[發(fā)明專利]一種激光三維掃描儀系統(tǒng)及使用方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711001385.3
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107869955A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設計）人: 張宇航
• 申請（專利權）人: 華朗三維技術（深圳）有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙)11531
• 代理人: 于鵬

1.一種激光三維掃描儀系統(tǒng)，其特征在于：包括掃描儀支架、攝像頭組件、背板，所述掃描儀支架上安裝有攝像頭組件，所述背板前方放置有待掃描物體，所述攝像頭組件通過USB接口與電腦連接，所述電腦內安裝有激光三維掃描儀軟件，所述攝像頭組件對準待掃描物體。

2.根據權利要求1所述的激光三維掃描儀系統(tǒng)，其特征在于：所述攝像頭組件包括掃描儀基座、支架、掃描儀外殼、電控主板、步進電機、激光器、相機鏡頭，所述掃描儀基座上設有支架，所述支架側面設有安裝板，所述安裝板上設有步進電機，所述步進電機背面設有電控主板，所述支架上固定有相機鏡頭，所述支架一側開設有激光器安裝槽，所述激光器安裝槽內設有激光器，所述支架上方設有掃描儀外殼，所述電控主板與所述步進電機、激光器信號連接，所述激光器與所述相機鏡頭信號連接。

3.根據權利要求1所述的激光三維掃描儀系統(tǒng)，其特征在于：所述背板上設有定位貼紙，兩塊背板之間通過合頁活動連接，打開背板約120度左右，將載物臺放到背板前，靠近背板的角落；將物體放置到載物臺上，擺放穩(wěn)定，對于底部不平的物體，可以斜靠到背板上以保持穩(wěn)定，物體擺放時，其左右邊緣距離背板左右邊緣的距離盡量相等，以得到最佳掃描效果。

4.根據權利要求2所述的激光三維掃描儀，其特征在于：所述掃描儀外殼上部設有圓孔，所述圓孔內放置有相機鏡頭，所述掃描儀外殼一側設有卡槽，所述卡槽卡在所述支架上。

5.根據權利要求2所述的激光三維掃描儀，其特征在于：所述掃描儀外殼形狀為圓柱形。

6.根據權利要求1所述的激光三維掃描儀系統(tǒng)，其特征在于：所述激光三維掃描儀軟件包括軟件界面；所述軟件界面包括1)快捷工具欄，提供最常用的按鈕，以方便操作；2)Ribbon工具欄，包含所有的軟件功能和操作，分為“通用”、“掃描”和“顯示”三個標簽，點擊標簽可以顯示其中的內容；圖中顯示的是“通用”標簽，它包含“文件”、“導出”和“視圖”三個面板，每個面板里面又包含多個按鈕；雙擊標簽可以隱藏/顯示整個Ribbon工具欄；3)“關于”按鈕，點擊它顯示“關于”對話框，顯示軟件的版本、版權等信息；4)監(jiān)視窗口，輸出軟件運行過程中的各種反饋信息；5)輸出窗口，輸出軟件運行過程中的計算結果，目前僅供內部調試使用，正式版軟件將不輸出任何信息；6)狀態(tài)欄，返回用戶操作的基本反饋信息；7)信息欄，顯示掃描數據的基本統(tǒng)計信息；“面：”后的三個數據依次為掃描片的個數、被選擇的掃描片數和當前掃描片的編號(從0開始計數)；“點：”后的兩個數據依次為所有掃描片的點數之和，以及當前掃描片的點數。

7.一種激光三維掃描儀使用方法，其特征在于，包括掃描前的準備工作、掃描、清除、拼接、導出、圖片；

所述掃描前的準備工作包括如下步驟：

1)打開背板約120度左右；

2)將載物臺放到背板前，靠近背板的角落；

3)將物體放置到載物臺上，擺放穩(wěn)定，對于底部不平的物體，可以斜靠到背板上以保持穩(wěn)定，物體擺放時，其左右邊緣距離背板左右邊緣的距離盡量相等，以得到最佳掃描效果；將攝像頭固定到掃描儀的支架上；

