CN108151671A - 一种三维数字成像传感器、三维扫描***及其扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维扫描***及其扫描方法。所述三维扫描***用于获取被测物体的三维点云数据,其包括:一光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;左、右相机,用于获取所述被测物体的2D左图像及2D右图像;一三维模组,用于采集被测物体的深度图;条纹匹配模块,用于根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配;三维重构模块,用于将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据三维扫描***的标定参数,将对应点重建为三维点云数据。本发明还提供一种三维扫描仪的扫描方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维数字成像传感器、三维扫描***及扫描方法,尤其涉及一种用于手持多条纹三维扫描***的三维数字成像传感器、三维扫描***及扫描方法。
背景技术
三维数字化技术是近年来国际上活跃研究的一个新兴交叉学科领域,被广泛的应用到逆向工程、文物保护、工业检测及虚拟现实等诸多领域。而手持便携式三维扫描仪以其便捷性,灵活性的优点在三维扫描领域被广泛应用。现有手持式三维扫描仪的原理主要是基于结构光的主动立体视觉方式,结构光的模式可以有多种,如红外激光散斑、DLP(Digital Light Processing)投影散斑、DLP投影的模拟激光条纹、激光条纹等。这些结构光模式中以DLP投影的模拟激光条纹,激光条纹为结构光的手持三维扫描仪的精度最高、扫描细节最好。
以DLP投影的模拟激光条纹,激光条纹为结构光为例的基本工作流程是:
(1)对投射的条纹进行平面拟合;
(2)根据采集到的条纹图进行标志点提取及条纹中心提取;
(3)对条纹中心进行连通域分割,根据平面方程对左右相机图像上的条纹进行对应点匹配;
(4)利用两相机的极线约束关系查找左右相机图像上对应的标志点中心;
(5)根据扫描***的标定参数,采用三维重建算法对已经匹配好的对应条纹及对应标志点中心进行三维重建;
(6)标志点拼接及条纹三维点旋转平移实现手持三维扫描。
然而,该扫描过程中左右相机图像上的对应条纹匹配主要是基于光平面或条纹平面方程的指导,该方法在条纹数量大于15的时候左右相机图像上的对应条纹的匹配错误率将显著提高,进而增加噪声,降低扫描数据的准确性。当条纹数量小于15时,扫描效率得不到有效提高。故而在固有的扫描帧率限制下提高扫描效率的有效方法是增加条纹数量同时提高条纹匹配的准确性。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种手持多条纹三维扫描***及其扫描方法,以解决现有手持三维扫描***无法兼顾高扫描效率和高扫描数据准确性的问题。
本发明提供一种三维扫描***,用于获取被测物体的三维点云数据,其包括:一光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;左、右相机,用于同步采集所述被测物体的2D左图像及2D右图像;一三维模组,用于同步采集被测物体的深度图;条纹匹配模块,用于根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配;三维重构模块,用于将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据三维扫描***的标定参数,将对应点重建为三维点云数据。
所述光源包括激光、投影仪,当所述光源为投影仪时,所述投影仪为数字投影仪,所述条纹图案包括模拟激光条纹图案、激光条纹图案等。
所述条纹图案中的条纹条数大于15。
所述三维模组为低分辨率三维扫描模组。
一种用于扫描被测物体的三维数字成像传感器,其包括:一光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;左、右相机,用于获取所述被测物体的2D左图像及2D右图像;一三维模组,用于采集被测物体的深度图像;所述左、右相机与三维模组的空间关系是已知且固定的;所述条纹图案和所述深度图像出现在所述图像上。
