CN105136061A - 动态物体的三维扫描***及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态物体的三维扫描***，包括：N个采集模块和处理模块，其中，N个采集模块，分别与处理模块相连，用于同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；其中，对采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；处理模块，与N个采集模块相连，用于接收N个采集模块所拍摄的画面，对所有画面进行三维识别处理，生成三维模型。本发明还公开了一种动态物体的三维扫描方法。本发明解决了现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题。

Description

动态物体的三维扫描***及其扫描方法

技术领域

本发明涉及物体的三维扫描领域，更具体地，涉及一种动态物体的三维扫描***及其扫描方法。

背景技术

目前，物体的三维扫描建模主要方法有光栅扫描拍摄和多角度拍摄。其中，光栅扫描方法主要是采用激光发射器或投影机产生可变的光栅，光栅按照一定的规律完成对物体的扫描。光栅变化时，用1到2部成一定夹角的相机记录光栅投影到被扫描物体上所形成的曲线，扫描完成后再用专用的软件计算出扫描物体的一个三维面，为了完成整个物体三维扫描，需要旋转被扫描物体，让每个面都被扫描，再将扫描的多个面拼合成被扫描物体的三维模型；多角度拍摄主要是采用一台相机对被扫描物体进行多角度拍摄(如附图1)，然后将拍摄的照片使用专用的三维处理软件进行三维识别处理，计算出被扫描物体的点和面，生成三维模型。

在上述的两种扫描方法中，都采用了分时扫描、拍摄的技术。因为每次拍摄、扫描时不能做到360度全覆盖，这样就需要多次扫描、拍摄。扫描、拍摄一个面以后，旋转被扫描物件或移动照相机，再扫描、拍摄另一个面。为了便于拼合和计算每次扫描和拍摄都需要相邻的画面有部分的重合。因此要完成一个物体的扫描一般需要扫描、拍摄5次以上，才能用专用软件计算出一个比较精确的完整三维模型。这两种扫描方式需要被扫描物体在扫描的过程中必须完全静止，没有任何外部的形态改变或表面的运动。例如：用上述方法对人体进行三维扫描过程时，就需要人的四肢和形态(站姿、坐姿)保持静止，不能呼吸，同时也不能有面部表情和身体肌肉的张弛变化。最快的扫描过程大约需要5分钟左右，一般的人很难做到在扫描过程中保持静止，更不用说对于动物或运动物体的扫描了。

同时，对于使用光栅扫描的方法还要求扫描环境相对比较暗，当被扫描物体在室外明亮环境时扫描会变得困难，特别是被扫描物体是自发光物体时，几乎就没法扫描。由于光栅扫描所用的设备比较复杂，目前出现了改进的扫描方法，该方法采用一种红、绿、蓝单色光替代激光发生器或投影机产生的光栅。在相机镜头前加上相应的滤色镜，每部相机只拍摄一种颜色光照的画面。这种方式与光栅扫描相比只是减少的了设备，光栅扫描“怕光”的缺陷依然存在。虽然该方法采用了多相机拍摄，但是因为只能采用红、绿、蓝三种单色光，所以相机数最多是三部。三部相机很难一次将一个物体的所有表面都拍摄到，如果要为拼合留有重合的拍摄部分，三部相机就更不可能一次拍摄完成了。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种动态物体的三维扫描***及其扫描方法，能够解决现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种动态物体的三维扫描***，包括：N个采集模块和处理模块，其中，N个采集模块，分别与处理模块相连，用于同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；其中，对采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；处理模块，与N个采集模块相连，用于接收N个采集模块所拍摄的画面，对所有画面进行三维识别处理，生成三维模型。

优选地，每个采集模块为摄像模块。

优选地，每个采集模块为照相模块。

优选地，该***还包括：帧同步信号发生模块和时间码发生模块，其中，帧同步信号发生模块，分别与N个摄像模块以及时间码发生模块相连，用于产生帧同步信号，来控制N个摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面；时间码发生模块，分别与每台摄像模块以及帧同步信号发生模块相连，用于接收帧同步信号，基于帧同步信号，产生时间码，并将时间码输出到每个摄像模块。

优选地，该***还包括：快门同步控制发射模块和N个快门同步控制接收模块，其中，快门同步控制发射模块，分别与N个快门同步控制接收模块相连，用于产生快门同步控制信号来控制快门同步控制接收模块；每个快门同步控制接收模块，分别与快门同步控制发射模块和每个照相模块相连，用于接收快门同步控制信号，并触发照相模块的快门，使N个照相模块同时拍摄被扫描物体的表面。

