專利名稱：計算機視覺三維彩色掃描系統(tǒng)及其掃描方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算機視覺三維立體彩色掃描系統(tǒng)，采用普通光與激光相結(jié)合的復(fù)合式技術(shù)，用于對物體空間外形結(jié)構(gòu)和色彩紋理進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)和色彩信息。將這些信息轉(zhuǎn)換為計算機能夠直接處理的數(shù)字信號，提供給機械行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。
目前有幾種類型的光學(xué)掃描儀，歸納起來可以分成兩類基于三角原理的系統(tǒng)和外輪廓投影的系統(tǒng)。
基于三角原理的系統(tǒng)是通過將線狀光線投射到物體表面再反射回接收裝置，來得出投射在被測物體光點的三維空間位置。通常，反射回來的光線和光源發(fā)出的光線之間存在一個角度，系統(tǒng)從相對位置獲取反射信息，通過三角測距的原理來確定點或群點的三維坐標(biāo)。單點系統(tǒng)是將一束光投射到物體表面上形成一個點，經(jīng)反射后獲取一個單點的反射信息。線狀掃描系統(tǒng)是將一束線狀光源投射到物體表面，反射形成排成曲線一系列的點，描述物體的外圍輪廓。曲線上一系列點每個點的三維空間位置都可以通過三角測量的方法來得到。
有一些單點光學(xué)掃描系統(tǒng)使用直線反射光源檢測器來獲取目標(biāo)物體的信息。在這樣一些系統(tǒng)中通常都是由一束激光投射到物體表面形成一個點，線狀反射光源檢測器接收該點的反射回來的光信息通過三角法則來確定該點的三維空間位置。點狀光學(xué)掃描系統(tǒng)每次只能確定一個點的三維空間坐標(biāo)，因此，就象我們對機械式的系統(tǒng)描述的那樣，點狀光學(xué)掃描系統(tǒng)采集點的速度非常慢，也就是說其掃描速度非常慢，點狀光學(xué)掃描儀的典型應(yīng)用例如工業(yè)工程界。由于機械式的系統(tǒng)的數(shù)字化的速度很慢并且受到機械方式的限制，例如光束的移動及位置的確定。然而，機械式的可以得到很高的系統(tǒng)精度，掃描頭可以被高精度的安裝固定，但是成本高，速度慢，缺少適用性，因此，點狀光學(xué)掃描儀通常都在有限的范圍內(nèi)應(yīng)用。
線狀光學(xué)掃描系統(tǒng)突破了以三角原理的掃描速度上的瓶頸，此類系統(tǒng)使用典型的2D圖像處理方法，例如使用CCD鏡頭作信號檢測，系統(tǒng)將線狀光束投射到物體表面上，例如激光條紋，取代單點方式的掃描，這樣，系統(tǒng)可以接收多點反饋回來的信息，通過三角測距的原理確定此系列點的三維空間坐標(biāo)，來描述該掃描區(qū)域的物體的三維輪廓信息。具體到某一線性光學(xué)原理的設(shè)備上，有些是帶有旋轉(zhuǎn)臂的，有些設(shè)備上的CCD鏡頭是可以移動的。在掃描過程中，或者是目標(biāo)物體相對于鏡頭或激光頭移動，或者是鏡頭或激光頭相對于目標(biāo)物體移動，或者是目標(biāo)物體和鏡頭或激光頭同時運動，在任何情況下，此類系統(tǒng)通常依賴于那種固定式的旋轉(zhuǎn)裝置和經(jīng)常使用體積非常大的、具有高精度的機械裝置來定位。由于使用了機械裝置定位，所以其掃描有很大的局限性，例如若一臺設(shè)備用來掃描籃球那么大小物體的掃描儀就不能夠掃描摩托車大小的物體。
