一種桌面式大視場三維掃描裝置及方法與流程

本發明屬于光學檢測領域，涉及一種三維輪廓的光學檢測方法，特別是一種大景深、大視場的結構光三維測量方法。

背景技術：

三維掃描在逆向工程、工業檢測、文物保護等方面已有重要的應用，隨著3D打印的普及，三維掃描在逆向設計、教育培訓等行業的應用更為廣泛。已有三維掃描儀主要針對工業檢測等專業領域，面向廣大逆向設計、3D打印教育等產業的普通消費者的掃描儀較少。

目前，三維掃描通常采用激光線掃描、白光結構光、立體視覺等方法。激光線掃描發展最為成熟，測量景深大，但是其效率低、拼接精度低，對運動裝置精度要求高，成本高。白光結構光效率高，但是其系統標定困難。立體視覺技術存在立體匹配的不確定性是測量精度低。把白光結構光中的相移輪廓術與雙目立體視覺的方法相結合，克服了相移輪廓術標定難的問題和立體視覺匹配難的問題。但是此方法需要通過DLP投影裝置編碼光，其測量景深受投影景深的限制；同時測量視場受雙目視覺的三角關系夾角的影響。在實際使用中，物體的大小和形狀各異，景深不足導致測量失效等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種桌面式三維掃描裝置，該裝置采用激光MEMS振鏡投影裝置來提高投影景深；采用多組相機來捕捉不同的視場范圍內的變形條紋圖，提高測量范圍；用精密旋轉臺標定多個角度模型之間的位置關系拼接成完整模型。本發明可以覆蓋從較小體積到大體積物體的三維掃描，同時被測物體越小，測量精度越高；本方法可以實現一鍵式掃描，得到比較好的360度完整模型。

本發明的目的為提供一種桌面式大視場桌三維掃描裝置。

其技術方案為：

由4到10個相機、1個激光MEMS振鏡投影裝置和精密旋轉臺構成；激光MEMS振鏡投影裝置布置在中間，用于投影結構光,相機兩兩對稱放置在激光MEMS振鏡投影裝置兩側，對稱放置的相機之間的距離為L1、L2、L3、L4、L5，其中L1<L2<L3<L4<L5；轉臺放置在上述相機的一個或多個視場范圍內。轉臺放置在上述相機的一個或多個視場范圍內。

激光MEMS振鏡掃描投影裝置作為三維掃描的投影光源，激光MEMS振鏡掃描投影系統區別于傳統的DLP、LCD等投影系統，沒有投影鏡頭，其原理是激光通過MEMS振鏡反射投影到物體表面，MEMS振鏡做二維振動實現空間的二維圖像掃描，同時電流調制激光器光強，生成灰度變化的圖像。由于其光源為激光，大大提升了投影深度范圍。

多組相機分別用于拍攝不同視場內的結構光以匹配投影裝置景深，提高掃描儀的測量范圍。由于相機成本比投影裝置低很多，設備成本并沒有增加很多，但是大幅提高了測量范圍和性能。同時，滿足雙目立體視覺的基本條件，每組相機視場盡可能重合，夾角一般為10°到60°，優選為15°到45°。

裝置在三維掃描時，物體放置在旋轉臺上轉動N次，每次旋轉α度，N＝360/α次，N為整數。每轉一次，用激光MEMS振鏡投影一組光柵圖案或線狀圖案到物體表面，用上述相機拍攝物體表面的圖案，傳輸到計算機上進行三維點云計算；

標定精密旋轉臺中心與相機之間的位置關系，根據標定結果，對各角度重建的三維模型進行剛性變換，得到粗拼接的完整模型；用ICP進行優化拼接，得到360度三維數字模型。

有益效果

本發明利用激光MEMS振鏡投影裝置作為三維結構光測量的投影光源，大大提高了投影景深；采用多組相機設計，以匹配投影視場；相較于傳統的三維掃描儀掃面范圍提高3～5；不同尺寸的測量精度不同，小物體精度更好；采用精密轉臺進行匹配，匹配魯棒性高，效果好，降低用戶的使用難度；轉臺的便攜式設計減少產品的體積和重量。

附圖說明

圖1激光高斯光束傳播圖；

圖2三維掃描儀結構布置示意圖；

圖3相機坐標系與旋轉臺坐標系示意圖；

其中：21——激光MEMS振鏡投影裝置；22——相機；A——小尺寸物體范圍；B——中等尺寸物體范圍；C——大尺寸物體范圍。

具體實施方式：

掃描儀測量范圍計算主要由投影裝置決定，采用多組相機匹配其測量范圍，掃描儀系統配置參數計算如下：

第一步，確定激光MEMSA振鏡投影系統景深計算：

如圖1，激光器11發出的高斯激光光束經過準直透鏡12后，入射到MEMS掃描振鏡13上，再反射到物體表面。高斯光束的聚焦面在L₀處，景深為ΔL。根據ABCD矩陣計算可得光束在穿過透鏡后的光斑大小，最大工作距離L₂處光斑大小ω₂，最小工作距離L₁處光斑大小為ω₁，通過下式1－1約束，最終確定L₁和L₂。