4)連接掃描儀電源，此時應觀察到激光器自動轉至水平位置；

5)將加密狗插入電腦USB接口；

6)將攝像頭插入電腦USB接口；

7)運行掃描激光三維掃描儀軟件，激光三維掃描儀軟件啟動后會自動識別加密狗，并在監(jiān)視窗口的第二行顯示加密狗信息；

(1)掃描

連接攝像頭：點擊“掃描->掃描->連接”(表示“掃描”標簽下的“掃描”面板下的“連接”按鈕，以下同)，連接攝像頭。如果攝像頭連接成功，在軟件的右下角將會出現一個視頻窗口，同時“連接”按鈕上的文字變成“斷開”；

禁用內部攝像頭：如果視頻圖像不是掃描儀攝像頭的圖像，則是由于電腦上存在多個攝像頭設備所致；為了確保能找到正確的攝像頭，在點擊“連接”之前，需先禁用電腦上的其他攝像頭，這種情況在使用筆記本電腦時尤為常見，因為現在的筆記本電腦一般都在顯示屏上方內置了攝像頭；具體操作是：在Windows系統(tǒng)的控制面板中找到“系統(tǒng)”圖標，雙擊它，點擊“硬件”標簽下的“設備管理器”，找到“圖像處理設備”下的攝像頭條目，右鍵點擊它，選擇禁用；

(2)調整位置：調整掃描儀的位置和攝像頭的仰角，使得背板圖案的左右邊緣剛好靠近圖像的左右邊界；上下邊緣距離圖像的上下邊界尚有少許空白；

(3)調整光照：視頻圖像中的紅色虛線區(qū)域表示曝光過渡；被掃描物體和背板上盡量不要出現曝光過渡的區(qū)域，否則會影響掃描精度，嚴重時甚至會導致掃描失敗；如果出現曝光過渡，可以通過改變背板朝向和調整燈光來消除它；

(4)視頻窗口大小：連接攝像頭之前，可以通過“掃描->掃描->全副”復選框來設置視頻窗口的大小；勾選該復選框，則視頻以實際尺寸640X480顯示，否則以1/2的尺寸320X240顯示；

(5)背板方格尺寸：連接攝像頭之前，可以通過“掃描->掃描->縮放”復選框和其下方的組合框來設置背板方格的尺寸；

激光三維掃描儀軟件內部設定的方格尺寸與A4背板相符，為12.7mm，因此使用A4背板掃描時無需勾選該復選框；若使用其他尺寸的背板，則需要勾選該復選框，并在下方的組合框中手工輸入方格尺寸值；背板的方格尺寸值會在產品的說明書中給出，如果沒有，也可以用量尺通過實際測量得到；為了避免每次掃描前都需要手動設定方格尺寸值，可以在掃描軟件TScan.exe所在目錄下建立一個名為rear.txt的文本文件，在文件中寫入方格尺寸值，這樣掃描軟件每次啟動時會從該文件中自動獲取方格尺寸值，從而省去手工設定；

(6)啟動掃描

點擊“掃描->掃描->掃描”，或者按空格鍵，啟動掃描。啟動掃描成功的話，視頻圖像上將出現兩個圍繞背板圖案的白色方框，同時“掃描”按鈕的文字變成“結束”；

(7)掃描

將遙控器對準掃描儀的紅外接收口，按下按鍵開始掃描。此時激光器點亮，射出一條水平激光線，并在電機的帶動下從下至上緩慢掃過物體表面，當轉至最大角度后，激光器關閉，并快速轉回初始位置，整個過程約20秒；

(8)誤差線

掃描過程中，視頻窗口除了顯示紅色的激光線外，還顯示一條綠色的誤差線和黃色的參考線；誤差線表示掃描過程中的誤差，低于黃色參考線的為優(yōu)，高于黃色線的為一般；探底至圖像底部的表示誤差過大而被忽略，從點云上看，會發(fā)現一行點云的缺失；

(9)環(huán)境亮度

由于激光器的輸出功率固定為10mw，因此背板和物體的遠近會導致圖像中激光亮度的變化，背板離掃描儀越近則激光越亮，反之越暗，而激光過亮或過暗都會影響掃描精度；一般室內工作環(huán)境的燈光亮度剛好適合A4尺寸的背板，小尺寸的背板由于離掃描儀更近，因此需要提高環(huán)境光亮度以彌補；而大尺寸的背板則需要降低環(huán)境光亮度；