一种三维扫描方法,其包括如下步骤:(1)设备构建:构建由三维模组、两个相机和光源组成三维数字成像传感器,且三维模组、两个相机、投影仪之间的相对位置固定;(2)***标定:对左右相机及三维模组进行标定,获得标定参数;(3)投影与图像采集:生成一幅条纹图案,用光源向被测物体投射,条纹图案被被测物体的高度调制发生变形,产生调制后的条纹图案,左右相机同步采集调制后的条纹图案得到左右图像,三维模组同步采集被测物体的深度图;(4)条纹匹配:根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配;(5)三维重构:将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据所述标定参数,将对应点重建为三维点云数据。
所述***标定进一步包括如下步骤:对左右相机进行标定从而获取相机的内外参及相机之间的相对位置对应的旋转平移矩阵Mc,同时标定三维模组与左相机之间的相对位置关系对应的旋转平移矩阵Ms。
所述三维模组为三维扫描模组。
当所述三维扫描模组发射与光源等波长的光时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机分别采集左右图像;所述光源关闭,三维模组向被测物体发射光,然后采集三维深度图像。
当所述三维扫描模组发射的光与光源发射波长的波长不相等时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源和三维模组同时向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机及三维模组同时采集左右图像及三维深度图像。所述条纹匹配进一步包括如下步骤:对左右相机图像上的条纹进行中心线提取,然后对每条中心线连通域的分割形成多条独立线段;将三维模组采集到的深度图根据对应的标定内参换算为自身坐标系下的三维点云坐标(pi);根据标定三维模组与左相机之间的旋转平移矩阵Ms,将(pi)转换到左相机坐标系下三维点云坐标(qi);将三维点云坐标(qi)依次根据左右相机各自的内参反投影到左右图像上,每个对应点均有相应的序号,形成左右图像坐标对应的查找表,遍历左图像上每个条纹线段每个点的所对应的序号;根据查找表可直接查找到右图像相匹配的条纹线段,从而实现左右图像线段或条纹的准确匹配。
所述三维重构进一步包括如下步骤:将左右图像匹配好的对应条纹中心线段,利用左右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据***的标定参数,将对应点对重建为三维点云数据。
与现有技术相比,本发明的三维扫描仪及其扫描方法中,通过被测物体的深度图指导左、右图像进行条纹匹配的方式,获得三维点云数据。该三维扫描仪相对传统的三维扫描仪具有如下优点:1、条纹匹配的精度或准确性较高,从而可通过增加匹配的条纹数量来提高三维扫描***的扫描效率;2、当条纹数量较多且较密的时候,仅通过深度图即可指导左、右图像进行条纹匹配,无需额外在被测物体上贴标志点,不用借助标志点即可实现实时拼接;3、无需标定条纹光平面,即无需通过光平面来指导左右图像的匹配,对硬件的相对位置的安装精度要求较低,降低了***成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
以下结合附图描述本发明的实施例,其中:
图1是本发明实施例提供的三维扫描仪的结构示意图;
图2是图1中三维扫描仪中的左右相机采集到的条纹图;
图3是将深度图中的三维坐标依次反投影到左右相机的图像的条纹图;
图4是极线几何约束示意图。
具体实施方式
以下基于附图对本发明的具体实施例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作为实施例,并不用于限定本发明的保护范围。
请参照图1,本发明实施例提供一种三维扫描***,用于获取或采集被测物体106的三维点云数据。该三维扫描***包括光源101,三维模组102、左相机103、右相机104及数据处理单元105。所述三维扫描***的类型不限,优选地,所述三维扫描***为手持多条纹双目三维扫描***。
所述光源101,三维模组102、左相机103、右相机104之间的相互位置不限,只要可以投射或采集到被测物体106即可,且在工作时,所述光源101,三维模组102、左相机103、右相机104的位置相对固定。优选地,所述光源101设置在所述左相机103与右相机104正中间,所述三维模组102设置在光源101与左相机103之间。所述光源101所投射的条纹图案不限,优选地,为数字模拟激光条纹图案。条纹的数量不限,但为了提高扫描效率,通常需要大于15条,本实施例中,所述条纹数量大于80条。可以理解,当所述条纹的数量较少时,需要在所述被测物体106上额外粘帖标志点,但当所述条纹数量较多时,则不需要在所述被测物体106上额外粘帖标志点。所述光源101的结构不限,只要能向被测物体106投射条纹图案即可。优选地,所述光源101包括激光、投影仪。在本实施例中,所述光源101为数字投影仪,所述条纹图案包括模拟激光条纹图案、激光条纹图案等。
