一體化三維掃描建模系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，主要由密閉的掃描箱體、自動旋轉(zhuǎn)升降平臺、白光三維測量裝置以及一鍵式三維掃描建模軟件平臺構(gòu)成。密閉的掃描箱體，使得掃描不會產(chǎn)生多余的數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)處理難度；自動旋轉(zhuǎn)升降平臺提高了掃描的數(shù)據(jù)完整性且完全自動化；白光三維測量裝置搭配一鍵式三維掃描建模軟件平臺將三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖等復(fù)雜的流程高度集成，大大簡化了工作流程。
【專利說明】
一體化三維掃描建模系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對物體進行自動化三維掃描建模系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多的接觸數(shù)字化成像技術(shù)，通過攝像機、照相機、熱影像儀等設(shè)備獲取物體的信息，但是這些設(shè)備獲取的一般都是二維的圖形圖像。然而在很多的領(lǐng)域，比如機械制造、三維打印、文物保存、工程檢測等，往往需要獲取物體的三維數(shù)字信息，這就需要通過三維掃描技術(shù)來獲取物體的三維數(shù)據(jù)。
[0003]三維掃描集光、電、機與進算計技術(shù)于一體，可以獲取被掃描物體的空間結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)以及色彩紋理，將其轉(zhuǎn)化為計算機可處理的數(shù)字信息，并且在三維軟件中還原顯示為三維模型。這一技術(shù)打通了真實世界與虛擬世界的通道，使得真實物體可以虛擬再現(xiàn)，或者虛擬模型通過設(shè)計加工之后，在運用三維雕刻、3D打印等三維成型技術(shù)生產(chǎn)出新的物體。如今影視、游戲、建筑、制造、測繪等領(lǐng)域都形成了從二維升級到三維的態(tài)勢，因而三維掃描建模技術(shù)被越來越多的使用。就拿測繪行業(yè)來說，以前對物體的表面位置坐標(biāo)只能用全站儀進行單點測量，現(xiàn)在三維掃描儀卻可以在一秒鐘之內(nèi)獲得物體表面成千上萬點的坐標(biāo)，這種變革可以說是顛覆性的。
[0004]然而目前從三維掃描到三維建模，仍然存在著諸多的不足，各環(huán)節(jié)之間的自動化程度不夠高，需要大量的人工介入，不僅浪費了大量的人工成本和時間成本，而且很多環(huán)節(jié)還會帶來人為誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)不足之處，使三維掃描和三維建模實現(xiàn)一體化、自動化、流程化，本發(fā)明專利創(chuàng)建一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，主要由一個密閉的掃描環(huán)境、自動旋轉(zhuǎn)升降平臺、白光三維測量裝置和一鍵式掃描建模軟件平臺四個模塊組成。
[0006]密閉的掃描環(huán)境的為三維掃描提供一個無噪點、雜點和冗余數(shù)據(jù)的環(huán)境，從而不但提高了數(shù)據(jù)獲取的精度，同時不再需要數(shù)據(jù)處理人員來手動刪除無用數(shù)據(jù)，為后續(xù)自動化建模提供了保證。
[0007]自動旋轉(zhuǎn)升降平臺，可以使放在其上的物體，三維數(shù)據(jù)最大限度的被獲取。一般來說，目前我們要得到一個物體完整的掃描數(shù)據(jù)，需要掃描人員移動物體或者三維掃描儀，從不同的角度來掃描物體，這個過程費時費事，同時也影響了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和精確度。
