投影装置和三维扫描系统的制作方法

1.本技术涉及三维扫描领域，特别是涉及投影装置和三维扫描系统。


背景技术：

2.图像匹配(image matching)是三维重建的重要步骤，具体通过对影像内容、特征、结构、关系、纹理及灰度等的对应关系、相似性和一致性的分析，寻求相似影像目标。根据图像匹配得到的视差图能够计算出所扫描物体的点云信息。对多个相机在同一时间获得的帧进行分析，获得所扫描物体在多个帧上的对应坐标，根据多个相机的相对关系和对应坐标能够计算得到视差图。
3.但是由于在诸如白墙等纹理不明显区域进行图像匹配时容易匹配到错误对应点，甚至纹理量不够的情况下有的区域无法匹配到对应点，影响了最终的物体点云精度。为了解决这一问题，本领域中一般会借助外部设备，人为为所扫描物体添加纹理，提高匹配精度；这种人为添加纹理的方法，操作繁琐，效果有待进一步优化。
4.如何减少误匹配率，提高视差图精度，提高点云质量，仍然是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种投影装置和三维扫描系统。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种投影装置，包括：至少两个激光组件，其中，
7.第一激光组件配置为发射激光以在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第一投影区域；
8.第二激光组件配置为发射激光以在所述待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第二投影区域；
9.所述第一激光组件和所述第二激光组件之间的相对设置位置满足以下条件：使得所述第一投影区域与所述第二投影区域部分交叠。
10.在一可选实施例中，所述第一激光组件和所述第二激光组件之间的相对设置位置具体满足以下条件：使得所述第一投影区域与所述第二投影区域之间的交叠面积大于等于所述第一投影区域面积的50％，且小于所述第一投影区域面积的100％。
11.在一可选实施例中，所述至少两个所述激光组件呈中心对称式分布。
12.在一可选实施例中，所述至少两个所述激光组件具体为三个激光组件，其中，三个所述激光组件在所述投影装置中呈三角分布；或所述至少两个所述激光组件具体为四个激光组件，其中，四个所述激光组件在所述投影装置中呈四边形分布。
13.在一可选实施例中，所述第一激光组件和所述第二激光组件之间的间距范围为0.5cm
‑
1.5cm。
14.在一可选实施例中，所述第一激光组件和/或所述第二激光组件包括垂直腔面发
射激光器，所述垂直腔面发射激光器由呈阵列排布的多个子光源组成。
15.第二方面，本技术实施例提供了一种三维扫描系统，包括：上述实施例中任意一项所述的投影装置，以及扫描装置；
16.所述扫描装置配置为对所述待扫描物体表面进行扫描。
17.在一可选实施例中，所述扫描装置的视野范围包括所述第一投影区域以及所述第二投影区域。
18.在一可选实施例中，所述扫描装置的视野范围在所述第一投影区域与所述第二投影区域之间的交叠区域内。
19.在一可选实施例中，还包括控制器；
20.所述控制器配置为控制所述投影装置的所述第一激光组件和所述第二激光组件发射激光，和/或配置为控制所述扫描装置进行扫描。
21.相比于相关技术，本技术实施例提供的投影装置和三维扫描系统，通过投影装置包括至少两个激光组件，第一激光组件配置为发射激光以在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第一投影区域，第二激光组件配置为发射激光以在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第二投影区域；第一激光组件和第二激光组件之间的相对设置位置满足以下条件：使得第一投影区域与第二投影区域部分交叠；如此，第一投影区域与第二投影区域之间的交叠区域内散斑密度增加，图案的随机性增强，在搜索相似点时，搜索到错误对应点的概率下降，从而增加了匹配精准度，减少了误匹配率，提高了视差图精度，提高了点云质量。
22.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
24.图1为本技术一实施例提供的投影装置的结构示意图；
25.图2为投影装置朝向待扫描物体表面发射激光的示意图；
26.图3为单一激光组件投射出的散斑图案；
27.图4为本技术另一实施例提供的投影装置的结构示意图；
28.图5为本技术另一实施例提供的投影装置投射出的散斑图案；
29.图6为本技术又一实施例提供的投影装置的结构示意图；
30.图7为本技术其他可选实施例提供的投影装置的结构示意图；