另一方面，本发明还提供了一种动态物体的三维扫描方法，包括：N个采集模块同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；其中，对采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；处理模块接收N个采集模块所拍摄的画面，对所有画面进行三维识别处理，生成三维模型。

优选地，每个采集模块为摄像模块。

优选地，每个采集模块为照相模块。

优选地，该方法还包括：帧同步信号发生模块产生帧同步信号，来控制N个摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面；时间码发生模块接收帧同步信号，基于帧同步信号，产生时间码，并将时间码输出到每个摄像模块。

优选地，该方法还包括：快门同步控制发射模块产生快门同步控制信号来控制N个快门同步控制接收模块；每个快门同步控制接收模块接收快门同步控制信号，并触发照相模块的快门，使N个照相模块同时拍摄被扫描物体的表面。

本发明的技术效果：

1.本发明采用多角度多机位同时拍摄的方式，不仅可以对静止的物体进行三维扫描也可以对运动物体进行三维扫描，拍摄过程瞬间完成，然后将拍摄的照片进行三维识别处理，生成三维模型，以三维的方式呈现，可以任意角度观察、分析该物体的三维模型，对摄像模块的位置没有特别的要求，不需要做事先校正就可以搭建三维扫描的拍摄环境，使得三维扫描变得简单，扩大了可扫描物体的种类，且不受环境限制，解决了现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题；

2.本发明不仅可以实现单帧三维扫描，也可以实现连续三维扫描，对于一些不可重现的重要场景可以进行连续三维扫描，生成一组连续的三维模型；

3.本发明采用全彩照片进行处理，生成的模型也是带有真实纹理的彩色模型，扫描的模型也可以输出进行3D打印等，使之应用更加广泛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中多角度单相机分时拍摄的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例一的动态物体的三维扫描***的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例二的动态物体的三维扫描***中采集模块为摄像模块的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例三的动态物体的三维扫描***中采集模块为摄像模块的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例四的动态物体的三维扫描***中采集模块为照相模块的结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例五的动态物体的三维扫描方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图2示出了根据本发明实施例一的动态物体的三维扫描***的结构示意图；如图2所示，该***包括：N个采集模块10和处理模块20，其中，

N个采集模块10，分别与处理模块20相连，用于同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；其中，对采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；

处理模块20，与N个采集模块10相连，用于接收N个采集模块10所拍摄的画面，对所有画面进行三维识别处理，生成三维模型。

本发明的实施例中采用多角度多机位同时拍摄的方式，不仅可以对静止的物体进行三维扫描也可以对运动物体进行三维扫描，拍摄过程瞬间完成，然后将拍摄的照片进行三维识别处理，生成三维模型，以三维的方式呈现，可以任意角度观察、分析该物体的三维模型，对摄像模块的位置没有特别的要求，不需要做事先校正就可以搭建三维扫描的拍摄环境，使得三维扫描变得简单，扩大了可扫描物体的种类，且不受环境限制，解决了现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题；不仅可以实现单帧三维扫描，也可以实现连续三维扫描，对于一些不可重现的重要场景可以进行连续三维扫描，生成一组连续的三维模型。

实施例二

图3示出了根据本发明实施例二的动态物体的三维扫描***中采集模块为摄像模块的结构示意图，如图3所示，每个采集模块为摄像模块，该***还包括：帧同步信号发生模块30和时间码发生模块40，其中，

帧同步信号发生模块30，分别与N个摄像模块10以及时间码发生模块40相连，用于产生帧同步信号，来控制N个摄像模块10同时拍摄被扫描物体的表面；

时间码发生模块40，分别与每台摄像模块10以及帧同步信号发生模块30相连，用于接收帧同步信号，基于帧同步信号，产生时间码，并将时间码输出到每个摄像模块10，使得每个视频帧都有唯一的时间码。

其中，摄像模块可以选用自带存储介质的摄录一体机也可以选用不带存储介质、直接输出视频的摄像模块；

具体的，对于采用光盘、闪存和固态硬盘作为存储介质的自带存储介质的摄像模块，可以在拍摄完成后，先将拍摄的所有视频复制到处理模块中，找到需要生成三维模型的画面位置，记下相应的需要生成三维模型的时间码范围，将其逐帧转换成单独的无压缩图片文件，并为每张图片设置一个与摄像模块名称、时间码相关的文件名。例如：摄像模块8“拍摄画面的“3分15秒10帧”这个图片文件，可以命名为C08_031510.BMP。