可以根據測量范圍需求，確定激光MEMS振鏡投影裝置的景深。第二步，設計相機數量匹配投影景深

典型光學成像系統，其景深計算公式為

式中：ΔL——相機景深；ΔL₁、ΔL₂——成像系統的前景深和后景深；δ——容許的彌散圓直徑，一般取像元大小的2倍；F——鏡頭的F數；L——物距。例如，f＝20mm、F＝2.0、L＝500mm；像元大小7.5μm，因此δ＝0.015mm。由3-2式計算得到景深ΔL_C1＝75mm。

選取不同的相機和鏡頭，若一組相機景深不能覆蓋投影景深范圍，同時使用多組相機，使得其景深范圍與投影景深相匹配。如圖2所示為三組相機布置結構，三組相機分別對應的測量視場為A、B、C，并分別對應不同大小尺寸的被測物體。△L為投影景深，也是系統的測量景深，相對于傳統結構光掃描儀，測量范圍大大提高。同時，本系統兼容不同大小的測量對象，同時對于A組小物體，測量精度更高。每組相機之間光軸如下圖所示，在測量視場中心相交，其夾角一般為10度到60度之間，優選為15°到45°。

工作方式和數據處理

本發明設計的桌面三維掃描儀掃描方式如下，如系統包含三組相機：

1、系統設計：

根據被測物大小選擇測量相機組，如A組，B組，C組；每組相機對應不同的測量范圍，即不同大小被測對象。

a)根據上述公式確定激光MEMS振鏡投影裝置的測量范圍，即深度范圍；

b)計算選用相機的景深，即深度范圍；

c)根據上述發明內容中的方法，選擇合適的相機組。

2、旋轉臺標定

如下圖所示，我們以旋轉坐標系為世界坐標系，設點P_w(x_w,y_w,z_w)為被測物體上任意一點，點P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)為當轉臺繞軸線逆時針旋轉角度θ時P點對應的坐標，則它們滿足關系：

p＝R_zp_θ

其中，p_w(x_w,y_w,z_w，1)^T和p_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ,1)^T為P_w(x_w,y_w,z_w)和P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)在轉臺坐標系下的齊次坐標，R_z為旋轉臺繞軸線旋轉角度θ時對應的旋轉矩陣，

實際我們重建得到的模型點坐標P_c(x_c,y_c,z_c)是在相機坐標系下的，其與世界坐標系下對應點P_w(x_w,y_w,z_w)滿足：P_c＝RP_w+T。

由上式可得相機坐標與世界坐標之間的坐標變換可以通過R＝R(α，β，γ)和T＝(t_x,t_y,t_z)^T中的六個參數來描述，α，β，γ分別為繞x，y，z軸旋轉的歐拉角，當先后以x，y，z旋轉進行坐標變換時，

設P_c(x_c,y_c,z_c)和P_w(x_w,y_w,z_w)對應的齊次坐標為p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_w(x_w,y_w,z_w,1)，則p_c＝Mp_w。

其中，由與在旋轉臺坐標系點云拼接對x，y軸方向無要求，所以可設γ＝0，則轉換矩陣M可以簡化為：

因此，對于我們重建得到的相機坐標系下的已知點P_c(x_c,y_c,z_c)轉臺繞軸線逆時針旋轉角度θ對應點P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)，它們滿足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ \*MERGEFORMAT(3-7)

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)為P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)對應的齊次形式。

正確放置旋轉臺位置，將棋盤格標定板放置的旋轉臺中心，使得物體在一組相機的兩個圖像中心；計算標定板上的角點在相機坐標系下的坐標P_c(x_c,y_c,z_c)，在±60°之間，每旋轉10°，拍攝兩張標定板圖片，并計算其世界坐標。

由此，我們得到一系列p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)，其中

根據上式求得M。

3、被測物體放置在旋轉臺上，掃描一圈，即轉臺每次旋轉α度后，靜止一段時間，掃描儀完成一個角度的模型掃描，共進行N次旋轉測量，N＝360/α次(N為整數)；例如，α＝45°，N＝8。

4、根據標定的旋轉臺中心結果，對各角度進行剛性變換,即使用，得到粗拼接的完整模型；

重建得到的相機坐標系下的已知點P_c(x_c,y_c,z_c)轉臺繞軸線逆時針旋轉角度α對應點P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)，它們滿足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα,1)為P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)對應的齊次形式。矩陣M由步驟2轉臺標定可得，

R_z為旋轉臺繞軸線旋轉角度α時對應的旋轉矩陣，α即3步中人為設定的旋轉角度。

因此，我們對相應模型使用Pose＝MR_zM^-1結果矩陣進行坐標變換便可以完成點云模型數據的粗拼接。

5、用ICP(Iterative Closed Point)進行精確拼接；

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員,在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發明技術方案的范圍內。