31.图8为本技术一实施例提供的三维扫描系统的结构框图；
32.图9为本技术一实施例提供的三维扫描系统的结构示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然
这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
34.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
35.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
36.首先，本技术实施例提供了一种投影装置，该投影装置包括至少两个激光组件。
37.请参考图1加以理解，投影装置100包括：第一激光组件101和第二激光组件102，其中，第一激光组件101配置为发射激光以在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第一投影区域；第二激光组件102配置为发射激光以在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成第二投影区域。
38.图2为投影装置朝向待扫描物体表面发射激光的示意图，如图所示，投影装置100可以距离待扫描物体500一定距离，并通过激光组件朝向待扫描物体500的表面发射激光。如果投影装置100仅包括一个激光组件，则在待扫描物体500表面形成如图3所示的散斑图案。这样的散斑图案比较单一，匹配时很容易出现错误。例如，参考图3中矩形框圈出的两个斑点，在同一行搜索相似点时，由于两点投影比较类似，有可能找到错误的对应点。
39.而本技术实施例中，第一激光组件101和第二激光组件102分别在待扫描物体表面形成第一投影区域和第二投影区域。这里，请参考图5加以理解，应当说明的是，虽然图5中示出了三个投影区域的情况，但是本技术实施例并不限于此，两个以上投影区域均可以借助图5进行理解。具体地，第一激光组件101发射激光，在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成例如第一投影区域201；第二激光组件102发射激光，在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成例如第二投影区域202；第一激光组件101和第二激光组件102之间的相对设置位置满足以下条件：使得第一投影区域201与第二投影区域202部分交叠。如图5所示，第二投影区域202相对于第一投影区域201向图中右下方偏斜，第二投影区域202与第一投影区域201既不完全重合，也不完全分离，而是具有部分交叠的区域。
40.如此，第一投影区域201与第二投影区域202之间的交叠区域内散斑密度增加，图
案的随机性增强，在搜索相似点时，搜索到错误对应点的概率下降，从而增加了匹配精准度，减少了误匹配率，提高了视差图精度，提高了点云质量。
41.应当说明的是，在实际应用中，至少两个激光组件各自投射出的散斑投影以各种方式组合。图5右侧仅列出4种可能的组合方式，组合后的投影大大提高了投影的随机性，在搜索相似点时，搜索到错误对应点的概率下降。不仅如此，与只有一个激光组件相比，至少两个激光组件投射的投影面积也增大了，从而增加了可进行图像匹配的面积，提高了匹配的效率。
42.还应当说明的是，在增加激光组件之后，三维扫描系统的后处理的算法并没有改变。对于相同的算法，增加激光组件能显著提升匹配准确度。
43.在本技术各实施例中，第一激光组件和/或第二激光组件包括垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器由呈阵列排布的多个子光源组成。
44.垂直腔面发射激光器(vertical
‑
cavity surface
‑
emitting laser，简称vcsel)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程、激光由边缘射出的边射型激光有所不同。vcsel作为一种光源，用于在待扫描物体表面投射出图案。单个vcsel实质上是vcsel阵列，由成百上千个子光源组成，从而可以投射出一副如图3所示的散斑图案。
45.在一具体实施例中，第一激光组件和第二激光组件之间的相对设置位置具体满足以下条件：使得第一投影区域与第二投影区域之间的交叠面积大于等于第一投影区域面积的50％，且小于第一投影区域面积的100％。
46.进一步地，第一投影区域与第二投影区域之间的交叠面积大于等于第一投影区域面积的70％；更进一步地，例如80％
‑
90％之间。从而，使组合形成的、有效的投影区域(即交叠区域)的面积处于一个合适的范围内。
47.在一具体实施例中，至少两个激光组件呈中心对称式分布。
