一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺的制作方法

本實用新型屬于建筑室內環境三維掃描和路面外表探損技術領域，具體涉及一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺。

背景技術：

傳統的建筑(公路)外表面的損傷檢測方法一般包含人工和半自動化兩種方法。在人工方法中，經過訓練的技術人員通過對損傷表面狀況進行測量，對損傷嚴重度進行評估，從而對損傷的嚴重程度進行評判。人工方法工作量大且耗時較長，同時在工作中容易造成安全隱患。除此之外，人工方法主觀性較大，損傷評級的結果因人而異，評價產生較大的偏差。

三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。Kinect設備是微軟推出的計算機體感掃描式外設，該設備可以實現快速低廉方式的室內物體三維信息掃描。目前該設備已經在游戲領域取得了極大的成功，但是該設備在建筑表面探損應用很少且缺乏配套的搭載硬件平臺。除此之外，該設備在土木工程領域的推廣和應用存在以下幾個問題：

(1)電源獨特，該設備設計了專用的12V輸入電壓且接口形狀為特殊設計的USB接口，一般USB供電接口輸出電壓均為5V無法驅動該設備，需要微軟提供的專有電源轉換器將220V電壓轉換才能驅動，作為一款移動式的掃描裝置需要始終連接220V電源才能正常運行,限制了設備的使用范圍，集中在室內進行使用。

(2)便攜性差，原有設備的設計使用方法是放在固定位置例如電視機前，不能頻繁

移動。因此Kinect設備僅有一個基座，沒有可移動式的搭載裝置來擴展其使用范圍。

(3)掃描距離短，在保證足夠精度的情況下，目前Kinect最佳的掃描距離約為4-5m，由于掃描距受到機器本身的參數限制，不可擴展。

Kinect傳感器獲取實驗環境或物體深度信息的主要過程是：由紅外線發射器發射出紅外線，紅外線在被測物體或環境中的目標遮擋后會產生鐳射散斑。鐳射散斑反射被紅外攝像機讀取，得到物體或環境的深度信息。深度信息的解碼和運算由以色列的PrimeSense公司生產的PS1080芯片完成。獲取的深度數據經過PCL算法的處理，能夠間接的生成三維點云數據。

現有專利中存在一些搭載Kinect的硬件平臺設計。

例如，中國專利，Kinect便攜式野外采集硬件平臺(申請號：201420425850.1)，所述的一種穿戴式的Kinect設備解決了Kinect設備應用電源問題，提高了Kinect設備的的野外實用性，通過濾光片的使用，擴大了Kinect的適用范圍；這一技術方案通過濾光片的使用，可以使Kinect的三維掃描不受戶外光照條件影響，從而大大提高了野外進行三維掃描的適應范圍。但該項實用新型專利并沒有提供整個穿戴式設備的結構示意圖，且如果將相關數據采集設備通過穿戴式進行攜帶，一方面對儀器的散熱性能提出更高的要求，另一方面由于人體的不斷運動，很難對采集出的數據進行精確的定位，會造成數據噪聲過大的問題，從而失去數據的有效性。

技術實現要素：

實用新型目的：為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提供一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺，解決傳統人工探損方法工作量大、耗時長、容易造成安全隱患、主觀性大等問題。

技術方案：為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案為：

一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺，包括設置在支座平臺上的相連接的信息收集設備和Kinect設備及手持掃描儀，所述信息收集設備為計算機設備，包括主機和顯示器，所述手持掃描儀通過USB3.0接口數據線和所述計算機設備的主機相互連接；

所述支座平臺上固定有固定架，所述固定架末端延伸至支座平臺外側，作為固定端通過旋轉模塊連接所述Kinect設備，所述旋轉模塊為旋轉支座，圍繞所述固定架末端旋轉角度；