计算某个时间点的三维模型时，只要将文件名后六位是031510.BMP的文件复制到同一个文件，处理模块再将这个文件夹的所有文件计算出3分15秒10帧这个时间点的三维模型。其他需要生成三维模型的时间点，可以参照上述办法处理。将需要的时间段的文件处理完毕后就可以得到这个时间段的、连续的三维模型。

对于采用磁带作为存储介质的自带存储介质的摄像模块，可以在拍摄完成后，先将拍摄的所有视频采集到处理模块，此时处理模块至少需要有一块视频采集卡，视频采集到处理模块以后就可以与采用光盘、闪存和固态硬盘作为存储介质的自带存储介质的摄像模块一样的方法进行处理。

对于不带存储介质、直接输出视频的摄像模块，需要在处理模块中安装与摄像模块数量相同的采集卡，每块采集卡采集一台摄像模块输出的视频信号。如果摄像模块较多，硬盘速度跟不上时可以用多块固态硬盘做成RAID提高存储速度，也可以采用多台处理模块采集的方法；采集以后将所有的文件复制到同一台处理模块，接下来就可以与采用磁带作为存储介质的自带存储介质的摄像模块一样的方法进行处理。

对于移动物体的连续三维扫描采用摄像模块跟踪拍摄时，需要事先测量好被扫描物体移动的最近点和最远点的距离，拍摄时采用手动聚焦，确保拍摄画面的清晰。

抛出物体实现一次100％扫描，因为地球的引力作用，除了气球、飞机、飞鸟外常见的物体都会固定在一个基座或地面，或依托基座、地面而静止，一般不会在空中悬浮。对于一些比较轻的物体可以采用在下面放一个柔软的减震缓冲垫，然后将物体抛出，当物体在空中的时候拍照，再对这样的视频画面进行处理，就可以实现对物体一次100％的扫描。

实施例三

图4示出了根据本发明实施例三的动态物体的三维扫描***中采集模块为摄像模块的结构示意图，如图4所示，每台摄像模块10，包括帧同步外部锁相输入接口102和时间码输入接口104，其中，

帧同步外部锁相输入接口102，与帧同步信号发生模块30中的同步输出接口302相连，用于接收帧同步信号；

时间码输入接口104，与时间码发生模块40中的时间码输出接口402相连，用于接收每个视频帧的时间码。

时间码发生模块40，包括帧同步信号输入接口404和计数器406，其中，

帧同步信号输入接口404，与帧同步信号发生模块30中的同步输出接口302相连，用于接收帧同步信号；

计数器406，每当帧同步信号到达时，计数器406的数值加一，确保每个视频帧都有唯一的时间码。

实施例四

图5示出了根据本发明实施例四的动态物体的三维扫描***中采集模块为照相模块的结构示意图，如图5所示，根据实际需要，如果只生成一个三维模型，则可以进行单帧扫描，则此时采集模块可以用照相模块，该***还包括：快门同步控制发射模块30’和N个快门同步控制接收模块40’，其中，

快门同步控制发射模块30’，分别与N个快门同步控制接收模块40’相连，用于产生快门同步控制信号来控制快门同步控制接收模块40’；

每个快门同步控制接收模块40’，分别与快门同步控制发射模块30’和每个照相模块10’相连，用于接收快门同步控制信号，并触发照相模块10’的快门，使N个照相模块10’同时拍摄被扫描物体的表面。

其中，照相模块均具有快门接口，可以采用数码相机也可以采用胶片相机，当采用胶片相机时需要配备胶片扫描仪，以便扫描冲印出来的胶片。

单帧三维扫描采用数码相机拍摄时的照片可以先存储在相机所带的存储卡，待所有的物体都扫描完成后再将存储卡的内容复制到处理模块进行处理、生成三维模型；也可以采用带“Wifi模块”或带“Wifi存储卡”的数码相机将拍摄的照片立即传送到处理模块进行处理、生成三维模型。

