CN111022883A - 一种可水平移动的三维采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可水平移动的三维采集装置，包括水平轨道和采集架，采集架与水平轨道移动连接；采集架包括立柱和横梁，采集架上设置有图像采集装置；图像采集装置与采集架连接。首次提出采用龙门支架结构，能够采集大型物体三维信息。龙门支架可以拆卸、伸缩，能够适应不同尺寸物体，且拆装方便。

Description

一种可水平移动的三维采集装置

技术领域

本发明涉及物体测量技术领域，特别涉及利用图像进行目标物3D采集和长度等几何尺寸测量技术领域。

背景技术

目前对于大型物体进行3D采集时，通常使用激光扫描，但激光扫描需要对物体进行专门标定，在物体上设置多个标定点，标定过程繁琐。例如在进行车辆外壳扫描时，采用激光扫描仪过度依赖于标定的精度，因此整个标定工作就要持续一两天，工作效率极低。而且受到天气变化影响不适合户外操作。而传统使用图像拍照进行3D采集的设备通常只适用于拍摄小物体。为了拍摄较大物体，也进行了相应探索。例如南加州大学的Digital Emily项目，采用球型支架，在支架上不同位置不同角度固定了上百个相机，从而实现人体的3D采集和建模。但是即使采用这样的设备，也只能采集人体大小的物体3D信息，并且只能用于室内。同时，大量的相机使用导致了整个设备安装、调试的难度非常大，并且设备非常昂贵。而且，目前的采集设备均是针对单一尺寸设计的，一旦物体尺寸有较大变化，就无法工作。

同时本领域为了兼顾合成速度和效果，使用包括旋转角度、目标物尺寸、物距的经验公式限定相机位置，然而在实际应用中发现：除非有精确量角装置，否则用户对角度并不敏感，难以准确确定角度；目标物尺寸难以准确确定，特别是某些应用场合目标物需要频繁更换，每次测量带来大量额外工作量，并且需要专业设备才能准确测量不规则目标物。测量的误差导致相机位置设定误差，从而会影响采集合成速度和效果；准确度和速度还需要进一步提高。。

因此，本领域急需能够快速、精确采集车辆等大型物体3D信息的，使用方便、成本低的设备，特别是能够适应不同大小的物体。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的采集设备。

本发明提供了一种可水平移动的三维采集装置，包括水平轨道和采集架，采集架与水平轨道移动连接；

采集架包括立柱和横梁，采集架上设置有图像采集装置；

图像采集装置与采集架连接；

图像采集装置的位置满足：

μ＜0·482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

可选的，立柱包括多节，为组合式或伸缩式。

可选的，横梁包括多节，为组合式或伸缩式。

可选的，图像采集装置通过直线移动装置与采集架连接。

可选的，图像采集装置通过转动装置与采集架连接。

可选的，每节立柱上设置一个或多个图像采集装置。

可选的，每节横梁上设置一个或多个图像采集装置。

可选的，图像采集装置为照相机或摄像机。

可选的，相邻两节立柱或横梁具有锁定装置。

可选的，水平轨道下方具有水平移动装置。

发明点及技术效果

1、首次提出采用龙门支架结构，能够采集大型物体三维信息。

2、龙门支架可以拆卸、伸缩，能够适应不同尺寸物体，且拆装方便。

3、相机在龙门支架上可移动、转动，从不同角度采集物体三维信息，且龙门支架可以在轨道上水平移动，避免过多使用相机。

4、整个设备可以移动，方便户外使用。

5、通过优化相机位置，兼顾了3D合成的速度和效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的可水平移动的三维采集设备的立体结构示意图；

附图中各部件与附图标记的对应关系如下：

1 水平轨道，2 采集架，3 立柱，4 横梁，5 平移装置，6 图像采集装置，7 旋转装置。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

装置结构

为解决上述技术问题，本发明的一实施例提供了一种可水平移动的三维采集设备。如图1所示，具体包括：水平轨道1和采集架2。

其中采集架为龙门式，包括立柱3和横梁4。立柱为多节组合而成，各节之间可以相互拆装、伸缩。相邻两节之间具有锁定螺钉。在相邻两节立柱位置达到预定位置后，紧固锁定螺钉，使得两者位置相对固定。横梁也为多节组合而成，各节之间可以相互拆装、伸缩。相邻两节之间具有锁定螺钉。在相邻两节横梁位置达到预定位置后，紧固锁定螺钉，使得两者位置相对固定。锁定螺钉可以采用螺纹紧固型，也可以用插销式。