現(xiàn)在有一些利用三角原理的激光掃描系統(tǒng)的局限性則更大，原因在于激光條紋打在目標(biāo)物體的表面上，反射光線相對于CCD鏡頭的夾角是固定的，系統(tǒng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)平臺的柱狀坐標(biāo)系來計算。數(shù)學(xué)上的簡化導(dǎo)致此類投影系統(tǒng)的的硬件部分變的復(fù)雜化，而且其特點是很依靠旋轉(zhuǎn)平臺。同時，簡化的幾何體也不能非常好的重定義和重建拓?fù)浞浅?fù)雜的物體，例如在物體上有孔洞等(例如帶把的茶壺)。在現(xiàn)有的利用三角原理的激光掃描系統(tǒng)中還沒有實現(xiàn)沒有局限性的掃描裝置。
另外一種可選擇的掃描系統(tǒng)是側(cè)面影像方法(普通光掃描)。利用側(cè)面影像方法，目標(biāo)的重點是從單鏡頭獲取的大量的視覺數(shù)據(jù)點，獲取的大量的物體的圖像與物體相關(guān)角度相關(guān)聯(lián)，并且這些大量的圖像信息描述了物體的表面部分。包括各個計算單元的數(shù)字信息處理器將檢測器連接到一起并且對這些圖像信息作出響應(yīng)，確定該物體外曲面部分的三維空間信息和相關(guān)的圖像信息。該數(shù)據(jù)同時包括物體的幾何空間信息和物體表面的色彩信息，全部基于側(cè)面影像的方法(普通光掃描)來獲取物體的三維空間模型。
使用單純的側(cè)面影像方法(普通光掃描)時，三維模型的重建是依賴于被掃描物體的外輪廓線的，任何凹進去的部分都很難表達(dá)出來，所以物體的凹面部分就不能通過使用側(cè)面影像的方法來獲取了。
總之，用來掃描、測量或者其它從3D物體獲取數(shù)據(jù)的裝置，例如進行三維重建，在速度和精度上很難兼顧。無論是利用三角原理還是利用側(cè)面影像的原理同時都碰到了速度和精度很難協(xié)調(diào)的問題。
因此，用來掃描、測量或者其它從3D物體獲取數(shù)據(jù)的裝置，從3D實物快速地、精確地獲取3D數(shù)據(jù)、生成點云，就比以前的系統(tǒng)有了很大的改進。如果該裝置在不需要大型計算機系統(tǒng)的情況下能夠快速地的完成從點云收集、計算、建立3D模型，那么也可以說該系統(tǒng)是非常先進的。
本發(fā)明提供了一種掃描系統(tǒng)，該方法可以實現(xiàn)快速地對目標(biāo)物體測量及外型、邊界、色彩和紋理貼圖的處理，并且快速實現(xiàn)圖像顯示、圖形處理和模型建立等。由于可以精確地快速獲取被掃描物體的基本信息，本發(fā)明特別適合用于需要高速、高精度彩色三維掃描測量的場合。
利用激光成像技術(shù)，利用三角測距的原理，獲取物體表面測量點的準(zhǔn)確坐標(biāo)值，由此生成大量的三維幾何數(shù)據(jù)。
將普通光掃描和激光掃描生成的數(shù)據(jù)自動迭加復(fù)合，在不同位置掃描出來的數(shù)據(jù)也能夠進行計算機自動迭加，從而得到準(zhǔn)確完善的三維數(shù)據(jù)。
應(yīng)用軟件將掃描得到的點云數(shù)據(jù)自動進行幾何特征的識別和3D幾何模型的重建。
將激光掃描系統(tǒng)集成到利用外輪廓識別的設(shè)備上是本發(fā)明的首要目標(biāo)。本項發(fā)明的要點在于激光三維掃描和普通光掃描(利用側(cè)面輪廓技術(shù))的三維重建都是基于光線追蹤(ray-tracing)原理。將這兩種技術(shù)的基本部分集成為一體，形成新的3D重建體系，這樣就可以適合于復(fù)雜的目標(biāo)物體的掃描，并且提供了可調(diào)、高速的三維掃描和3D重建手段。集成后的產(chǎn)品可以進行高速、高精度的3D掃描和3D建模系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一個要點是提供了一種基于特征的校正方式，利用被掃描物體的幾何體的整體模型特征(例如球或立方體形狀)和非線性優(yōu)化技術(shù)，新的校正方法為整個系統(tǒng)提供了精確的校正參數(shù)。
