斜摄像头的拍摄方向的交点位置上，启动所述光栅发生器、所述水平摄像头和所述倾斜摄像头，使光栅照射到被测物体方向上，则在所述被测物体方向产生一个高亮光线；根据摄像头的成像原理，会将光栅束经过的路经反映在所述水平摄像头和所述倾斜摄像头图像中；
步骤二，当被测物挡住光栅时，就会在所述被测物表面产生一个高亮点，所述高亮点会反映在所述水平摄像头和所述倾斜摄像头取得的图像中；
步骤三，计算三维数据，假设所述倾斜摄像头图像横向为X，纵向为Y，那么根据三角沟股定理，图像中高亮点的Y值与其到光栅发生器的距离成比例并且该比例是线性的；设摄像头与光栅发生器的垂直距离为H，光栅发生器到被测物的距离为L，摄像头的偏离角度为a，摄像头垂直分辨率为YR；摄像头产生的图像里面光栅的成像点到图像水平中间线的垂直距离为X，光栅线上距离点到摄像头中轴线的距离为Y，从光栅发生器到摄像头中轴线的距离为M，摄像头成像平面与摄像头的中轴线成直角；
根据几何定律我们可以知道角度
b＝(90°-a)
Y与X的关系是：
Y＝X/sin(b)＝X/sin(90°-a)
M的值
M＝tan(a)*H
光栅发生器到物体的距离L应该等于M+Y，即：
L＝tan(a)*H+X/sin(90°-a)
其中a和H为设备固定参数，所以L和X成比例关系，由此我们能够获得光栅所在位置的三维信息；
步骤四，获得颜色数据，由于所述水平摄像头的摄像方向与光栅发射方向一致，所述水平摄像头即获得被测物体的颜色信息，即获得被测物体颜色数据；
其中，步骤三和步骤四不分先后顺序。
所述步骤三中的计算公式写成算法并固化在单片机或者计算机内。
所述步骤四中，当所述滑轨水平设置，所述水平摄像头位于所述光栅发生器下方时，所述水平摄像头即获得所述光栅照射行以下若干行的颜色信息。
本发明利用一个高亮光栅和两个廉价摄像头，步进电机，导轨，实现对大型模型的表面三维和颜色数据的扫描，近距离时这个方法可以达到mm级别的精度，并且不受环境亮度干扰，通过硬件改进，简化了软件算法，容易生产和调试。
本发明的有益效果可以总结如下：
1，本发明重新构建了硬件设计，大幅降低了软件算法的难度，提高了扫描的精确度；
2，本发明由于不再需要软件拼接，减小了出错和数据扭曲的几率；非常适用于扫描大型模型，例如人体，家具等。成像效果极佳。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的原理示意图。
图3为本发明的实物示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图3所示，该方法需要一个高亮光栅发生器，要求光栅的散射角不超过0.2rad，光栅的宽度不超过1mm。把光栅发生器水平放置，使光栅照射到模型上，在被测物体表面产生一个高亮光线。
使用一个高分辨率彩色摄像头放置在光栅发生器的正上方若干厘米处H(例如10cm)，摄像头拍摄水平方向与光栅方向相同，竖直方向向光栅发生器方向偏离一定角度A(假设45度)。见附图1。
此时根据摄像头的成像原理，会将光栅束经过的路经反映在图像中。当被测物挡住光栅时，就会在被测物表面产生一个高亮点，该高亮点会反映在摄像头取得的图像中，假设摄像头图像横向为X，纵向为Y。那么根据三角沟股定理，图像中高亮点的Y值与其到光栅发生器的距离成比例。该比例是线性的。其公式的参考值取决与摄像头到光栅发生器的距离H和摄像头偏离的角度A。此公式可以写成算法固化在单片机或者计算机内。其原理见附图2，
具体公式如下：
摄像头与光栅发生器的垂直距离为H，光栅发生器到被测物的距离为L。摄像头摄像头的偏离角度为a，摄像头垂直分辨率为YR。摄像头产生的图像里面光栅的成像点到图像水平中间线的垂直距离为X，光栅线上距离点到摄像头中轴线的距离为Y，从光栅发生器到摄像头中轴线的距离为M，摄像头成像平面与摄像头的中轴线成直角。
根据几何定律我们可以知道角度
b＝(90°-a)
Y与X的关系是：
Y＝X/sin(b)＝X/sin(90°-a)
M的值
M＝tan(a)*H
光栅发生器到物体的距离L应该等于M+Y，即：
L＝tan(a)*H+X/sin(90°-a)
其中a和H为设备固定参数，所以L和X成比例关系。由此我们可以获得光栅所在位置的三维信息。
在光栅发生器的下方平行放置一个高分辨率摄像头见附图1，摄像方向与光栅方向一致。此时，这个摄像头可以获得光栅照射行以下若干行的颜色信息。
我们将这个光栅和两个摄像头一起固定在一个结构件上，称为采集头。然后将采集头安装在由步进电机控制的滑轨上。让光栅垂直于滑轨方向照射在模型上，当采集头在滑轨上平行移动时，就可以逐行扫描出模型的三维和颜色数据。其分辨率取决于滑轨的移动速度，其可扫描面积取决于滑轨的宽度和长度，见附图3。