每节立柱设置有沿垂直方向的平移装置5，例如采用如下型号的直线型丝杆滑台：

型号：FSL80

滑台有效行程:100mm～1500mm

使用电机:60步进电机

丝杆规格:G1610

定位精度:0.05mm

图像采集装置6可以直接安装在滑台上，镜头对准目标物，根据控制随滑台垂直移动，从而从不同位置采集目标物的图像。这样可以减少垂直方向上图像采集装置需求的数量，通过不同时刻的移动来代替多个相机。

每节立柱设置有旋转装置7，例如采用如下型号的电动旋转台：

产品型号：HT03RA100

行程：360°

传动方式：蜗轮蜗杆

分辨率：0.01°

最大速度：25°/s

定位精度：0.005°

电动旋转台转动方向为俯仰式，即台面平行于竖直方向安装在立柱3上。图像采集装置6可以直接安装在电动旋转台上，根据控制随旋转台俯仰转动，从而从不同方向采集目标物的图像。这样可以减少垂直方向上图像采集装置6需求的数量，通过不同时刻的转动来代替多个相机。

为了更佳的效果，可以将图像采集装置6安装在电动旋转台上，镜头对准目标物，电动旋转台安装在丝杆滑台上，丝杆滑台安装在立柱3上。从而实现丝杆滑台带动电动旋转台沿竖直方向平移，电动旋转台带动图像采集装置6俯仰转动。这样，可以对图像采集装置在竖直方向和俯仰方向进行二维调整，采集物体信息更加全面。

同样道理，每节横梁4设置有沿横梁水平方向的平移装置5，同样可以采用FSL80直线型丝杆滑台。图像采集装置6可以直接安装在滑台上，镜头对准目标物，根据控制随滑台沿横梁4方向水平移动，从而从不同位置采集目标物的图像。这样可以减少水平方向上图像采集装置需求的数量，通过不同时刻的移动来代替多个相机。

每节横梁设置有旋转装置7，例如采用HT03RA100电动旋转台。电动旋转台转动方向为左右摆动式，摆动方向沿着与横梁4平行的方向，即台面平行于竖直方向，且平行于横梁方向安装在横梁4上。图像采集装置6可以直接安装在电动旋转台上，根据控制随旋转台左右转动，从而从不同方向采集目标物的图像。这样可以减少水平方向上图像采集装置6需求的数量，通过不同时刻的转动来代替多个相机。

为了更佳的效果，可以将图像采集装置6安装在电动旋转台上，电动旋转台安装在丝杆滑台上，丝杆滑台安装在横梁4上。从而实现丝杆滑台带动电动旋转台沿横梁4水平方向平移，电动旋转台带动图像采集装置6左右转动。这样，可以对图像采集装置6在水平方向和左右俯仰方向进行二维调整，采集物体信息更加全面。

可以理解，每节立柱3或横梁4上可以设置多台相机，例如可以在上述方案的基础上，通过组合件将多台相机并排，并将组合件固定在电动转台或丝杠滑台上，这样可以提高信息采集的效率。

图像采集装置6可以为工业相机、普通相机、摄像机等。例如可以采用索尼DSC-HX400、海康威视DS2CD3T56WD等。

在每个立柱3上设置有在竖直方向垂直于立柱的光源安装杆，每个光源安装杆两端分别设置一组光源，每组光源照射范围大于对应相机的视场范围。这样，在每个光源安装杆上的两组光源分别从近似水平方向的不同角度照射目标物，上下相邻的光源安装杆上的光源分别从近似竖直方向的不同角度照射目标物，这样，避免单一光源产生的阴影问题。

在每个横梁4上设置有在水平方向垂直于立柱的光源安装杆，每个光源安装杆两端分别设置一组光源，每组光源照射范围大于对应相机的视场范围。这样，在每个光源安装杆上的两组光源分别从前后两个方向照射目标物，左右相邻的光源安装杆上的光源分别从左右两个方向照射目标物，这样，避免单一光源产生的阴影问题。

特别是，在横梁4和立柱3上均设置多组光源，从而从空间不同角度照亮目标物，最大程度避免了阴影问题。优选，光源也可以安装在平移装置5和/或旋转装置7上，从而调整光源的照射范围。

光源为LED灯，但也可以设置智能光源，例如可以根据需要选择不同的光源亮度、亮灭等。光源用来照亮目标物，防止环境光过暗影响采集效果和精度。但同时也要防止光源过亮，导致目标物纹理信息损失。

采集架2与水平轨道1连接，采集架2可以在水平轨道1上沿水平方向平移，这样对于较长的目标物，可以通过移动采集架分别采集目标物前后不同位置的信息，从而能够合成完整的三维信息，避免在水平方向使用过多的相机。

装置还可以包括处理器，也称处理单元，用以根据图像采集装置采集的多个图像，根据3D合成算法，合成目标物3D模型，得到目标物3D信息。

图像采集装置位置优化

在进行3D采集时，图像采集装置在不同采集位置光轴方向相对于目标物不发生变化，通常大致垂直于目标物表面，此时相邻两个图像采集装置的位置，或图像采集装置相邻两个采集位置满足如下条件：

