[發(fā)明專利]計(jì)算機(jī)視覺三維彩色掃描系統(tǒng)及其掃描方式

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 02116507.6
• 申請(qǐng)日: 2002-03-27
• 公開（公告）號(hào): CN1374620A
• 公開（公告）日: 2002-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳開全;王維平;趙磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市特得維技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G06K7/10
• 分類號(hào): G06K7/10;G06T17/00
• 代理公司: 北京科大華誼專利代理事務(wù)所
• 代理人: 呂中強(qiáng)

一、技術(shù)領(lǐng)域????

本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)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(duì)物體空間外形結(jié)構(gòu)和色彩紋理進(jìn)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(jì)算機(jī)能夠直接處理的數(shù)字信號(hào)，提供給機(jī)械行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。

二、背景技術(shù)描述

三維掃描技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的。在工程、醫(yī)學(xué)、影視、服裝、娛樂等行業(yè)領(lǐng)域?qū)θS模型都有很大的需求，而最受歡迎的獲取三維模型的手段就是非接觸式的光學(xué)三維掃描。

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(cè)物體光點(diǎn)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(gè)角度，系統(tǒng)從相對(duì)位置獲取反射信息，通過三角測(cè)距的原理來確定點(diǎn)或群點(diǎn)的三維坐標(biāo)。單點(diǎn)系統(tǒng)是將一束光投射到物體表面上形成一個(gè)點(diǎn)，經(jīng)反射后獲取一個(gè)單點(diǎn)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(diǎn)，描述物體的外圍輪廓。曲線上一系列點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)的三維空間位置都可以通過三角測(cè)量的方法來得到。

有一些單點(diǎn)光學(xué)掃描系統(tǒng)使用直線反射光源檢測(cè)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(gè)點(diǎn)，線狀反射光源檢測(cè)器接收該點(diǎn)的反射回來的光信息通過三角法則來確定該點(diǎn)的三維空間位置。點(diǎn)狀光學(xué)掃描系統(tǒng)每次只能確定一個(gè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，因此，就象我們對(duì)機(jī)械式的系統(tǒng)描述的那樣，點(diǎn)狀光學(xué)掃描系統(tǒng)采集點(diǎn)的速度非常慢，也就是說其掃描速度非常慢，點(diǎn)狀光學(xué)掃描儀的典型應(yīng)用例如工業(yè)工程界。由于機(jī)械式的系統(tǒng)的數(shù)字化的速度很慢并且受到機(jī)械方式的限制，例如光束的移動(dòng)及位置的確定。然而，機(jī)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(diǎn)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(hào)檢測(cè)，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(diǎn)方式的掃描，這樣，系統(tǒng)可以接收多點(diǎn)反饋回來的信息，通過三角測(cè)距的原理確定此系列點(diǎn)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(dòng)的。在掃描過程中，或者是目標(biāo)物體相對(duì)于鏡頭或激光頭移動(dòng)，或者是鏡頭或激光頭相對(duì)于目標(biāo)物體移動(dòng)，或者是目標(biāo)物體和鏡頭或激光頭同時(shí)運(yùn)動(dòng)，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(jī)械裝置來定位。由于使用了機(jī)械裝置定位，所以其掃描有很大的局限性，例如：若一臺(tái)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(duì)于CCD鏡頭的夾角是固定的，系統(tǒng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的柱狀坐標(biāo)系來計(jì)算。數(shù)學(xué)上的簡(jiǎn)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(diǎn)是很依靠旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。同時(shí)，簡(jiǎn)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(shí)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(diǎn)是從單鏡頭獲取的大量的視覺數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(gè)計(jì)算單元的數(shù)字信息處理器將檢測(cè)器連接到一起并且對(duì)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(shí)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(shí)，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(jìn)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(cè)量或者其它從3D物體獲取數(shù)據(jù)的裝置，例如進(jìn)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(shí)都碰到了速度和精度很難協(xié)調(diào)的問題。