基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置与流程

本发明涉及三维扫描成像技术领域，具体地说，涉及一种基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置。

背景技术：

现有技术中的基于结构光的三维扫描成像装置，是一种用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)的设备，其采用投射设备将具有一定模式的一维或者二维的编码图像投射至被测物体上，投射光投射到物体上后根据物体表面的形状，编码条纹在扫描物体上发生畸变，再将投射设备的编码图像、成像设备的成像平面以及世界坐标系组成的空间三角关系上进行三角测距来获取物品外表面的点数据集合，即点云的三维数据信息。

现有技术下，通常采用数字光处理技术(DPL)来投射结构光图案，再通过一个或两个成像设备对目标物体进行多幅图像摄像。数字光处理技术，其原理是将通过超高压汞灯泡发射出的冷光源通过冷凝透镜，通过光棒(Rod)将光均匀化，经过处理后的光通过一个色轮，将光分成RGB三色(或者RGBW等更多色，再将色彩由透镜投射在数学微镜器件(DMD)芯片上，最后反射经过投影镜头在投影屏幕上成像。但是，在长期的生产和实践中发现，采用上述设备和方法成像存在诸多缺陷：

1)数学微镜器件芯片等设备结构较为复杂，且难以控制缩小其体积，因此这样的成像方式与人们对设备结构微型化、高度集成化等要求相违背；

2)采用上述设备和成像方法功耗较高，通常在5W到50W的范围内，因此在成像过程中产生大量的热，为保证设备和系统安全正常运作，需要另外设置整套具有较高散热效率的散热系统；

3)为保证成像的准度和精度，加上数学微镜器件上百万计的镜像单元，再加上人们对图像处理时颜色的准度的要求进一步提升等诸多因素，导致需要配置高速数字处理芯片以因对现有成像技术对数字处理量的要求；

4)同样，为保证成像的准度和精度，加上缺少必要的调整摄像机角度的装置，因此，通常需要两个甚至多个摄像机，才能够满足从多个角度进行拍摄的要求，这必然带来的是操作上的繁杂以及成像成本的进一步上升。

有鉴于此，应当提供一种新的三维扫描成像方法及装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种在不降低三维扫描成像准度和精度的情况下，采用体积更小的设备，且能够降低设备功耗、有效提升三维扫描装置性能的三维成像方法及对应的成像装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学微机电系统的三维扫描成像方法，该方法包括以下步骤：S1、初始化旋转转台、RGB摄像机以及微机电光机；S2、计算机发送指令至旋转转台，所述旋转转台接受指令并按照预设旋转角度转动，微机电光机向待扫描物体投射结构光图案；S3、所述微机电光机投射的结构光图案在所述待扫描物体上发生畸变，所述RGB摄像机对发生畸变的所述结构光图案进行拍摄，若结构光图案投射完成后，则进入步骤S4，否则重复所述步骤S3；S4、当所述结构光图案投射完成后，计算机终端对所述RGB摄像机拍摄的照片进行三维重建，而后返回所述步骤S2，所述计算机重新发送包含新的转动角度的指令至所述旋转转台，所述旋转转台接收新的指令并按照新的旋转角度进行旋转；S5、当所述旋转转台分别旋转多个旋转角度后，所述RGB摄像机完成多角度拍摄，并将数据传送至计算机终端，所述计算机终端对数据进行拼接，而后生成三维点云数据，并显示所述单位点云数据。

优选地，在所述步骤S2中，所述RGB摄像机可以同时生成三维点云数据和RGB图像数据。

优选地，在所述步骤S2中，预设转动角度可以在10度到15度的范围内。

相应的，本发明还提供了一种基于上述内容的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置，该装置包括微控制单元，该微控制单元通过通用串行总线与计算机终端连接；RGB摄像机，该RGB摄像机通过移动处理器接口与所述微控制单元连接；微机电光机，该微机电光机通过通用异步收发传输器与所述微控制单元连接；旋转转台，该旋转转台包括旋转电机、电机驱动电路和编码器，所述编码器通过串行外设接口与所述微控制单元连接，所述编码器和所述电机驱动电路控制所述旋转电机工作，使得所述旋转转台做高精度旋转，其中，当所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置工作时，所述旋转电机转动多个角度，微机电光机投射单目结构光，同时所述RGB摄像机以多个角度对结构光投射在待测物上的图案进行拍摄，然后所述计算机终端对图像进行三维重建，拼接生成三维点云数据，最后在所述计算机上显示。

优选地，所述RGB摄像机可以同时生成三维点云数据和RGB图像数据。

优选地，所述微机电光机可以内置在消费类电子设备中。

优选地，所述旋转转台可以按照预设的旋转角度和预设的旋转间隔转动。

进一步优选地，所述预设的旋转角度的可以在10度到15度的范围内。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置中，通过设置微机电光机取代现有技术中的DPL数字光处理技术，一方面因微机电光机的功耗在毫瓦级，与现有技术下的扫描成像设备通常功耗在5W到50W之间相比，大大降低了扫描成像所需要的能耗，且无需因为设备过热而另外设置散热装置，另一方面，犹豫微机电光机体积小、具有系统级的集成度且与IC工艺兼容，重量极轻，可以内置现有技术下的多种消费类电子设备中，大大扩展了本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置的适用性；再者，通过编码器和电机驱动电路以及旋转电机，可以控制RGB相机按照预设的角度和预设的间隔连续多角度对微机电光机投射的结构光图案进行拍摄，一方面，这样的装置和方法只需要单相机就可以在不降低三维扫描精度的情况下对待扫描物体进行精确拍摄，另一方面，多角度间隔拍摄形成多幅结构光图案，一定程度上提高了对待扫描物体的扫描精度和效果；综上所述，本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置可以有效地降低三维扫描成像的功耗，且缩小了装置整体体积，将微机电光机内置在消费类电子产品内，扩展了该装置的适用性，并且通过RGB摄像机多角度间隔拍摄的方法，在不降低三维扫描精度的情况下，提高了三维扫描设备的性能，最后，装置仅仅需要一组RGB摄像机即可完成扫描工作，大大节省了扫描成像所需的成本，也从一定程度上提高了本装置扫描成像的稳定性。