μ＜0·482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

当上述两个位置是沿图像采集装置感光元件长度方向时，d取矩形长度；当上述两个位置是沿图像采集装置感光元件宽度方向时，d取矩形宽度。

图像采集装置在上述两个位置中的任何一个位置时，感光元件沿着光轴到目标物表面的距离作为M。

如上所述，L应当为两个图像采集装置光心的直线距离，但由于图像采集装置光心位置在某些情况下并不容易确定，因此在某些情况下也可以使用图像采集装置的感光元件中心、图像采集装置的几何中心、图像采集装置与云台(或平台、支架)连接的轴中心、镜头近端或远端表面的中心替代，经过试验发现由此带来的误差是在可接受的范围内的，因此上述范围也在本发明的保护范围之内。

利用本发明装置，进行实验，得到了如下实验结果。

从上述实验结果及大量实验经验可以得出，μ的值应当满足μ<0.482，此时已经能够合成部分3D模型，虽然有一部分无法自动合成，但是在要求不高的情况下也是可以接受的，并且可以通过手动或者更换算法的方式弥补无法合成的部分。特别是δ的值满足μ<0.353时，能够最佳地兼顾合成效果和合成时间的平衡；为了获得更好的合成效果可以选择μ<0.213，此时合成时间会上升，但合成质量更好。而当μ为0.5151时，已经无法合成。但这里应当注意，以上范围仅仅是最佳实施例，并不构成对保护范围的限定。

以上数据仅为验证该公式条件所做实验得到的，并不对发明构成限定。即使没有这些数据，也不影响该公式的客观性。本领域技术人员可以根据需要调整设备参数和步骤细节进行实验，得到其他数据也是符合该公式条件的。

本发明所述的相邻采集位置是指，在图像采集装置相对目标物移动时，移动轨迹上的发生采集动作的两个相邻位置。这通常对于图像采集装置运动容易理解。但对于目标物发生移动导致两者相对移动时，此时应当根据运动的相对性，将目标物的运动转化为目标物不动，而图像采集装置运动。此时再衡量图像采集装置在转化后的移动轨迹中发生采集动作的两个相邻位置。

上述目标物体、目标物、及物体皆表示预获取三维信息的对象。可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。例如可以为车辆、大型雕塑等。所述目标物的三维信息包括三维图像、三维点云、三维网格、局部三维特征、三维尺寸及一切带有目标物三维特征的参数。本发明里所谓的三维是指具有XYZ三个方向信息，特别是具有深度信息，与只有二维平面信息具有本质区别。也与一些称为三维、全景、全息、三维，但实际上只包括二维信息，特别是不包括深度信息的定义有本质区别。

本发明所说的采集区域是指图像采集装置(例如相机)能够拍摄的范围。本发明中的图像采集装置可以为CCD、CMOS、相机、摄像机、工业相机、监视器、摄像头、手机、平板、笔记本、移动终端、可穿戴设备、智能眼镜、智能手表、智能手环以及带有图像采集功能所有设备。

以上实施例获得的目标物多个区域的三维信息可以用于进行比对。可以理解，这种比对也可以用于古董、艺术品等固定财产的鉴别，即先获取古董、艺术品多个区域的三维信息作为标准数据，在需要鉴定时，再次获取多个区域的三维信息，并与标准数据进行比对，鉴别真伪。以上实施例获得的目标物多个区域的三维信息可以用于为该目标物设计、生产、制造配套物。例如，获得人体口腔、牙齿三维数据，可以为人体设计、制造更为合适的假牙。以上实施例获得的目标物的三维信息也可以用于对该目标物的几何尺寸、外形轮廓进行测量。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的基于本发明装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种可水平移动的三维采集装置，其特征在于：包括水平轨道和采集架，采集架与水平轨道移动连接；

采集架包括立柱和横梁，采集架上设置有图像采集装置；

图像采集装置与采集架连接；

图像采集装置的位置满足：

μ＜0.482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件的矩形长度；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

2.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：立柱包括多节，为组合式或伸缩式。

3.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：横梁包括多节，为组合式或伸缩式。

4.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：图像采集装置通过直线移动装置与采集架连接。

5.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：图像采集装置通过转动装置与采集架连接。

6.如权利要求2所述的采集装置，其特征在于：每节立柱上设置一个或多个图像采集装置。

7.如权利要求3所述的采集装置，其特征在于：每节横梁上设置一个或多个图像采集装置。

8.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：图像采集装置为照相机或摄像机。

9.如权利要求2或3所述的采集装置，其特征在于：相邻两节立柱或横梁具有锁定装置。

10.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于：水平轨道下方具有水平移动装置。

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