[0008]白光三維測量裝置可以已拍照的速度快速獲取物體表面三維數(shù)據(jù)，并且當(dāng)環(huán)境物體為黑色是他將不會采集到數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)上述密閉的環(huán)境物體全部為黑色時，采集到的數(shù)據(jù)就只有被測物體，因此可以獲得純凈的數(shù)據(jù)，無需后續(xù)再處理。
[0009]—鍵式掃描建模軟件解決了從掃描到建模目前需要多個軟件、多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、多個工作流程的問題，大大縮短掃描建模的周期。
[0010]具體來說，本發(fā)明專利所述一體化三維掃描建模系統(tǒng)通過以下方案來實現(xiàn):
[0011]A、搭建密閉的掃描環(huán)境。搭建過程和原則如下:
[0012]密閉掃描環(huán)境為箱體，箱體前面為門，為放置、取出、移動被掃描物體的入口 ；右面有白光三維測量裝置的開孔，需做到無縫對接；下面安置一個旋轉(zhuǎn)升降平臺，為放置掃描物體之用。
[0013]除了白光三維測量裝置之外，箱體內(nèi)部所有內(nèi)部構(gòu)件和面為黑色，且表面有一定的粗糙度，不出現(xiàn)反光的效果。
[0014]B、自動旋轉(zhuǎn)升降平臺。
[0015]自動旋轉(zhuǎn)升降平臺，由掃描物體放置平臺、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可以將掃描物體放置在平臺上，然后進行360度旋轉(zhuǎn)和上下升降，確保物體能從各個方向上被掃描，保證數(shù)據(jù)采集的完整性。
[0016]1、掃描物體放置平臺:用于放置被掃描物體，具有適應(yīng)放置不同物體的穩(wěn)定性，且外表面為黑色不反光。
[0017]2、傳動系統(tǒng):需兩個電機，一個驅(qū)動水平360度旋轉(zhuǎn)，另一個驅(qū)動物體上下移動。
[0018]3、控制系統(tǒng):控制傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的角度大小，以及在旋轉(zhuǎn)一周之后，需要變換高度位置時，控制上升的高度。這些參數(shù)的設(shè)定都集成在一鍵式掃描建模軟件中。
[0019]C、白光三維測量裝置。
[0020]白光三維測量裝置由白光投影模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊構(gòu)成。
[0021]1、白光投影模塊:由一個白光投光儀將面結(jié)構(gòu)光的光柵投影到被掃描物體的表面，將物體劃分為不同的區(qū)域。
[0022]2、圖像采集模塊:由兩個工業(yè)相機構(gòu)成，當(dāng)白光投光儀將光柵投射到物體表面時，它們會同時將物體的圖像采集下來。
[0023]3、數(shù)據(jù)處理模塊:這一模塊集成在一鍵式掃描建模軟件中，可以對采集的圖像進行計算，根據(jù)光學(xué)三角法測量原理，通過識別光柵在物體表面發(fā)生的畸變，重現(xiàn)物體表面的三維輪廓。
[0024]D、一鍵式掃描建模軟件。
[0025]—鍵式三維掃描建模軟件能實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到建模貼圖的全套流程，包括了數(shù)據(jù)采集模塊、自動編輯模塊，擬合建模模塊，紋理貼圖模塊。
[0026]1、一鍵采集模塊:只需要點擊“一鍵掃描”就可以執(zhí)行自動掃描，如果中間不打斷后續(xù)的數(shù)據(jù)編輯、你和建模、紋理貼圖都可以自動實現(xiàn)。為了確保掃描質(zhì)量，掃描之前具有掃描參數(shù)設(shè)置功能，如對不同的掃描物體可設(shè)置“自動旋轉(zhuǎn)升降平臺”的每次旋轉(zhuǎn)角度和升降高度；具有預(yù)掃描功能，快速查看物體的掃描質(zhì)量。等到調(diào)整到最佳的掃描狀態(tài)的時候，再執(zhí)行一鍵掃描操作。
[0027]2、自動編輯模塊:自動對掃描的各站三角網(wǎng)數(shù)據(jù)進行降噪、識別并去除無用數(shù)據(jù)，以及將各站數(shù)據(jù)拼接起來，并執(zhí)行整體配準(zhǔn)，降低各站拼接所帶來的誤差。