这个方法重新构建了硬件设计，大幅降低了软件算法的难度，提高了扫描的精确度，由于不再需要软件拼接，减小了出错和数据扭曲的几率。非常适用于扫描大型模型，例如人体，家具等。成像效果极佳。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，包括采集头和滑轨，所述采集头在所述滑轨上滑动设置，所述采集头包括光栅发生器、水平摄像头和倾斜摄像头，所述光栅发生器的光栅发射方向垂直于所述滑轨，所述水平摄像头紧挨所述光栅发生器设置并且其拍摄方向平行于所述光栅发生器的光栅发射方向；所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器一端距离设置并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角。
2.根据权利要求1所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述光栅发生器的光栅发射方向、所述水平摄像头的拍摄方向和所述倾斜摄像头的拍摄方向在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述滑轨为由步进电机控制的滑轨，并且所述滑轨竖直设置。
4.根据权利要求1所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述光栅发生器的散射角不超过0.2rad，光栅的宽度不超过1mm。
5.根据权利要求1所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器1cm至100cm，并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角的范围为1°至90°；所述水平摄像头和所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向位于所述光栅发生器的两侧或者同侧。
6.根据权利要求5所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述倾斜摄像头沿所述滑轨的延伸方向距离所述光栅发生器10cm，并且其拍摄方向与所述光栅发生器的光栅发射方向成夹角的范围为45°。
7.根据权利要求1所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于，所述光栅发生器为激光发生器，所述水平摄像头为高分辨率摄像头。
8.一种获得物体三维和颜色数据的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一，将被测物体放置在所述光栅发生器的光栅发射方向和所述倾斜摄像头的拍摄方向的交点位置上，启动所述光栅发生器、所述水平摄像头和所述倾斜摄像头，使光栅照射到被测物体方向上，则在所述被测物体方向产生一个高亮光线；根据摄像头的成像原理，会将光栅束经过的路经反映在所述水平摄像头和所述倾斜摄像头图像中；
步骤二，当被测物挡住光栅时，就会在所述被测物表面产生一个高亮点，所述高亮点会反映在所述水平摄像头和所述倾斜摄像头取得的图像中；
步骤三，计算三维数据，假设所述倾斜摄像头图像横向为X，纵向为Y，那么根据三角沟股定理，图像中高亮点的Y值与其到光栅发生器的距离成比例并且该比例是线性的；设摄像头与光栅发生器的垂直距离为H，光栅发生器到被测物的距离为L，摄像头的偏离角度为a，摄像头垂直分辨率为YR；摄像头产生的图像里面光栅的成像点到图像水平中间线的垂直距离为X，光栅线上距离点到摄像头中轴线的距离为Y，从光栅发生器到摄像头中轴线的距离为M，摄像头成像平面与摄像头的中轴线成直角；
根据几何定律我们可以知道角度
b＝(90°-a)
Y与X的关系是：
Y＝X/sin(b)＝X/sin(90°-a)
M的值
M＝tan(a)*H
光栅发生器到物体的距离L应该等于M+Y，即：
L＝tan(a)*H+X/sin(90°-a)
其中a和H为设备固定参数，所以L和X成比例关系，由此我们能够获得光栅所在位置的三维信息；
步骤四，获得颜色数据，由于所述水平摄像头的摄像方向与光栅发射方向一致，所述水平摄像头即获得被测物体的颜色信息，即获得被测物体颜色数据；
其中，步骤三和步骤四不分先后顺序。
9.根据权利要求8所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于：所述步骤三中的计算公式写成算法并固化在单片机或者计算机内。
10.根据权利要求8所述的获得物体三维和颜色数据的***，其特征在于：所述步骤四中，当所述滑轨水平设置，所述水平摄像头位于所述光栅发生器下方时，所述水平摄像头即获得所述光栅照射行以下若干行的颜色信息。
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