(10)結束掃描

當激光線掃完物體表面后，無需等待激光線的后續(xù)運動，可點擊Scan->Scan->Stop，或者按空格鍵，結束掃描；

(11)繼續(xù)掃描

每次掃描只能得到物體的一個側面，要得到物體的完整外形，需要改變物體的位置進行多次掃描，得到物體不同角度的多個掃描片；

所述清除：

(1)刪除掃描片

選擇要刪除的掃描片，點擊“掃描->掃描->刪除”，或者按Delete鍵，即可將它刪除；被刪除的掃描片無法恢復，如果拿不定注意是否刪除，則將它們隱藏即可；

(2)清除掃描片中雜點

掃描過程中，有時會將背板掃描進去，或者由于物體表面顏色或反光的干擾，產生錯誤的掃描數據，這些統(tǒng)稱為雜點；激光三維掃描儀軟件提供了手工清除雜點的功能，要使用這些功能，需要先選擇待清除雜點的掃描片，然后進入雜點清除模式，手動選擇雜點并刪除，清除完畢后，再退出雜點清除模式；在雜點清除模式中，如果不小心誤刪了好的點，可以隨時取消刪除，一旦退出雜點清除模式，則被刪除的點被永久刪除，不可恢復；

(3)進入雜點清除模式

選擇要清除雜點的掃描片，然后點擊“掃描->清除->開始”，或者按E鍵，即可進入雜點清除模式，此時“開始”按鈕的文字變?yōu)椤敖Y束”；要退出雜點清除模式，點擊“掃描->清除->結束”，或者按E鍵；進入雜點清除模式后，僅以單色方式顯示點云，而箭頭和包圍盒等將不再顯示；

(4)選擇雜點

1)自動選擇

進入雜點清除模式后，點擊“掃描->清除->選擇”，或者按N鍵，則軟件根據點云的法線信息自動選擇與視線角度過大的點作為雜點，被選擇的點為紅色；

2)手動選擇

有兩種手動選擇雜點的方法，一種是方框選擇：按住鼠標左鍵，從左上方往右下方拉框，框內的點被選擇為雜點；另一種是套索選擇：按住Shift鍵，按下鼠標左鍵，圍繞雜點畫套索，套索內的點被選擇為雜點；

3)取消選擇

反向拉框即可取消選擇，按住鼠標左鍵，從右下方往左上方拉框，則框內的點被取消選擇；

4)刪除雜點

點擊“掃描->清除->刪除”(或按Backspace鍵)

5)取消刪除

點擊“掃描->清除->恢復”(或按Ctrl+Z鍵)

6)退出雜點清除模式

點擊“掃描->清除->結束”(或按E鍵)在退出雜點清除模式之前，可隨時用Ctrl+Z取消刪除，一旦退出清除模式，則雜點被永久刪除，不可恢復；

所述拼接：

1)拼接：拼接是將兩個分離的掃描片或掃描片組合并到一起的過程；

2)掃描片組：拼接在一起的多個掃描片構成一個掃描片組，掃描片組可繼續(xù)和其他掃描片或掃描片組拼接，構成更大的掃描片組，其中的掃描片以多色模式顯示，以便區(qū)分；

3)對應點：兩個掃描片(或掃描片組)上對應物體同一位置的點稱為對應點，每對對應點構成一個對應點對；

4)拼接：設待拼接的兩個掃描片(或掃描片組)為A和B，拼接的操作是：按住Alt和Shift鍵，依次點擊A和B上的3組對應點，激光三維掃描儀軟件通過3點定位原則實現A和B的粗拼接，自動再用配準算法實現精確拼接；步驟如下：

按住Alt和Shift鍵，點擊A上對應點1；

按住Alt和Shift鍵，點擊B上對應點1’，此時完成一組對應點，顯示一條連接對應點的連線；

按住Alt和Shift鍵，點擊A上對應點2；

按住Alt和Shift鍵，點擊B上對應點2’，完成第二組對應點；

按住Alt和Shift鍵，點擊A上對應點3；

按住Alt和Shift鍵，點擊B上對應點3’，完成第三組對應點；點擊完畢后，軟件立即進行自動拼接；如果拼接成功，則B移動到A上與之合并；如果拼接失敗，則A和B保持不動，之前選擇的對應點消失；

5)準則

對應點的選擇是任意的，而且點擊的時候不需要很精確，在后續(xù)精確配準時會自動消除該誤差；但是為了提高拼接的成功率，需要注意以下幾個準則：1)對應點的選擇要避免共線或接近共線，因為共線的3點會導致定位不唯一；2) 對應點之間的距離應盡可能大，這樣3點定位時的誤差就越小，拼接的成功率就越高；