48.图4为本技术另一实施例提供的投影装置的结构示意图；在该实施例中，至少两个激光组件具体为三个激光组件，其中，三个激光组件在投影装置中呈三角分布。进一步地，呈倒三角分布。三个激光组件具体可以位于一个倒置的正三角形的三个顶点位置。
49.图5示出投影装置投射出的散斑图案具体为投影装置中包括三个激光组件时投射出的散斑图案；如图所示，三个激光组件分别在待扫描物体表面投射出散斑图案并形成例如第一投影区域201、第二投影区域202以及第三投影区域203。第一投影区域201、第二投影区域202以及第三投影区域203三者之间的交叠面积大于等于第一投影区域201(或第二投影区域202、或第三投影区域203)面积的50％，且小于第一投影区域(或第二投影区域202、或第三投影区域203)面积的100％。
50.图6为本技术又一实施例提供的投影装置投射出的散斑图案；在该实施例中，至少两个激光组件具体为四个激光组件，其中，四个激光组件在投影装置中呈四边形分布。并且，具体可以呈正四边形分布。
51.图7为本技术其他可选实施例提供的投影装置的结构示意图；在该实施例中，至少两个激光组件具体为五个激光组件，并且，其中四个激光组件在投影装置中呈四边形分布，除此之外的另一个激光组件在投影装置中位于上述四个激光组件所处的四边形的中心处。
52.在实际应用中，第一激光组件和第二激光组件之间的间距范围为0.5cm
‑
1.5cm。如
此，基于投影装置的尺寸而形成合理的分布，且公共视野较大。
53.在一具体实施例中，第一激光组件和第二激光组件之间的间距范围优选为1cm。
54.下面，请参考图8。本技术实施例还提供了一种三维扫描系统，包括：如前述实施例中任意一项所述的投影装置100，以及扫描装置300；该扫描装置300配置为对待扫描物体表面进行扫描。
55.应当理解，投影装置100可以作为一个独立部件生产与销售，而在大多数情况下，投影装置100是属于三维扫描系统(此处，三维扫描系统可以理解为一个具体整体结构的设备，即可以理解为一台三维扫描仪)的一部分而使用的。虽然，图2中仅示出了投影装置100与待扫描物体500，而在实际应用中，投影装置100的位置代表了三维扫描仪的位置。
56.例如，图9示出了一种三维扫描系统的结构示意图。如图所示，在扫描时，投影装置100在待扫描物体表面投射散斑，扫描装置300采集带有散斑图案的物体表面数据；经过电脑处理，得到一帧三维数据，同样，再采集处理得到下一帧三维数据，最后将多帧三维数据经过拼接、重建等，形成三维模型。
57.这里，扫描装置300具体为图像采集装置，例如包括相机。在图9所示的三维扫描系统中，扫描装置300包括三个相机。
58.在一个可选实施例中，扫描装置300的视野范围包括上述第一投影区域以及上述第二投影区域。当然，在还包括第三投影区域的实施例中，扫描装置300的视野范围还应当包括第三投影区域；以此类推，这里不一一赘述。此时，扫描装置的视野范围较大，三维扫描系统可通过相对缩短的移动距离而拍摄到足够的扫描区域；但由于拍摄到的各帧图像包括了不交叠的投影区域，因此在拼接时需要去除不交叠的区域。
59.在另一个可选实施例中，扫描装置300的视野范围在第一投影区域与第二投影区域之间的交叠区域内。当然，在还包括第三投影区域的实施例中，扫描装置300的视野范围应当在第一投影区域、第二投影区域与第三投影区域三者之间的交叠区域内；以此类推，这里不一一赘述。此时，扫描装置的视野范围相对较小，但有效范围较大。
60.下面，请继续参考图8。如图所示，三维扫描系统还可以包括控制器400；该控制器400配置为控制投影装置100的第一激光组件101和第二激光组件102发射激光，和/或配置为控制扫描装置300进行扫描。
61.在实际应用中，可以分别配置单独控制各个激光组件和扫描装置的控制器，也可以配置一个控制器同时既可以控制各个激光组件投射激光，又可以控制扫描装置进行扫描。
62.综上所述，相比于现有技术中设备只有一个激光组件，每次只能投射一幅投影图，匹配时容易匹配到多块相似区域，造成误匹配；本技术实施例提供的设备具有多个激光组件，能够同时投射多幅投影图。从而，通过投影设备的增加使得投影重叠区域中vcsel的密度增大，从而使其组合而成的投影图像的随机性增强。随机性图案能够在匹配时增加匹配精确度，减少误匹配。进而，提高视差图精度，提高点云质量。
63.本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
64.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能
因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。