一种三维扫描与重建装置及其应用方法与流程

本发明涉及三维扫描与重建技术领域，尤其涉及一种三维扫描与重建装置及其应用方法。

背景技术：

传统的三维扫描与重建技术主要有两种扫描方式，一种为采用固定不动的多个三维扫描摄像头(在下文中称为“摄像头”)进行固定式扫描，另一种为摄像头绕目标对象旋转扫描的方式。因重建过程需要将多次扫描的数据进行融合，所以需要得到多个摄像头之间的位置关系，为便于扫描数据的融合，固定式扫描多采用在静止的被扫描物体四周安装等高的多组摄像头进行扫描，该方法在摄像头的位置固定后很难根据扫描物体的大小和几何形状进行自由调节，定位精度差，等高的安装要求给现场安装增加了难度。此外，这种固定式的摄像头多为垂直目标对象进行扫描，不能进行拍摄角度的调节，所建三维模型会产生较多的孔洞。

目前，摄像头绕目标对象旋转的扫描方式多是将单个三维扫描摄像头固定于支架上，支架带动摄像头沿轨道或预定路线绕目标旋转扫描，摄像头可通过传动机构实现上下或水平移动。这种方式的三维扫描往往需要调整摄像头的高度进行多圈扫描，所需的扫描时间长，在进行高度调节时容易出现漏扫或重叠部分过多等现象，无法实现摄像头位置的准确调节。

而且，以上两种扫描方式中摄像头在直接安装过程中容易出现碰撞和损伤，直接影响了摄像头的扫描效果和使用寿命。

技术实现要素：

本发明目的在于提供了一种三维扫描与重建装置，可依据目标对象的特点安全、方便、快捷地安装调节，实现准确定位，以及全面、快速地扫描和重建，拓宽适用范围。

本发明提供了一种三维扫描与重建装置，包括至少一条环形轨道、支架、控制模块、第一驱动模块、第一电机、计算单元和至少一个扫描单元，所述扫描单元包括壳体、第二驱动模块、电动升降机构、导向装置以及摄像头；支架固定在环形轨道上，环形轨道的任意至少一条轨道上设有齿条，与支架其底部的齿轮相啮合；所述第一电机为步进电机，其输出轴与齿轮的转轴固定连接，用于驱动齿轮转动，带动支架沿轨道运动。

所述扫描单元固定于支架上，用于目标对象的三维信息扫描，扫描单元的具体数量可依据目标对象的大小和几何形状来调整，作为优选方案，所述扫描单元可设有上、中、下三组；扫描单元的壳体内侧竖直方向设有电动升降机构和位于电动升降机构两侧的导向装置，所述电动升降机构包括第二电机、丝杆和升降板，第二电机的转动输出轴与丝杆的一端固定连接，丝杆上设有螺旋连接的升降板，所述导向装置由两根平行设置于丝杆两侧的导向杆组成，每根导向杆上设有滑块，升降板与滑块固定连接。

所述摄像头固定于升降板上，第二电机驱动丝杆转动的过程中带动摄像头沿导向杆上下移动；摄像头通过数据线或无线传输模块与计算单元相连接，将扫描数据实时传输至计算单元进行三维重建。

所述控制模块分别与第一驱动模块以及所安装的每个扫描单元上的驱动模块相连接，用于控制支架的运动和每个摄像头的升降。

基于以上基本方案，本发明还作了如下重要的优化设计：

上述扫描单元还包括由第二驱动模块驱动的固定于升降板上的第三电机和摄像头固定杆组成的电动旋转机构；所述升降板由底座和支撑板组成，整体呈“T”型结构，升降板底座的一端中间通过水平凸出部分开设的通孔及螺母安装于丝杆上，两侧固定于滑块上，另一端平行设有两侧面支撑板，支撑板中部设有中心孔；所述第三电机固定于支撑板外侧，其输出轴穿过该中心孔与摄像头固定杆连接，带动摄像头在竖直平面内上下摆动，所述第三电机为步进电机。