6)技巧

以下技巧有助于提高拼接的效率：為了方便查看，拼接前可以將其他的無關掃描片隱藏起來，具體操作是：選擇要拼接的掃描片(或掃描片組)，按U鍵；拼接完畢后，用同樣的操作可將其他的掃描片顯示出來；選擇對應點時，應點擊點云稠密之處，點云稀疏的地方會導致選擇對應點失敗；拼接過程中，如果不小心點錯對應點，可以點擊“掃描->對齊->取消”，或者按ESC鍵，取消最近選擇的對應點，然后重新選擇；如果想取消整個拼接操作，則一直按ESC鍵，直到所有對應點都被取消；

7)拆分

選擇要拆分的掃描片，點擊“掃描->對齊->打散”，則可以將被選擇的掃描片從它們所在的掃描片組中分離出來；如果要打散整個掃描片組，使其中的掃描片都分離出來，則選擇整個掃描片組，點擊“打散”按鈕；

8)整體優(yōu)化

由于拼接是兩兩進行的，因此當形成閉合物體時，會由于誤差的積累，在最終接合處出現間隙或交叉，這時候就需要用整體優(yōu)化來消除它；具體操作是：選擇要優(yōu)化的掃描片組，點擊“掃描->對齊->全局”，或者按G鍵；

9)恢復

每次拼接、拆分或者全局優(yōu)化操作之后，如果想回到操作之前的狀態(tài)，點擊“掃描->對齊->恢復”，或者按R鍵即可；再次使用該操作，則又回到退回之前的狀態(tài)；

所述導出：

1)導出模型

掃描數據經過清理雜點，拼接為一個整體之后，可點擊“通用->導出->模型”，導出為一個三角網格模型；

2)文件格式

導出模型的默認格式為PLY，如果勾選STL復選框，則同時生成STL文件；

3)精細度

導出模型的精細程度從低到高有四擋可選，依次是“光滑”、“普通”、“精細”和“超精細”；精細度越高，模型的三角面越多，文件也越大；精細程度通過STL復選框下方的組合框來選擇；

4)命名規(guī)則

導出模型的缺省目錄是TScan.exe所在目錄下的Output子目錄，缺省文件名為“掃描文件名_[1:4]”，[1:4]為1到4中的某個數字，表示模型的精細程度；例如掃描文件名為Dino.msd，精細程度選擇為“精細”，則導出模型文件名為Dino_3.ply；

5)其他格式

如果需要其他格式的模型文件，可以安裝開源3D編輯軟件Meshlab，用該軟件讀取導出的PLY文件，再保存為你想要的格式即可；

6)導出貼圖

原始導出的模型是不帶貼圖信息的，為了給模型添加貼圖信息，可以點擊“通用->導出->貼圖”，然后在彈出的對話框中選擇需要生成貼圖的模型，點擊確定即可；

7)技巧

導出貼圖時選擇的原模型可以是導出的原始模型，也可以是原始模型經過簡化或編輯之后的模型；

8)命名規(guī)則

貼圖后的新模型文件的名稱為“原始模型文件名_t”，例如原模型為Dino_3.ply，則貼圖后的新模型為Dino_3_t.ply；

9)外部貼圖

目前所支持的貼圖為模型內部貼圖，即貼圖顏色信息直接記錄在模型的頂點數據上，暫不支持外部貼圖。外部貼圖需要先為模型生成UV坐標，以得到模型頂點和圖片空間之間的映射關系。而UV坐標的生成涉及到模型的參數化等復雜處理，且不同的應用有不同的要求，目前尚無成熟的自動UV坐標生成算法和軟件，優(yōu)秀的UV坐標生成都是用專業(yè)UV展開軟件(如UVLayout)由手工完成；因此暫不支持外部貼圖；

所述圖片：

掃描片的貼圖可以導出為單獨的圖片文件，以供外部處理，如調整亮度、對比度、修復瑕疵等；處理后的圖片可以重新導入掃描片中，并最后合成到導出模型中；

1)導出圖片

點擊“掃描->圖片->導出”，彈出保存文件對話框，默認保存目錄為TScan.exe所在目錄下的Image子目錄，默認文件名為“掃描文件名_#”，#為掃描片編號；

2)導入圖片

點擊“掃描->圖片->導入”，在彈出的對話框中選擇需要導入的圖片，可以多選。