三维扫描仪及操作方法
【技术领域】
[0001] 本文中所公开的主题涉及三维扫描仪，并且特别地，涉及具有编码的结构化光图 案的三维扫描仪。
【背景技术】
[0002] 三维（3D)扫描仪被用在许多应用中以生成物体的三维计算机图像或者追踪物体 或人的运动。一种类型的扫描仪将结构化光图案投影至表面上。这种类型的扫描仪包括以 彼此间的已知几何关系布置的投影机和摄像机。来自结构化光图案的光被反射而离开表面 并且被数码摄像机记录。因为图案是结构化的，所以扫描仪可以使用三角测量法来确定投 影图像与记录图像之间的对应关系，以及确定表面上的点的三维坐标。当计算出点的坐标 时，可以生成表面的表示。
[0003] 已经提出了许多结构化光图案以用于生成3D图像。这些图案中的许多图案是根 据适用于被保持在固定位置的扫描仪的一系列图案生成的。这些图案的示例包括二进制图 案和格雷编码、相移以及光度法。还有其它图案使用被索引的单载片图案，例如条纹索引和 网格索引。然而，随着便携式扫描仪或手持式扫描仪的发展，这些图案中的许多图案由于扫 描仪相对于被扫描物体的移动而不能提供所需要的分辨率或准确度水平。
[0004] 虽然现有的三维扫描仪适用于其预期目的，但是仍存在改善的需要，特别是在提 供一种具有以下结构化光图案的三维扫描仪方面：该结构化光图案提供用于确定表面上的 点的三维坐标的改善的性能。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的一个方面，提供了三维扫描仪。该扫描仪包括被配置成将光图案发 射至表面上的投影机。光图案包括具有第一对相对的锯齿形边缘的第一区域，该第一区域 具有第一相位。在光图案中提供具有第二对相对的锯齿形边缘的第二区域，该第二区域具 有第二相位，第二区域相对于第一区域偏移第一相位差。在光图案中提供具有第三对相对 的锯齿形边缘的第三区域，该第三区域具有第三相位，第三区域相对于第二区域偏移第二 相位差。摄像机被耦接至投影机并且被配置成接收来自从表面反射的光图案的光。处理器 被电耦接至摄像机以根据第一区域、第二区域以及第三区域的反射光来确定表面上的至少 一个点的三维坐标。
[0006] 根据本发明的另一方面，提供了三维扫描仪。该扫描仪包括壳体和投影机。投影机 被设置在壳体内并且被配置成发射具有第一复数个区域的光图案。第一复数个区域中的每 个区域具有第一对边缘，该第一对边缘具有锯齿形状，第一复数个区域包括预定数的均匀 间隔的相位，均匀间隔的相位在沿第一复数个区域的长度的第一方向上彼此偏移。数字摄 像机被设置在壳体内并且被配置成接收来自被反射而离开表面的光图案的光。处理器被耦 接至数字摄像机以进行通信，当在处理器上执行可执行计算机指令时，处理器响应于可执 行计算机指令，以响应于接收到来自光图案的光来确定表面上的至少一个点的三维坐标。
[0007] 根据本发明的又一方面，提供了确定表面上的点的三维坐标的方法。该方法包括 从投影机发射光图案，该光图案包括第一复数个区域，其每个均具有一对边缘，该一对边缘 具有锯齿形状，其中，第一复数个区域中的相邻区域具有不同的相位，投影机具有源平面。 用数字摄像机接收来自被反射而离开表面的光图案的光，数字摄像机具有图像平面，数字 摄像机与投影机间隔基线距离。在图像平面上获取光图案的图像。针对第一复数个区域的 至少一个区域确定图像上的至少一个中心。通过图像平面上的至少一个中心来定义图像核 线。在源平面上确定与至少一个中心对应的至少一个图像点。通过源平面上的所述至少一 个图像点来定义源核线。至少部分地基于至少一个中心、至少一个图像点以及基线距离来 确定表面上的至少一个点的三维坐标。
[0008] 结合附图，根据以下描述，这些优势和特征以及其它优势和特征将变得更加明显。
【附图说明】
[0009] 在本说明书的结尾部分处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护被认为是 发明的主题。结合附图，根据以下详细描述，本发明的前述特征和其它特征以及优势是明显 的，在附图中：
[0010] 图1是根据本发明的实施方式的3D扫描仪的透视图；