实施例五

图6示出了根据本发明实施例五的动态物体的三维扫描方法的流程图，如图6所示，该方法包括：

步骤S601，N个采集模块同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；

步骤S602，处理模块接收N个采集模块所拍摄的画面，对所有画面进行三维识别处理，生成三维模型；

其中，对采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；

采集模块为摄像模块时，所有摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面步骤为：帧同步信号发生模块产生帧同步信号，来控制N个摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面；

时间码发生模块接收帧同步信号，基于帧同步信号，产生时间码，并将时间码输出到每个摄像模块。

其中，摄像模块可以选用自带存储介质的摄录一体机也可以选用不带存储介质、直接输出视频的摄像模块。

具体的，对于采用光盘、闪存和固态硬盘作为存储介质的自带存储介质的摄像模块，可以在拍摄完成后，先将拍摄的所有视频复制到处理模块中，找到需要生成三维模型的画面位置，记下相应的需要生成三维模型的时间码范围，将其逐帧转换成单独的无压缩图片文件，并为每张图片设置一个与摄像模块名称、时间码相关的文件名。例如：摄像模块8“拍摄画面的“3分15秒10帧”这个图片文件，可以命名为C08_031510.BMP。

计算某个时间点的三维模型时，只要将文件名后六位是031510.BMP的文件复制到同一个文件，处理模块再将这个文件夹的所有文件计算出3分15秒10帧这个时间点的三维模型。其他需要生成三维模型的时间点，可以参照上述办法处理。将需要的时间段的文件处理完毕后就可以得到这个时间段的、连续的三维模型。

对于采用磁带作为存储介质的自带存储介质的摄像模块，可以在拍摄完成后，先将拍摄的所有视频采集到处理模块，此时处理模块至少需要有一块视频采集卡，视频采集到处理模块以后就可以与采用光盘、闪存和固态硬盘作为存储介质的自带存储介质的摄像模块一样的方法进行处理。

对于不带存储介质、直接输出视频的摄像模块，需要在处理模块中安装与摄像模块数量相同的采集卡，每块采集卡采集一台摄像模块输出的视频信号。如果摄像模块较多，硬盘速度跟不上时可以用多块固态硬盘做成RAID提高存储速度，也可以采用多台处理模块采集的方法；采集以后将所有的文件复制到同一台处理模块，接下来就可以与采用磁带作为存储介质的自带存储介质的摄像模块一样的方法进行处理。

对于移动物体的连续三维扫描采用摄像模块跟踪拍摄时，需要事先测量好被扫描物体移动的最近点和最远点的距离，拍摄时采用手动聚焦，确保拍摄画面的清晰。

抛出物体实现一次100％扫描，因为地球的引力作用，除了气球、飞机、飞鸟外常见的物体都会固定在一个基座或地面，或依托基座、地面而静止，一般不会在空中悬浮。对于一些比较轻的物体可以采用在下面放一个柔软的减震缓冲垫，然后将物体抛出，当物体在空中的时候拍照，再对这样的视频画面进行处理，就可以实现对物体一次100％的扫描。

采集模块为照相模块时，所有照相模块同时拍摄被扫描物体的表面步骤为：快门同步控制发射模块产生快门同步控制信号来控制N个快门同步控制接收模块；

每个快门同步控制接收模块接收快门同步控制信号，并触发照相模块的快门，使N个照相模块同时拍摄被扫描物体的表面。

其中，照相模块均具有快门接口，可以采用数码相机也可以采用胶片相机，当采用胶片相机时需要配备胶片扫描仪，以便扫描冲印出来的胶片。

单帧三维扫描采用数码相机拍摄时的照片可以先存储在相机所带的存储卡，待所有的物体都扫描完成后再将存储卡的内容复制到处理模块进行处理、生成三维模型；也可以采用带“Wifi模块”或带“Wifi存储卡”的数码相机将拍摄的照片立即传送到处理模块进行处理、生成三维模型。

本发明的实施例中采用多角度多机位同时拍摄的方式，不仅可以对静止的物体进行三维扫描也可以对运动物体进行三维扫描，拍摄过程瞬间完成，然后将拍摄的照片进行三维识别处理，生成三维模型，以三维的方式呈现，可以任意角度观察、分析该物体的三维模型，对摄像模块的位置没有特别的要求，不需要做事先校正就可以搭建三维扫描的拍摄环境，使得三维扫描变得简单，扩大了可扫描物体的种类，且不受环境限制，解决了现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题；不仅可以实现单帧三维扫描，也可以实现连续三维扫描，对于一些不可重现的重要场景可以进行连续三维扫描，生成一组连续的三维模型。