第二要點就是提供了3D/2D相關(guān)聯(lián)的3D模型重建手段，使用關(guān)聯(lián)特性，3D建模過程可以在2D的環(huán)境下修改，即2D和3D是相關(guān)聯(lián)的，這樣，可以顯著地提高建模速度。在此技術(shù)中利用到了容錯分析容錯分析(error-tolerance)，近距分析(near-distance)和光線追蹤(ray-cutting)算法，本手段可以避免任何系統(tǒng)錯誤，并且能夠保證優(yōu)化建模過程。
第三要點是在進行3D模型重建時提供了一體化曲面成型技術(shù)。與其他3D建模分為兩步的方式相反，一體化曲面成型算法將3D點云生成和3D曲面重建合并成一步。在3D模型數(shù)據(jù)的生成過程中，本系統(tǒng)能夠自動的生成基于多邊型網(wǎng)格面(Polygons)的曲面模型。此技術(shù)將3D建模的速度成倍提高。
第四要點是本項技術(shù)提供了一種新穎的基于矢量的子像素邊界檢測手段，用來提高系統(tǒng)測量精度。本算法將黑白灰度級邊界檢測擴展到了彩色灰度級邊界檢測。通過使用基于彩色矢量的灰度級空間要素邊界檢測算法，子像素的精度可以比當(dāng)前其它邊界檢測技術(shù)要提高10～100倍。
第五要點是本發(fā)明使用的激光掃描系統(tǒng)是由點狀激光掃描而形成的線狀激光束，具有點光源高精度的優(yōu)點，同時又具有線狀激光光源的高速度的優(yōu)勢。
第六要點是本系統(tǒng)一共有五維運動，激光頭和CCD鏡頭可以在Z方向上下移動，轉(zhuǎn)臺可以在X、Y平面平動，又可以自由轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)臺上又設(shè)有智能夾具，可以根據(jù)掃描進行情況進行旋轉(zhuǎn)，完全避免掃描死角的存在。
第七要點是本系統(tǒng)提供了一體化人工智能建模方式，可以根據(jù)掃描得到的點云特征自動生成三維幾何特征，例如圓、橢圓、長方形、錐形等等，可以極大的縮短建模時間。
(1)點云資料的前置處理，消除噪音點，并用Cut功能將其余噪音點清除，將點云作適當(dāng)?shù)暮Y減，除可避免因點云過多造成表面有抖動現(xiàn)象外，更可縮短計算機運算時間，故可利用Data Processing下的DATA Reduction功能將點云資料篩減一半。
(2)點、線、面的建立與修改，曲面的建立可用wrap surface.、Coons surface、connect surface等功能；曲面的編輯方面，可用repair surface來改變曲面的階數(shù)與控制點，而refit surface則可將曲面與點資料間的誤差降低。利用這些功能即可將曲面模型建立出來(3)曲面分析，在曲面繪制的過程中，可隨時由Analysis下的功能，將曲面的品質(zhì)作分析，以了解曲面的平滑度與精確度。
3.圖檔轉(zhuǎn)換與應(yīng)用(1)使用者可將已建好的圖檔，在DigiSurf中存成IGES或STL文件格式。
(2)IGES文件格式，可將IGES文件轉(zhuǎn)給UG、IDEAS、PRO-E等具曲面功能的CAD軟件做機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與模具設(shè)計。也可將IGES文檔傳給UG、Cimatron、MasterCAM、VisioCAM等計算機輔助制造軟件，做刀具路徑的設(shè)定，產(chǎn)生數(shù)控代碼，再送到數(shù)控機床將實體模型加工出來。
(3)STL文件格式，可將STL文檔經(jīng)由曲面斷層處理后，直接由快速成型方式，將實體模型制作出來。