更进一步地，为了便于摄像头和每个扫描单元的驱动模块分别与计算单元和控制模块相连接，每个扫描单元壳体上均设有通孔；所述支架沿竖直方向设有一条形孔，也可设计为沿竖直方向开设多个条形孔或通孔，用于引出扫描单元壳体背部的连接线与计算单元和控制模块相连接；所述支架两侧边缘处设有安装孔，用于固定扫描单元；所述支架沿竖直方向设有刻度，用于读取摄像头的位置信息。

更进一步地，摄像头的数据线和控制模块引出的连接线内置于拖链中与计算单元相连。

更进一步地，扫描单元内的电动升降机构可设置为同步带的方式进行传动。

更进一步地，控制模块通过设于环形轨道外圈的电刷与计算单元相连。

更进一步地，支架上端设有与下端环形轨道同轴且半径相同的上环形轨道，支架上端与上环形轨道相适配，也可优选地设计为在支架上端和上环形轨道上分别设置相互啮合的齿轮和齿条，通过控制模块实现上下齿轮的同步转动，以实现支架的平稳运动，提高摄像头的扫描质量。

本发明还提供了一种三维扫描与重建装置的应用方法，包括以下步骤：

（1）将目标对象置于轨道中心处；

（2）依据目标对象的大小和形状确定所需扫描单元的数量及安装位置；

（3）开启摄像模式，通过计算单元调整每个扫描单元内摄像头的高低位置及拍摄角度，并记录；

（4）启动第一电机，按照设定的速度带动支架沿环形轨道匀速运动；

（5）扫描数据实时传输至计算单元，通过三维重建系统实现三维立体模型的实时重建、实时显示；

（6）摄像头沿轨道绕目标对象旋转一周，完成三维扫描过程；

（7）计算单元输出目标对象完整的三维立体模型。

本发明提供了一种三维扫描与重建装置及其应用方法，通过扫描单元的设计将关键功能部件的模块化，可实现方便、快捷地安装固定，并保证摄像头在安装过程中的安全，同时可依据目标对象的大小和形状安装不同数量的扫描单元，能够用于不同物体的扫描，扩大了装置的适用范围，实现了快速扫描和重建，通过计算单元精确控制摄像头的位置和拍摄角度，减少了三维重建模型的孔洞。

附图说明

图1为三维扫描与重建装置示意图；

图2为三维扫描与重建装置后视图；

图3为扫描单元示意图；

图4为扫描单元的平面视图；

图5为本发明第二实施例的示意图；

图6为本发明第三实施例的示意图；

图7为本发明的第四实施例的示意图。

附图标号说明：

1-环形轨道；2-齿条；3-支架；301-安装孔；302-条形孔；303-多个间隔排布的通孔；4-齿轮；5-控制模块；6-第一驱动模块；7-第一电机；8-连接线；9-扫描单元；901-壳体；902-第二驱动模块；903-丝杆；904-第二电机；905-导向杆；906-升降板；907-底座；908-支撑板； 909-滑块； 910-三维扫描摄像头（下文中称为“摄像头”）；911-摄像头固定杆；912-第三电机；913-通孔；10-计算单元；11-立柱；12-顶盖；13-上环形轨道；14-第二齿轮；15-第三驱动模块。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明提供的三维扫描与重建装置及其应用方法作进一步详细说明，以便更好理解本发明创造的保护范围，但实施例的内容并不限制本发明创造的保护范围。说明书附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明与本发明有关的基本结构。

本发明所提供的三维扫描与重建装置，如图1和图2所示，包括环形轨道1、支架3、控制模块5、第一驱动模块6、第一电机7、计算单元10和三个扫描单元9，支架3固定在环形轨道1上，其底部设有齿轮4，与环形轨道1上的齿条2相啮合；第一电机7固定于支架3上，通过第一驱动模块6与控制模块5相互电连接，其输出轴与齿轮4的转轴固定连接，用于驱动齿轮4转动来带动支架3沿轨道运动。