所述旋轉模塊的一端通過夾緊模塊連接所述固定架末端，并圍繞其轉動，夾角范圍為[-90°，90°]，所述夾緊模塊上設置有夾緊螺釘和夾緊螺母用來控制和固定旋轉模塊的旋轉角度；所述旋轉模塊的另一端與所述Kinect設備固連；所述固定架、旋轉模塊和夾緊模塊構成Kinect設備的固定支座；

所述固定架上設置有GPS，位置在固定架與支座平臺的交接處。

本實用新型的搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺還搭載了具有高精度手持掃描儀用來配合Kinect采集特定部位的高精度點云數據。該手持掃描儀通過USB3.0接口數據線和主機相互連接，從而實現對采集到的點云數據的快速傳輸。高精度手持掃描儀能快速可靠地以三維方式記錄空間、結構和物體的信息并創建高精度的點云。

進一步的，所述支座平臺的平臺骨架的支腿由上下兩段構成，上半段套入下半段中并沿下半段上下滑動伸縮；下半段支腿的上端位置處設有高度調節器，為一個高度調節旋鈕，調節所述支座平臺的高度；所述高度調節旋鈕通過控制上半段和下半段的結合松緊程度而間接的控制上下半段之間靜摩擦力的大小，完成平臺骨架的高度的固定和調整。

進一步的，所述固定架上設置有激光測距儀，距離固定架頂端10cm處。

進一步的，所述手持掃描儀具有<1.5mm的精度。憑借<1.5mm的精度，其適用于對物體進行多角度的、快速的測量。

進一步的，所述Kinect設備與移動電源相連接，所述移動電源設置在所述支座平臺的底板上；為了防止移動電源在運動時產生位移，主機側壁設置電源插槽用來固定移動電源的安裝位置。

進一步的，所述信息收集設備為支持win8.1以上的windows系統的計算機設備，包含臺式機和筆記本電腦、平板電腦，所述信息收集設備由移動電源進行供電，所述移動電源同時連接所述Kinect設備為其供電；所述信息收集設備的接口為USB3.0的接口。

進一步的，所述移動電源具體為12V移動電源，采用12V移動電源和12V的輸入電源線來代替原有的220V的電壓轉換器。

進一步的，所述支座平臺的底板下方連接有滾輪。

有益效果：目前國內缺少有效的可移動式Kinect搭載平臺，本實用新型提供的搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺，有益效果為：

1、從技術角度看，本實用新型可移動性強且應用范圍較廣，配合移動電源解除了Kinect對固定電源的限制，能夠方便的對室內和室外的目標進行掃描，同時旋轉模塊保證了Kinect能夠滿足掃描對象對掃描角度的特定要求。

2、從經濟角度，本實用新型結構簡單、生產成本低，可以很容易地推廣使用；和傳統的建筑表面(路面)無損檢測工具價格相比，成本僅為同類產品的1/100。且該裝置使用簡單，大大減少技術人員的工作量，降低主觀因素所帶來的各種誤差。

3、從定位角度，本實用新型通過GPS和激光測距儀，能夠準確的對建筑表面(路面)損傷進行定位，為GIS以及BIM系統的結合提供坐標依據。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型對建筑外表面損傷掃描過程示意圖。

圖3是本實用新型對公路表面損傷掃描過程示意圖。

圖4是通過Kinect設備5獲取的初始點云數據示意圖。

圖5是三維重建效果示意圖。

圖中1.顯示器，2.GPS，3.固定架，4.旋轉模塊，5.Kinect設備，6.激光測距儀，7.高度調節旋鈕，8.移動電源，9.主機，10.滾輪，11.金屬隔板，12.平臺骨架，13.鍵鼠設備，14.手持掃描儀。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。

本實用新型為一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺裝置。該平臺包含顯示器、Kinect設備、主機、GPS、激光測距儀與固定架等。Kinect固定在平臺伸出的固定架一端，固定端附帶旋轉支座，可調節Kinect的鏡頭對準方向。該實用新型可以解決傳統人工探損方法工作量大、耗時長、容易造成安全隱患、主觀性大等問題。本實用新型結構簡單、生產成本低、可移動性強、應用范圍較廣，可以很容易地推廣使用于建筑室內環境三維掃描和路面外表探損等方面。