圖2是系統(tǒng)軟件構(gòu)成首先從目標(biāo)物體收集3D數(shù)據(jù)，存儲并且使用表的形式來描述幾何特征和尺寸；得到多種形式的數(shù)據(jù)，點云，框架線，實體曲面和紋理貼圖?？梢匀我夥糯?縮小，旋轉(zhuǎn)和移動來觀察此3D數(shù)據(jù)。
交互式圖形界面提供了一系列數(shù)據(jù)選取功能。這些工具包括點一點選擇，長方行、多邊形區(qū)域選擇或根據(jù)特征選擇。
用戶界面還提供了系列過濾功能，可根據(jù)此處理點云數(shù)據(jù)，包括點云光順，篩減，變換，旋轉(zhuǎn)，增加或刪除等功能。
軟件界面還提供了實體建模組件的一系列工具，例如球，柱體等等?？梢赃x擇一個希望要設(shè)計的組件形式，指定(客戶化)模型參數(shù)，該模型就按照指定的數(shù)據(jù)變化。
可以在軟件界面觀看和檢查修改后的模型數(shù)據(jù)顯示情況，如果不滿意，還可以直接修改模型，或者選擇另外的幾何模型直到滿意。
還可以進行模型數(shù)據(jù)其他建模過程直到完成整個CAD數(shù)據(jù)模型。
圖3是3D模型三維重建過程圖4a-4b是激光與普通光掃描原理圖(1).系統(tǒng)首先初始化一個立方體的空間，確保此空間要比要掃描的目標(biāo)物體的體積要大。在掃描目標(biāo)物體的過程中，我們利用此空間裝載掃描物體，在每轉(zhuǎn)一個微小角度，系統(tǒng)記錄下其側(cè)面輪廓的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)一直記錄下每一個側(cè)面輪廓直至掃描過程結(jié)束，此所謂系統(tǒng)采樣過程。
(2).迭加側(cè)面輪廓圖形(2a)系統(tǒng)獲取的每一個輪廓邊界都定義成圖像采樣邊界條件，邊界是由若干輪廓邊界所組成，有一些輪廓線在物體邊界之內(nèi)，有些在物體邊界之外。我們由此定義了外邊界輪廓線和內(nèi)邊界輪廓線。
(2b)從第一個外邊界輪廓線開始，將每一個輪廓線迭加在一起。
(i)鏡頭攝入物體反射光形成輪廓線的頂點連線。(圖4a).
(ii)計算所有掃描模型的所有曲面反射光上的反射點。
(iii)迭加所有模型曲面將當(dāng)前曲面上所有反射點集中，生成二維多邊形，同時也收集其狀態(tài)，例如其是否投影到模型中，或模型外。這些信息將會在第(iv)步中用到。在二維環(huán)境中將當(dāng)前曲面的反射點執(zhí)行交集操作。如果是外邊界輪廓，取多邊形的交集取代當(dāng)前曲面，成為新生成模型的曲面(圖4b(i))。如果是內(nèi)邊界輪廓，就從當(dāng)前曲面減掉，反射點多邊行組成了新的模型曲面。(圖4b(ii))圖5是子像素邊界檢測原理圖(iv)將所有反射光所組成輪廓迭加。
首先從最開始的兩條光線開始。
基于內(nèi)—外—對反射點構(gòu)造新曲面。
(2c).所有新構(gòu)造的曲面重新定義形成新的全封閉的3D模型。
(2d).繼續(xù)迭加所有輪廓。
(3).合并所有剩余輪廓，完成目標(biāo)物體3D模型的構(gòu)件。
圖6a-6b是產(chǎn)品系列的系統(tǒng)組成圖本發(fā)明開發(fā)了兩種類型的產(chǎn)品，分別為工業(yè)上使用的計算機視覺三維彩色掃描系統(tǒng)TriView 2.0和人體彩色三維掃描系統(tǒng)Bio 1.0。
本發(fā)明所采用的方法，具有獨特的復(fù)合式的三維掃描方式，集激光掃描、普通光掃描、高精度三維模型重建、復(fù)雜3D模型再生成為一體的復(fù)合式的掃描系統(tǒng)，在掃描精度、掃描速度、三維信息獲取能力、色彩信息獲取能力、掃描對象的廣泛性和易用性。
權(quán)利要求