[0028]3、合成建模模塊:將配準(zhǔn)過后的點云數(shù)據(jù)，合成一個單一整體數(shù)據(jù)，并且將點云封裝成三角網(wǎng)模型；接著對合成的三角網(wǎng)模型進行補洞，成為一個封閉的實體模型；然后軟件會識別模型中的自相交、折射邊、非流形邊、釘狀物、小組件、小通道等錯誤數(shù)據(jù)，并進行修復(fù)；最后軟件對模型進行光順處理和簡化網(wǎng)格，讓模型變的更為光滑，以及在保留模型特征的情況下，減少模型的數(shù)據(jù)量。
[0029]4、紋理貼圖模塊:軟件對前面建成的模型執(zhí)行紋理貼圖，還原模型具有的真實紋理和色彩。
[0030]一體化三維掃描建模系統(tǒng)的有益效果是:
[0031]簡化流程:一體化三維掃描建模系統(tǒng)將三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖等復(fù)雜的流程高度集成在一起，使得以前需要多名工程師甚至多個公司配合完成的工作，集成在一個系統(tǒng)中來完成。
[0032]操作簡單:一體化三維掃描建模系統(tǒng)傻瓜式的操作，大大降低體了技術(shù)門檻，使得一個沒有掃描建?；A(chǔ)的人簡單學(xué)習(xí)即可使用。
[0033]掃描速度快:將被掃描物體置于自動旋轉(zhuǎn)升降的平臺上，通過掃描軟件的控制系統(tǒng)實現(xiàn)與白光三維測量裝置同步協(xié)同工作，這使得掃描的速度和效率大大提高，而不像以往掃描需要多次人工移動掃描物體或者掃描儀的位置才能完成整體物體的掃描。
[0034]解決環(huán)境無用數(shù)據(jù)處理難題:將掃描物體置于密閉箱體環(huán)境之中，且箱體內(nèi)表面和旋轉(zhuǎn)平臺為黑色不反光，使得環(huán)境數(shù)據(jù)不會被采集，從而避免了后續(xù)需要手動刪除環(huán)境數(shù)據(jù)的冗余過程，更利于數(shù)據(jù)的自動拼接和建模。
【附圖說明】
[0035]圖1為一體化三維掃描建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖2為工作流程圖；
[0037]圖3為三維掃描原理圖；
[0038]圖4為花瓶的點云圖；
[0039]圖5為花瓶三角網(wǎng)模型圖；
[0040]圖6為花瓶帶紋理模型圖；
【具體實施方式】
[0041]下面我們結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明作進一步的說明:
[0042]如圖1所示，為一體化三維掃描建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其構(gòu)成如下:
[0043]①是為掃描物體創(chuàng)造密閉掃描環(huán)境的箱體是放置掃描物體的自動旋轉(zhuǎn)升降平臺；③④⑤是白光三維測量裝置，其中③為白光投光儀，④⑤是進行圖像采集的工業(yè)相機；⑥為搭載一鍵式掃描建模軟件的計算機。
[0044]—體化三維掃描建模系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，下面我們從一個實例來說明系統(tǒng)的工作流程和工作原理。
[0045]實例:
[0046]本實例以用一體化三維掃描建模系統(tǒng)掃描一個花瓶為例，具體過程如下:
[0047]1、放置掃描物體:將花瓶放置在自動旋轉(zhuǎn)升降平臺之上，花瓶高為340mm，最寬處為 170mmo
[0048]2、設(shè)置掃描參數(shù)并預(yù)掃描:自動旋轉(zhuǎn)升降平臺每拍攝次的旋轉(zhuǎn)角度為30°，這樣旋轉(zhuǎn)一周需要拍攝12張。設(shè)置花瓶的掃描位置為Omm和340mm高度處。設(shè)置后執(zhí)行預(yù)掃描，參看掃描效果。
[0049]3、啟動一鍵掃描:預(yù)掃描獲得滿意的效果之后，執(zhí)行一鍵掃描操作。
