[發明專利]一種手持式快速三維掃描系統及方法

在審

• 申請號: 201710036258.0
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106898022A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 徐淵;姚浩東;鄭炯彬;王亞洲
• 申請（專利權）人: 徐淵
• 主分類號: G06T7/55
• 分類號: G06T7/55;G06T7/246;G06T17/00
• 代理公司: 深圳市瑞方達知識產權事務所(普通合伙)44314
• 代理人: 林儉良,劉潔

技術領域

本發明涉及三維建模領域，尤其涉及一種手持式快速三維掃描系統及方法。

背景技術

三維模型是物體的三維多邊形表示方式，通常有可以用電腦或影片展示的電子版和用于直觀展示實物大小、觸感的實物兩種。生成三維模型的方法有許多種，大體分為手動和自動兩大類型。手動建模有精度高，自由度高的特點，但是由于建模軟件的復雜性與耗時大的缺點，適用的場景局限。而自動建模則通過攝像頭、超聲波等方式大量采集物體的三維信息，并經過一系列算法后自動生成三維模型。該方法由于完全不需要人為介入，所以大量地應用在機器人上，比如SLAM(即時定位與地圖構建)。隨著三維模型越來越廣泛地應用在自動駕駛、無人機避障、人機交互、虛擬現實等領域，通過掃描并采集物體/場景圖像從而建模的這一算法流程也越來越重要。

采集物體三維坐標點的方法主要有兩種：接觸式與非接觸式，而后者有可分為主動掃描與被動掃描兩種。前者大量應用于早期工業快速反求工程中，但由于接觸式掃描會在一定程度上對原物體造成損壞，因此并不適用與貴重物體或脆弱物體的掃描。另外相對與別的方式，接觸式方法要求掃描周期更長。

非接觸被動式掃描，并不投射額外能量到物體上，取而代之的是通過采集被測物體表面反射的自然光的方法已達到測量的目的。實際采集過程中，手持攝像機緩慢地環繞物體進行拍攝，通過特征點、多視圖幾何或者鏡頭姿態解算等方法對實際物體進行建模。現有技術中，通過提取清晰輪廓的方法來解決單目環繞掃描時會出現的環缺失問題(Loop closure problem)和累計誤差，從而得到精度較高、質量較好的三維模型。由于整個算法都是基于累計誤差較小的前提下，也就是說攝像頭移動范圍小，速度慢的限制條件，所以該算法也只使用于較小物體的掃描。

而立體視覺法也是非接觸式被動掃描方法中研究的重要內容之一，其方式是通過雙目系統采集多幅圖像，并根據同一時間拍攝的兩幀圖像中同一物體的位置差計算出深度圖從而進行三維重構。該方法由于只用到兩個攝像頭，結構模型也相對簡單而成本也低，所以立體算法是在視覺算法中最被常用的方法。但是由于其原理是在左右畫面中尋找同一特征點的位置差，因此在紋理簡單或者物體遮擋區域完全失效。

現有的雙目掃描方案通常使用額外再被掃描物體上粘貼用于輔助識別的標記點或者向被掃描物體上投射線激光等方式來提高掃描精度和降低算法復雜度。

另外由于激光條紋對于雙目采集圖像的影響，該方法也無法準確還原出物體的色彩。該方法較之主動式掃描方法精度差，但由于其受自然光照影響較小的原因，更適用于自然光照條件下高紋理的戶外環境建模。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，提供一種可實現快速、無粘貼標記且帶色彩還原的三維建模效果的手持式快速三維掃描系統及方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：本發明提供一種手持式快速三維掃描系統，包括手持主體、按設定距離設置在所述手持主體上的深度相機和色彩相機、獲取所述手持主體實時姿態數據的姿態獲取模塊、以及融合模塊；

所述深度相機用于采集被測物體的實時深度圖像數據；所述色彩相機用于采集被測物體的實時色彩圖像數據；

所述融合模塊與所述深度相機、色彩相機和姿態獲取模塊連接，用于融合同一時刻的所述實時深度圖像數據、實時色彩圖像數據和實時姿態數據，以得到三維圖像數據。

優選的，所述手持主體包括上部空腔、以及連接支撐所述上部空腔的手柄；

所述深度相機和色彩相機并排緊鄰設置在所述上部空腔中，以基本消除所述深度相機和色彩相機采集的圖像視差。

優選的，所述姿態獲取模塊包括設置在所述手柄中的第一感測單元、和/或設置在所述上部空腔中的第二感測單元；所述第一感測單元和/或第二感測單元包括陀螺儀、加速度傳感器、地磁儀中的一個或多個；或者

所述姿態獲取模塊包括姿態運算單元，用于計算相鄰幀圖像的移動以獲取所述實時姿態數據。

優選的，所述融合模塊包括超像素還原單元，用于將所述實時深度圖像數據與所述實時色彩圖像數據建立關聯，為所述實時色彩圖像數據的每個像素賦予對應的所述實時深度圖像數據，以得到三維色彩點云。

優選的，所述融合模塊還包括姿態解算單元，用于計算光流場，并結合所述實時姿態數據進行姿態解算，以得到每一時刻的圖像對應的實時姿態數據和相鄰幀圖像之間的變換矩陣。

優選的，所述姿態解算單元包括光流場傳感器，用于實時計算光流場；或者，