1.一種三維掃描系統(tǒng)，包括普通光掃描和激光掃描，其特征在于采用普通光進行掃描和目標(biāo)物體的三維模型輪廓的識別；利用目標(biāo)物體的外型輪廓構(gòu)型，進行三維模型的重建；在攝像裝置拍攝到的每張圖片基于系統(tǒng)坐標(biāo)系進行疊加；生成物體基本的外型，即生成三維模型；在輪廓識別的同時，通過攝像裝置獲取物體表面的色彩信息得到被掃描物體的三維紋理貼圖；兩者合成，即形成了初步的三維彩色模型利用激光成像技術(shù)和三角測距的原理，獲取物體表面測量點的準(zhǔn)確坐標(biāo)值，由此生成大量的三維幾何數(shù)據(jù)；將普通光掃描和激光掃描生成的數(shù)據(jù)自動迭加復(fù)合，在不同位置掃描出來的數(shù)據(jù)進行計算機自動迭加，從而得到準(zhǔn)確完善的三維數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，其中具有一種基于特征的校正方式，利用被掃描物體的幾何體的整體模型特征和非線性優(yōu)化技術(shù)，為整個系統(tǒng)提供精確的校正參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，其中具有3D/2D相關(guān)聯(lián)的3D模型重建手段，3D建模過程在2D的環(huán)境下修改。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，其中具有在進行3D模型重建時提供了一體化曲面成型技術(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，其中具有一種基于矢量的子像素邊界檢測方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，在于系統(tǒng)使用的激光掃描系統(tǒng)是由點狀激光掃描而形成的線狀激光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的三維掃描系統(tǒng)，在于本系統(tǒng)一共有五維運動，激光頭和CCD鏡頭可以在Z方向上下移動，轉(zhuǎn)臺可以在X、Y平面平動，又可以自由轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)臺上又設(shè)有智能夾具，可以根據(jù)掃描進行情況進行旋轉(zhuǎn)，完全避免掃描死角的存在。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計算機視覺三維立體彩色掃描系統(tǒng),采用普通光進行掃描和目標(biāo)物體的三維模型輪廓的識別,利用目標(biāo)物體的外型輪廓構(gòu)型,進行三維模型的重建,在攝像裝置拍攝到的每張圖片基于系統(tǒng)坐標(biāo)系進行疊加,生成物體基本的外型,即生成三維模型。在輪廓識別的同時,通過攝像裝置獲取物體表面的色彩信息,即得到被掃描物體的三維紋理貼圖。兩者合成,即形成了初步的三維彩色模型。利用激光成像技術(shù),利用三角測距的原理,獲取物體表面測量點的準(zhǔn)確坐標(biāo)值,由此生成大量的三維幾何數(shù)據(jù)。將普通光掃描和激光掃描生成的數(shù)據(jù)自動迭加復(fù)合,在不同位置掃描出來的數(shù)據(jù)也能夠進行計算機自動迭加,從而得到準(zhǔn)確完善的三維數(shù)據(jù)。
文檔編號G06K7/10GK1374620SQ0211650
公開日2002年10月16日 申請日期2002年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
發(fā)明者陳開全, 王維平, 趙磊 申請人:深圳市特得維技術(shù)有限公司