所述左、右相机103、104,用于同步采集所述被测物体的2D左图像及2D右图像。所述左右相机103、104的类型不限,只要能采集到所述被测物体106的二维图像即可。可以理解,由于所述光源101向被测物体106投射的条纹图案,被被测物体106的高度调制发生变形,产生调制后的条纹图案。而左右相机103、104则通过采集调制后的条纹图案得到左右图像。
所述三维模组102用于同步采集被测物体106的深度图。所述三维模组102的类型不限,只要能采集到所述深度图即可,而三维扫描模组则是用的比较多的一种三维模组102。为降低成本,本实施例采用低分辨率三维扫描模组102。可以理解,所述三维模组102与左、右相机103、104需要同步采集图像,所谓同步采集,亦即在采集过程中,所述三维模组102与左、右相机103、104的位置保持固定,而采集的时间不限定。当然,为避免相互间形成干扰,当所述三维模组102为三维扫描模组且其发射的光与光源101发射的光波长相等或基本一致时,所述三维模组102与左、右相机103、104的采集时间必须错开。当所述三维模组102为三维扫描模组且其发射的光与光源101发射的光波长不相等时,所述三维模组102与左、右相机103、104可以同时采集。
可以理解,所述光源101、三维模组102及左、右相机103、104可组成一个用于扫描被测物体106的三维数字成像传感器,所述左、右相机与三维模组的空间关系是已知且固定的。所述三维数字成像传感器不同于现有的三维数字成像传感器,其包括可采集深度图像的三维模组102,能大幅提高成像精度。
所述数据处理单元105,用于根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配,同时将左、右图像匹配好的对应条纹,重建为三维点云数据。具体地,所述数据处理单元105包括条纹匹配模块及三维重构模块。
具体地,由于所述深度图实际上包含了被测物体106的坐标集,通过所述三维模组102与左、右相机103、104的标定内参,将所述坐标集投射到左右图像,即可使得左右图像中的点或条纹中的点均具有具有所述坐标集的坐标。由于坐标集中的每个坐标集仅对应被测物体106中的唯一的一个点,左右图像中坐标相同的点或条纹即可匹配起来。即,所述左右图像的条纹匹配可以通过深度图的指导来实现,精度非常高,且不怕干扰。
而所述三维重构模块用于将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据所述标定参数,将对应点重建为三维点云数据。当然,所述三维重构模块重建三维点云数据的方式或技术不限,只要能将匹配好的左右图像重建为三维点云数据即可。
一种用上述三维扫描***获取或采集被测物体106的三维点云数据的扫描方法,其包括如下步骤:
(1)设备构建:构建由三维模组、两个相机和光源组成三维数字成像传感器,且三维模组、两个相机、光源之间的相对位置固定。
(2)***标定:对左右相机及三维模组进行标定,获得标定参数;所述***标定进一步包括如下步骤:对左右相机进行标定从而获取相机的内外参及相机之间的相对位置对应的旋转平移矩阵Mc,同时标定三维模组与左相机之间的相对位置关系对应的旋转平移矩阵Ms。
(3)投影与图像采集:生成一幅条纹图案,用光源向被测物体投射,条纹图案被被测物体的高度调制发生变形,产生调制后的条纹图案,左右相机同步采集调制后的条纹图案得到左右图像,三维模组同步采集被测物体的深度图。优选地,所述三维模组为三维扫描模组。当所述三维扫描模组发射与光源等波长的光时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机分别采集左右图像;所述光源关闭,三维模组向被测物体发射光,然后采集三维深度图像。当所述三维扫描模组发射的光与光源发射波长的波长不相等时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源和三维模组同时向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机及三维模组同时采集左右图像及三维深度图像。