[0050]4、采集數(shù)據(jù):一體化三維掃描建模系統(tǒng)首先啟動白光投光儀將光柵打在花瓶上。光柵穩(wěn)定后兩個工業(yè)照相機同時拍下花瓶。這時候，如圖3所示，系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)三角法測量原理，將光柵的二維坐標(biāo)和光柵在物體表面發(fā)生的畸變進行計算，建立物體表面的三維坐標(biāo)，和顏色信息一并存儲在計算機中。
[0051]第一個角度拍攝完成之后，自動旋轉(zhuǎn)升降平臺旋轉(zhuǎn)30°，依照同樣的方式進行數(shù)據(jù)采集。
[0052]在初始高度位置(Omm)，掃描一周12張圖像采集之后，自動旋轉(zhuǎn)升降平臺升高到340mm的位置，同前面的方法繼續(xù)采集一周。
[0053]5、數(shù)據(jù)處理:
[0054]掃描之后系統(tǒng)將自動對掃描的各站點云數(shù)據(jù)進行降噪，去除無用數(shù)據(jù)，根據(jù)公共部分的紋理信息將24張數(shù)據(jù)拼接起來，之后執(zhí)行整體配準(zhǔn)，獲得更好的拼接精度。掃描獲取的點云數(shù)據(jù)如圖4。
[0055]6、合成建模:
[0056]軟件將配準(zhǔn)后的花瓶點云模型合成，并且就近將三個點連接起來，變成三角網(wǎng)模型，如圖5。
[0057]因為從點云直接連接封裝的三角網(wǎng)模型會錯誤缺陷因此軟件需要對它進行修復(fù)，這時候會自動的執(zhí)行補洞，修復(fù)數(shù)據(jù)的細小缺失，并且修復(fù)自相交、折射邊、非流形邊、釘狀物、小組件、小通道等數(shù)據(jù)錯誤；最后軟件對模型進行光順處理和簡化網(wǎng)格，這一操作是幫助花瓶獲得更好的表面造型，并在保留花瓶曲率特征的情況下，將可以去除和簡化的數(shù)據(jù)進行精簡，獲得更小的數(shù)據(jù)量。
[0058]7、紋理貼圖:
[0059]這一步驟軟件會將相機獲取的顏色紋理映射到模型的表面，還原出花瓶的原有的色彩和紋理，如圖6。
[0060]8、輸出模型:
[0061]最后，軟件花瓶的模型數(shù)據(jù)輸出為obj、stl、ply等格式進行保存，完成整個掃描建模的過程。
【主權(quán)項】
1.一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，集成三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖為一體，其特征在于:包括一個構(gòu)建掃描環(huán)境的箱體、一個自動旋轉(zhuǎn)升降平臺、一套白光三維測量裝置、一臺搭載一鍵式三維掃描建模軟件平臺的計算機。2.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:所述的構(gòu)建掃描環(huán)境的箱體內(nèi)表面為黑色不反光的材質(zhì)，白光三維測量裝置不采集除了被掃描物體之外的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:自動旋轉(zhuǎn)升降平臺內(nèi)置兩個電機，可按一個固定的角度作360°水平旋轉(zhuǎn)，以及作上下升降運動，其控制系統(tǒng)集成在一鍵式三維掃描建模軟件中，與白光三維測量裝置實現(xiàn)協(xié)同工作。4.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:白光三維測量裝置包含一個投影光柵的白光投光儀和兩個進行圖像采集的工業(yè)相機，可以對采集的圖像進行計算，通過識別光柵在物體表面發(fā)生的畸變，重現(xiàn)物體表面的三維輪廓。5.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:所述一鍵式三維掃描建模軟件平臺具有一鍵采集模塊、自動編輯模塊、合成建模模塊、紋理貼圖模塊，能完成自動完成掃描到建模的整個流程。
【文檔編號】G01B11/25GK105987673SQ201510074034
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發(fā)明人】應(yīng)春莉, 李海雄, 張偉
【申請人】北京易景盈達科技有限公司