附图说明

图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方；

图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置的结构。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法。如图1所示，在本发明的该实施例中所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法，该方法包括S1、初始化旋转转台、RGB摄像机以及微机电光机；S2、计算机发送指令至旋转转台，所述旋转转台接受指令并按照预设旋转角度转动，微机电光机向待扫描物体投射结构光图案；S3、所述微机电光机投射的结构光图案在所述待扫描物体上发生畸变，所述RGB摄像机对发生畸变的所述结构光图案进行拍摄，若结构光图案投射完成后，则进入步骤S4，否则重复所述步骤S3；S4、当所述结构光图案投射完成后，计算机终端对所述RGB摄像机拍摄的照片进行三维重建，而后返回所述骤S2，所述计算机重新发送包含新的转动角度的指令至所述旋转转台，所述旋转转台接收新的指令并按照新的旋转角度进行旋转；S5、当所述旋转转台分别旋转多个旋转角度后，所述RGB摄像机完成多角度拍摄，并将数据传送至计算机终端，所述计算机终端对数据进行拼接，而后生成三维点云数据，并显示所述单位点云数据。

在本发明的该实施例中，RGB摄像机传输拍摄的RGB图像数据至计算机终端，在本发明的其他实施例中，RGB摄像机也可以同时生成三维点云数据和RGB图像数据，然后将三维点云数据和RGB图像数据一起按照一定的数据格式进行组包后发送至计算机终端，这样可以大大提高数据采集的效率，且计算机终端在处理数据时，无须关注数据的来源，可以直接对数据进行按照预定的数据组包格式进行解包。

在步骤S2中，预设的转动角度可以在10度到15度的范围内，在本发明的其他实施例中，也可以根据待扫描物体的具体形状以及扫描精度和准度的具体要求，一方面可以调整转动角度以拍摄更多/更少角度的图片，以提高拍摄准度或者提高拍摄效率，另一方面，也可以通过调整转动间隔，或者根据实际需要设置特定的异步拍摄间隔，以满足不同的扫描需要。

相应的，本发明还提供了一种根据上述内容的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置，图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置的结构。如图2所示，在本发明的该实施例所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置包括与计算机终端1连接的微控制单元2、RGB摄像机3、微机电光机4以及旋转转台5。其中，微控制单元2通过通用串行总线与计算机终端1连接，RGB摄像机3通过移动处理器接口与微控制单元2连接，微机电光机4通过通用异步收发传输器与微控制单元2连接。

旋转转台5包括旋转电机51、电机驱动电路52以及编码器53，编码器53通过串行外设接口与微控制单元2连接，编码器53和电机驱动电路52按照计算机终端发送的指令控制旋转电机51工作，使得旋转转台5按照预设的旋转角度和旋转间隔做高精准度旋转。其中，当本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像装置工作时，旋转电机51转动多个角度，微机电光机4投射单目结构光，同时RGB摄像机以多个角度对结构光投射在待扫描物体上的图案进行拍摄，而后计算机终端1对图像进行三维重建，并拼接成三维点云数据，最后在计算机终端上显示。

值得一提的是，微机电光机因其体积极小，可以内置在现有技术下绝大多数的消费类电子设备中，以较大幅度地扩大本发明所述的光学微机电系统的三维扫描成像装置的适用性。另外，旋转转台可以根据具体的扫描需要和待扫描物体的特性，按照预设的旋转角度和预设的旋转间隔转动，以进一步提高扫描的精度，在本发明的该实施例中，预设的旋转角度在10度到15度的范围内。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置中，通过设置微机电光机取代现有技术中的DPL数字光处理技术，一方面因微机电光机的功耗在毫瓦级，与现有技术下的扫描成像设备通常功耗在5W到50W之间相比，大大降低了扫描成像所需要的能耗，且无需因为设备过热而另外设置散热装置，另一方面，犹豫微机电光机体积小、具有系统级的集成度且与IC工艺兼容，重量极轻，可以内置现有技术下的多种消费类电子设备中，大大扩展了本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置的适用性；再者，通过编码器和电机驱动电路以及旋转电机，可以控制RGB相机按照预设的角度和预设的间隔连续多角度对微机电光机投射的结构光图案进行拍摄，一方面，这样的装置和方法只需要单相机就可以在不降低三维扫描精度的情况下对待扫描物体进行精确拍摄，另一方面，多角度间隔拍摄形成多幅结构光图案，一定程度上提高了对待扫描物体的扫描精度和效果；综上所述，本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置可以有效地降低三维扫描成像的功耗，且缩小了装置整体体积，将微机电光机内置在消费类电子产品内，扩展了该装置的适用性，并且通过RGB摄像机多角度间隔拍摄的方法，在不降低三维扫描精度的情况下，提高了三维扫描设备的性能，最后，装置仅仅需要一组RGB摄像机即可完成扫描工作，大大节省了扫描成像所需的成本，也从一定程度上提高了本装置扫描成像的稳定性。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明所述的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于光学微机电系统的三维扫描成像方法及成像装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。