[0011] 图2是图1的3D扫描仪的示意图；
[0012] 图3和图4是图示出图1的装置的操作的示意图；
[0013] 图5和图5A是根据本发明的实施方式的结构化光图案的放大视图；
[0014] 图6是根据本发明的实施方式的具有梯形轮廓的结构化光图案；以及
[0015] 图7是根据本发明的实施方式的具有方形轮廓的结构化光图案。
[0016] 该详细描述参考附图以举例的方式说明了本发明的实施方式，以及优势和特征。
【具体实施方式】
[0017] 三维（3D)扫描仪被用在各种应用中以确定物体的表面点坐标和计算机图像。本 发明的实施方式在改善测量的分辨率和准确度方面提供了优势。本发明的实施方式还在提 供对物体的非接触式测量方面提供了优势。本发明的实施方式在减少用于确定表面点的坐 标值的计算时间方面提供了优势。本发明的实施方式在增大允许模糊量以及提供增大的视 场方面提供了优势。更进一步地，本发明的实施方式在减少用于识别表面点的图案中的线 的数量方面提供了优势。
[0018] 如本文中所使用的，术语"结构化光"是指投影在物体的连续区域上的光的二维图 案，该连续区域传送可以被用以确定物体上点的坐标的信息。结构化光图案将包含被布置 在连续且封闭的区域内的至少三个非共线图案元素。三个非共线图案元素中的每个均传送 可以被用以确定点坐标的信息。
[0019] 通常，存在两种类型的结构化光：编码的光图案和未编码的光图案。如本文中所 使用的，编码的光图案是以下图案：在该图案中，可以通过获取单个图像来确定物体的受照 射表面的三维坐标。在一些情况下，投影装置可以相对于物体移动。换言之，对于编码的光 图案，投影图案与获取的图像之间将不存在显著的时间关系。典型地，编码的光图案将包含 一组元素，该一组元素被设置成使得元素中的至少三个元素是非共线的。在一些情况下，这 组元素可以被布置到线的集合或图案区域的集合中。使元素中的至少三个元素不共线确保 了：图案不是如同例如由激光线扫描仪投影的简单的线图案。因此，由于元素的该布置，图 案元素是可识别的。
[0020] 相比之下，如本文中所使用的，未编码的结构化光图案是以下图案：当投影机相 对于物体移动时，其一般不允许通过单个图案的测量。未编码的光图案的一个示例是需要 一系列的连续的图案并因此获取一系列连续的图像。由于投影图案的时间特性和图像的获 取，所以在投影机与物体之间不应该存在相对运动。
[0021] 应当理解的是，结构化光不同于由生成光线的激光线探针或激光线扫描仪型设备 所投影的光。目前与关节臂一起使用的激光线探针具有不规则性或可以被视为生成的线内 的特征的其它方面，就这方面而言，以共线布置设置这些特征。因此，不考虑单个生成的线 内的这些特征来把投影光变为结构化光。
[0022] 图1与图2中示出了 3D扫描仪20,其尺寸和形状适合便携并且被配置成由单个操 作员使用。扫描仪20包括具有手柄部分24的壳体22,手柄部分24的尺寸和形状适合由 操作员握持。一个或更多个按钮26被布置在手柄24的一侧上，以允许操作员启动扫描仪 20。在前侧28上，布置有投影机30和摄像机32。扫描仪20还可以包括可选显示器34,其 被定位成允许操作员在获取扫描数据的图像时观看扫描数据的图像。
[0023] 投影机30包括照射图案生成器38的光源36。在一个实施方式中，光源是可见光 源。光源36可以是激光器、超发光二极管、白炽灯、发光二极管（LED)、痛气灯或其它合适的 发光设备。将来自光源的光定向成穿过图案生成器38,以产生被投影到被测表面上的光图 案。在示例性实施方式中，图案生成器38是上面蚀刻有结构化图案的镀铬玻璃载片。在其 它实施方式中，源图案可以是从数字微镜器件（DMD)反射的光或通过数字微镜器件透射的 光，例如由德州仪器公司（Texas Instruments Corporation)制造的数字光投影机（DLP)、 液晶装置（LCD)、或硅基液晶（LCOS)装置。这些装置中的任何装置均能够在透射模式或反 射模式下使用。投影机30还可以包括透镜系统40,其改变出射光以在被测表面上重新生成 所需图案