本发明的上述实施例实现了如下有益效果：

1.采用多角度多机位同时拍摄的方式，不仅可以对静止的物体进行三维扫描也可以对运动物体进行三维扫描，拍摄过程瞬间完成，然后将拍摄的照片进行三维识别处理，生成三维模型，以三维的方式呈现，可以任意角度观察、分析该物体的三维模型，对摄像模块的位置没有特别的要求，不需要做事先校正就可以搭建三维扫描的拍摄环境，使得三维扫描变得简单，扩大了可扫描物体的种类，且不受环境限制，解决了现有技术中存在的对动态物体进行三维扫描时拍摄速度慢、三维扫描效果不好的问题；

2.本发明不仅可以实现单帧三维扫描，也可以实现连续三维扫描，对于一些不可重现的重要场景可以进行连续三维扫描，生成一组连续的三维模型；

3.本发明采用全彩照片进行处理，生成的模型也是带有真实纹理的彩色模型，扫描的模型也可以输出进行3D打印等，使之应用更加广泛。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态物体的三维扫描***，其特征在于，包括：N个采集模块和处理模块，其中，

所述N个采集模块，分别与所述处理模块相连，用于同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给所述处理模块；其中，对所述采集模块的数量和布置的位置需满足：所有所述采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的所述采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；

所述处理模块，与所述N个采集模块相连，用于接收所述N个采集模块所拍摄的画面，对所有所述画面进行三维识别处理，生成三维模型。

2.根据权利要求1所述的动态物体的三维扫描***，其特征在于，每个所述采集模块为摄像模块。

3.根据权利要求1所述的动态物体的三维扫描***，其特征在于，每个所述采集模块为照相模块。

4.根据权利要求2所述的动态物体的三维扫描***，其特征在于，该***还包括：帧同步信号发生模块和时间码发生模块，其中，

所述帧同步信号发生模块，分别与所述N个摄像模块以及所述时间码发生模块相连，用于产生帧同步信号，来控制所述N个摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面；

所述时间码发生模块，分别与每台所述摄像模块以及所述帧同步信号发生模块相连，用于接收所述帧同步信号，基于所述帧同步信号，产生时间码，并将所述时间码输出到每个所述摄像模块。

5.根据权利要求3所述的动态物体的三维扫描***，其特征在于，该***还包括：快门同步控制发射模块和N个快门同步控制接收模块，其中，

所述快门同步控制发射模块，分别与所述N个快门同步控制接收模块相连，用于产生快门同步控制信号来控制所述快门同步控制接收模块；

每个所述快门同步控制接收模块，分别与所述快门同步控制发射模块和每个所述照相模块相连，用于接收所述快门同步控制信号，并触发所述照相模块的快门，使所述N个照相模块同时拍摄被扫描物体的表面。

6.一种动态物体的三维扫描方法，其特征在于，包括：

N个采集模块同时拍摄被扫描物体的表面，将拍摄的画面传输给处理模块；其中，对所述采集模块的数量和布置的位置需满足：所有采集模块在同一时刻拍摄的画面加起来能够覆盖被扫描物体的所有表面且相邻的所述采集模块拍摄的画面至少有50％的重合部分；

处理模块接收所述N个采集模块所拍摄的画面，对所有所述画面进行三维识别处理，生成三维模型。

7.根据权利要求6所述的动态物体的三维扫描方法，其特征在于，每个所述采集模块为摄像模块。

8.根据权利要求6所述的动态物体的三维扫描方法，其特征在于，每个所述采集模块为照相模块。

9.根据权利要求7所述的动态物体的三维扫描方法，其特征在于，该方法还包括：

帧同步信号发生模块产生帧同步信号，来控制所述N个摄像模块同时拍摄被扫描物体的表面；

时间码发生模块接收所述帧同步信号，基于所述帧同步信号，产生时间码，并将所述时间码输出到每个所述摄像模块。

10.根据权利要求8所述的动态物体的三维扫描方法，其特征在于，该方法还包括：

快门同步控制发射模块产生快门同步控制信号来控制N个快门同步控制接收模块；

每个所述快门同步控制接收模块接收所述快门同步控制信号，并触发所述照相模块的快门，使所述N个照相模块同时拍摄被扫描物体的表面。