(4)条纹匹配:根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配.所述条纹匹配进一步包括如下步骤:将所述深度图一次反投射到左右图像中,从而实现左右图像线段或条纹的准确匹配。具体地,包括如下步骤:a、对左右相机图像上的条纹进行中心线提取,然后对每条中心线连通域的分割形成多条独立线段;b、将三维模组采集到的深度图根据对应的标定内参换算为自身坐标系下的三维点云坐标(pi);c、根据标定三维模组与左相机之间的旋转平移矩阵Ms,将(pi)转换到左相机坐标系下三维点云坐标(qi);d、将三维点云坐标(qi)依次根据左右相机各自的内参反投影到左右图像上,每个对应点均有相应的序号,形成左右图像坐标对应的查找表;e、遍历左图像上每个条纹线段每个点的所对应的序号,根据查找表可直接查找到右图像相匹配的条纹线段,从而实现左右图像线段或条纹的准确匹配。
(5)三维重构:将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据所述标定参数,将对应点重建为三维点云数据。所述三维重构进一步包括如下步骤:将左右图像匹配好的对应条纹中心线段,利用左右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据***的标定参数,将对应点对重建为三维点云数据。
为进一步阐述本发明的三维扫描***及其扫描方法,下面以具体的实施例给予说明。
请参照图1,实际设计的三维手持多条纹双目三维扫描***的结构如图1所示。101为数字投影仪,102为分辨率三维扫描模组,103为相机,104位右相机,105为计算机,106为被测物体。
标定后的左相机的内部参数为:
右相机的内部参数为:
左相机和右相机之间的***结构参数为:
R=[8.749981e-001,6.547051e-003,4.840819e-001,
-2.904034e-003,9.999615e-001,-8.274993e-003,
-4.841175e-001,5.834813e-003,8.749835e-001]
T=[-1.778995e+002,-4.162821e-001,5.074737e+001]
低分辨率三维扫描模组的内部参数:
低分辨率三维扫描模组与左相机的之间的***结构参数:
Rs=[9.98946971e-001,4.44611477e-002,-1.13205701e-002,
-4.54442748e-002,9.92786812e-001,-1.10946668e-001,
6.30609650e-003,1.11344293e-001,9.93761884e-001]
Ts=[9.13387457e+001,2.81182536e+001,1.79046857e+000]
按照上面的叙述的步骤,对被测物体106投射数字模拟激光条纹图,被左右相机与分辨率三维扫描模组同步采集。根据采集到的条纹图还有低分辨率深度图。如图02所示,利用低分辨率三维扫描模组的内部参数即内参将深度图转换为三维坐标,同时根据标定参数将该三维坐标依次反投影到左右相机的图像上如图03所示,左右对应点上赋予序号,形成序号查找表。提取左右相机图像上条纹中心并进行连通域分割,根据序号查找表进行条纹对应线段的匹配。匹配完的线段对根据双相机的极线几何约束关系进行对应点查找如图04所示,然后根据标定参数进行三维重构,生成点云数据。
本发明的三维扫描仪及其扫描方法中,通过被测物体的深度图指导左、右图像进行条纹匹配的方式,获得三维点云数据。该三维扫描仪相对传统的三维扫描仪具有如下优点:1、条纹匹配的精度或准确性较高,从而可通过增加匹配的条纹数量来提高三维扫描***的扫描效率;2、当条纹数量较多且较密的时候,仅通过深度图即可指导左、右图像进行条纹匹配,无需额外在被测物体上贴标志点,不用借助标志点即可实现实时拼接;3、无需标定条纹光平面,即无需通过光平面来指导左右图像的匹配,对硬件的相对位置的安装精度要求较低,降低了***成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种三维扫描***,用于获取被测物体的三维点云数据,其包括:
光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;
左、右相机,用于同步采集所述被测物体的2D左图像及2D右图像;
三维模组,用于同步采集被测物体的深度图;
条纹匹配模块,用于根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配;
三维重构模块,用于将左、右图像匹配好的对应条纹,重建为三维点云数据。