如图3和图4所示，每个扫描单元9均由壳体901、第二驱动模块902、第二电机904、丝杆903、导向杆905、升降板906、第三电机912以及摄像头910组成，壳体901内侧沿竖直方向设有丝杆903，丝杆903的一端与第二电机904的输出轴固定连接，丝杆903上设有螺旋连接的升降板906，两根导向杆905平行设置于丝杆903的两侧，每根导向杆905上设有滑块909，升降板906与滑块909固定连接。升降板906由底座907和支撑板908组成，整体呈“T”型结构，升降板底座907的一端通过中间水平凸出部分所开设的通孔与丝杆903相适配，距离壳体901的内侧壁的水平距离为0.5-10cm，通孔下方通过螺母与丝杆903连接，丝杆903另一端设有两相互平行的侧面支撑板908，支撑板908中部设有中心孔，第三电机912固定于支撑板908外侧，其输出轴穿过该中心孔与摄像头固定杆911连接。控制模块5通过第二驱动模块902与第二电机904和第三电机912相互电连接，分别用于调节摄像头910的在竖直方向的位置及拍摄角度，实现摄像头910位置及拍摄角度的精确控制。每个扫描单元壳体901上均设有通孔913，用于引出第二驱动模块902和摄像头910的连接线。

如图2所示，支架3在沿竖直方向设有一条形孔302，图5、图6给出了本发明的第二实施例和第三实施例的设计方案，在沿竖直方向上开设多个间隔排布的条形孔302或通孔303，用于引出扫描单元壳体901背部的连接线分别与计算单元10和控制模块5相连接，该控制模块5也可集成于计算单元10内部；支架3两侧边缘处设有安装孔301，用于固定扫描单元9；支架3沿竖直方向设有刻度，用于读取摄像头910的位置信息。

本发明一个优选的实施方式中，将摄像头910的数据线和控制模块5的连接线8内置于拖链中与计算单元10之间连接，支架3采取顺时针、逆时针交替的方式沿轨道运动，以防连接线8的缠绕。

本发明另一个优选的实施方式中，在环形轨道1的外侧设有环形电刷式连接，摄像头910通过无线传输模块与计算单元10进行数据的传输，控制模块5通过环形电刷的固定连接点与计算单元10相连接。

为了在支架运动过程中保证摄像头的平稳，以获得准确的深度信息，提高重建模型的精度，本发明给出了第四个实施例，如图7所示，支架的上方设有由三根立柱11支撑的顶盖12，顶盖12下方设有与地面平行的上环形轨道13，其垂直方向的投影与地面轨道重合，支架上端设有第二齿轮14与上环形轨道的齿条相啮合。控制模块5通过第一驱动模块6和第三驱动模块15控制支架上下两端的齿轮同时转动。

本发明所提供三维扫描与重建装置的具体应用方法如下：

（1）将目标对象置于轨道中心处；

（2）依据目标对象的大小和形状确定所需扫描单元9的数量及安装位置，将扫描单元9按照预定位置固定在支架3上，并将每个扫描单元9上的驱动模块通过控制模块5与计算单元10相连接，将每个摄像头910通过无线传输模块或数据线直接与计算单元10相连；

（3）开启摄像模式，通过计算单元10控制每个扫描单元9内电机二和电机三来调整摄像头910的高低位置及拍摄角度；

（4）通过控制模块5启动第一电机7，按照设定的速度带动支架3沿环形轨道1匀速运动；

（5）扫描数据实时传输至计算单元10，通过三维重建系统实现三维立体模型的实时重建、实时显示；

（6）摄像头910沿轨道绕目标对象旋转一周，完成三维扫描过程；

（7）计算单元10输出目标对象完整的三维立体模型。

以上结合本发明具体实施方式作了详细说明，但本发明不限于以上实施方式，本领域普通技术人员在不脱离本发明构思和范围的前提下所做出的其它变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求的保护范围由权利要求书及其等同物界定。