本實用新型搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺的方法，包括以下步驟：

1)對準：將支座平臺移動至表面損傷處，調節旋轉模塊使得Kinect設備鏡頭對準表面損傷；

2)采集：啟動信息收集設備的三維掃描和數據獲取程序，采集獲得Kinect設備掃描出的目標物的三維特征數據；

3)處理：利用所述信息收集設備內的ArcGIS軟件對所述目標物三維特征數據進行三維重建和幾何特征提取，并顯示出與目標物構造一致的三維圖形；

4)判定：根據幾何特征提取結果由軟件自動對損傷進行評級。

實施例1

如圖1所示為一種搭載Kinect的圖像掃描及三維建模設備平臺，信息收集設備采用臺式機，包括主機9和顯示器1，其中，顯示器1和主機9相連，主機9和移動電源8相連，Kinect設備5和移動電源8相連，Kinect設備5和主機9相連，鍵鼠設備13和主機9相連，高精度手持掃描儀14與主機9通過USB3.0接口連接。

移動電源8與Kinect設備5一端相連，鍵鼠設備13一端與主機9相連；支座平臺的下方平臺骨架12由水平設置的金屬隔板11分為上下兩部分，主機9設置與下部，顯示器1位于支座平臺的上平面。臺式機可以用便攜式筆記本電腦和平板電腦代替。

高度調節旋鈕7安裝高度為距離平臺骨架12上端約5cm處，旋轉高度調節按鈕7通過控制上下支腿滑動松緊來抬升平臺骨架12的高度從而間接的提升Kinect設備5距離地面的高度，以滿足不同高度的損傷掃描要求。滾輪10設置是方便該掃描平臺在室內或者路面上更快的移動。激光測距儀6與固定架3相連接，用來測量Kinect設備5距離地面的高度，從而獲得高度坐標，方便后期的數據處理。GPS2作用為定位損傷的坐標位置。手持式掃描儀14的掃描鍵為on鍵，點擊on開始進行掃描，使用時注意按照一定的速度，慢速移動掃描儀，移動一段距離后，再按一下on鍵，掃描結束。掃描結束，內存卡內就會得到一張掃描出來的圖像。

本實用新型的工作原理是：將掃描平臺移動至表面損傷處，調節旋轉模塊4將Kinect設備5鏡頭對準表面損傷，打開移動電源8和主機9，啟動三維掃描和數據獲取程序獲得Kinect設備5掃描出的數據，并將采集目標物的三維特征數據并傳至主機9，在顯示器1中顯示，利用主機9內的ArcGIS軟件對目標物三維特征數據對進行三維重建和幾何特征提取，并顯示出與目標物構造一致的三維圖形，根據幾何特征提取結果由軟件自動對損傷進行評級。

實施例2

根據實施例1的方法，在圖2所示實施圖例中，主機9中含有相關程序來獲取和處理Kinect設備5所采集的點云數據(對建筑的實驗)。

實施例3

根據實施例1的方法，在圖3所示實施圖例中，主機9中含有相關程序來獲取和處理Kinect設備5所采集的點云數據(對地面的實驗)。

在實施例2中，通過Kinect設備5獲取的初始點云數據如圖4所示，利用主機9內的ArcGIS軟件對目標物三維特征數據對進行三維重建和幾何特征提取，并顯示出與目標物構造一致的三維圖形，為了更好的顯示損傷的三維重建的效果，將損傷圖形進行反轉，具體三維重建效果圖可參考圖5。通過本實用新型可以提供一種更靈活的方式實時獲取建筑(地面)表面損傷的三維信息，從而很大程度減少數據采集的工作量。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。