2.如权利要求1所述的三维扫描***,其特征在于,所述光源包括激光、投影仪,当所述光源为投影仪时,所述投影仪为数字投影仪,所述条纹图案包括模拟激光条纹图案、激光条纹图案等。
3.如权利要求2所述的三维扫描***,其特征在于,所述条纹图案中的条纹条数大于15。
4.如权利要求1所述的三维扫描***,其特征在于,所述三维模组为低分辨率三维扫描模组。
5.如权利要求1所述的三维扫描***,其特征在于,所述三维扫描***为手持式三维扫描***。
6.一种用于扫描被测物体的三维数字成像传感器,其包括:
一光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;
左、右相机,用于获取所述被测物体的2D左图像及2D右图像;
一三维模组,用于采集被测物体的深度图像;
所述左、右相机与三维模组的空间关系是已知且固定的;
所述条纹图案和所述深度图像出现在所述图像上。
7.一种三维扫描***,用于获取被测物体的三维点云数据,其包括:
一光源,用于在所述被测物体投射多个条纹图案;
左、右相机,用于同步采集所述被测物体的2D左图像及2D右图像;
一三维模组,用于同步采集被测物体的深度图;
一数据处理单元,用于根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配,同时将左、右图像匹配好的对应条纹,重建为三维点云数据。
8.一种三维扫描方法,其包括如下步骤:
(1)设备构建:构建由三维模组、两个相机和光源组成三维数字成像传感器,且三维模组、两个相机、光源之间的相对位置固定;
(2)***标定:对左右相机及三维模组进行标定,获得标定参数;
(3)投影与图像采集:生成一幅条纹图案,用光源向被测物体投射,条纹图案被被测物体的高度调制发生变形,产生调制后的条纹图案,左右相机同步采集调制后的条纹图案得到左右图像,三维模组同步采集被测物体的深度图;
(4)条纹匹配:根据所述深度图指导左、右图像条纹进行匹配;
(5)三维重构:将左右图像匹配好的对应条纹,利用左、右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据所述标定参数,将对应点重建为三维点云数据。
9.一种如权利要求8所述的三维扫描方法,其特征在于,所述***标定进一步包括如下步骤:对左右相机进行标定从而获取相机的内外参及相机之间的相对位置对应的旋转平移矩阵Mc,同时标定三维模组与左相机之间的相对位置关系对应的旋转平移矩阵Ms。
10.一种如权利要求8所述的三维扫描方法,其特征在于,所述三维模组为三维扫描模组。
11.一种如权利要求10所述的三维扫描方法,其特征在于,当所述三维扫描模组发射与光源等波长的光时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机分别采集左右图像;所述光源关闭,三维模组向被测物体发射光,然后采集三维深度图像。
12.一种如权利要求10所述的三维扫描方法,其特征在于,当所述三维扫描模组发射的光与光源发射波长的波长不相等时,所述投影与图像采集进一步包括如下步骤:所述光源和三维模组同时向被测物体投射一幅条纹图案,左右相机及三维模组同时采集左右图像及三维深度图像。
13.一种如权利要求9所述的三维扫描方法,其特征在于,所述条纹匹配进一步包括如下步骤:将所述深度图一次反投射到左右图像中,从而实现左右图像线段或条纹的准确匹配。
14.一种如权利要求9所述的三维扫描方法,其特征在于,所述条纹匹配进一步包括如下步骤:
对左右相机图像上的条纹进行中心线提取,然后对每条中心线连通域的分割形成多条独立线段;
将三维模组采集到的深度图根据对应的标定内参换算为自身坐标系下的三维点云坐标(pi);
根据标定三维模组与左相机之间的旋转平移矩阵Ms,将(pi)转换到左相机坐标系下三维点云坐标(qi);
将三维点云坐标(qi)依次根据左右相机各自的内参反投影到左右图像上,每个对应点均有相应的序号,形成左右图像坐标对应的查找表;
遍历左图像上每个条纹线段每个点的所对应的序号,根据查找表可直接查找到右图像相匹配的条纹线段,从而实现左右图像线段或条纹的准确匹配。
15.一种如权利要求14所述的三维扫描方法,其特征在于,所述三维重构进一步包括如下步骤:将左右图像匹配好的对应条纹中心线段,利用左右两个相机的极线几何约束关系,查找对应条纹中心线段中单个点对应关系,然后根据***的标定参数,将对应点对重建为三维点云数据。
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