一种三维全景扫描装置及三维模型生成方法
【专利摘要】本发明涉及一种三维全景扫描装置，包括样品台、横向转动杆、纵向转动杆和图像捕获装置；基于本发明设计技术方案进行配置，纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转轨迹、在横向转动杆另一端旋转过程下形成的轨迹面与样品台所在面构成封闭区域，图像捕获装置设置在纵向转动杆的另一端，设计结构简单，成本低廉，能够方便快捷地全面实现多角度二维图像获取。与此相应，本发明还涉及基于三维全景扫描装置的三维模型生成方法，采用相对清晰简明的步骤方法，即可快速实现被扫描物体稀疏型三维模型的获取，且步骤方法简明易于控制。
【专利说明】一种三维全景扫描装置及三维模型生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维全景扫描装置及三维模型生成方法。
【背景技术】
[0002]当前的三维重构扫描技术包括激光和结构光等，如基于结构光的三维扫描仪的优点是速度快、精度高，与激光三维扫描仪相比，结构光单次测量范围大，景深大。但此类设备一般需要有两个相机和一个投影仪组合而成，结构复杂、成本比较高，结构的复杂也使得此类扫描仪的设置相对比较复杂，比如调整扫描视野和分辨率不是很灵活等。
【发明内容】
[0003]针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种设计结构简单，结构灵活多变，能够全面实现多角度二维图像获取的三维全景扫描装置。
[0004]与此相应，针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于本发明设计的三维全景扫描装置获取的多角度二维图像，能够方便快捷地获取三维模型的三维模型生成方法。
[0005]本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明设计了一种三维全景扫描装置，包括样品台、横向转动杆、纵向转动杆和图像捕获装置，横向转动杆的一端与样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端以样品台的底面中心位置为旋转中心做360°旋转，且横向转动杆的另一端的360β旋转轨迹所在面与样品台所在面相平行，所述横向转动杆的一端与另一端间的距离大于样品台的底面中心位置与样品台任意边缘间的距离；纵向转动杆的一端与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转轨迹、在横向转动杆另一端旋转360°过程下形成的轨迹面与样品台所在面构成封闭区域，且样品台的上表面位于该封闭区域内；图像捕获装置设置在纵向转动杆的另一端，且图像捕获装置的图像捕获端指向样品台。
[0006]作为本发明的一种优选技术方案:与所述样品台所在面相垂直，且与所述横向转动杆另一端旋转36Τ圆的边缘相切的面作为旋转参考面，所述纵向转动杆为L形杆，L形杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且L形杆所在面与经过横向转动杆另一端的旋转参考面相垂直。
[0007]作为本发明的一种优选技术方案:还包括第一电机和第二电机，其中，所述横向转动杆的一端通过第一电机与所述样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端通过第一电机以样品台的底面中心位置为旋转中心做36Τ旋转；纵向转动杆的一端通过第二电机与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆通过第二电机以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转。
[0008]作为本发明的一种优选技术方案:所述第一电机和所述第二电机均为步进电机或伺服电机。
[0009]作为本发明的一种优选技术方案:还包括分别设置在所述第一电机上、第二电机上的第一位置传感器、第二位置传感器。
[0010]作为本发明的一种优选技术方案:所述图像捕获装置为具有变焦镜头的相机。
[0011 ] 本发明所述一种三维全景扫描装置采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
(1)本发明设计的三维全景扫描装置，设计结构简单，成本低廉，相对于现有基于结构光的三维扫描仪相比，本发明设计是一种具有灵活结构的专用三维扫描装置，能够方便快捷地全面实现多角度二维图像获取，且整个装置操作简单，便于维护；
(2)本发明设计的三维全景扫描装置中，针对纵向转动杆设计为L形杆，并且与所述样品台所在面相垂直，且与所述横向转动杆另一端旋转36T圆的边缘相切的面作为旋转参考面，设计L形杆所在面与经过横向转动杆另一端的旋转参考面相垂直，使得所述图像捕获装置的图像捕获区域更加规整，便于后期数据计算；
(3)本发明设计的三维全景扫描装置中，设计第一电机、第二电机分别用于横向转动杆的转动和纵向转动杆的转动，方便快捷，且移动速度快速，并且设计的第一位置传感器、第二位置传感器使得图像捕获装置的位置精确可控，大大提高本发明设计三维全景扫描装置的工作效率；
(4)本发明设计的三维全景扫描装置中，设计所述图像捕获装置为具有变焦镜头的相机，可以根据被扫描物体的大小，预先自由调节设置相机的焦段和焦距，自由实现高低分辨率的三维全景扫描。
[0012]与此相应，本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明设计了一种基于本发明设计三维全景扫描装置的三维模型生成方法，包括如下步骤:
步骤001.将被扫描物体放置在所述样品台的上表面上，通过所述横向转动杆另一端以所述样品台底面中心位置为旋转中心做的360β旋转，以及纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转，由所述图像捕获装置获取被扫描物体各个角度的二维图像，且相邻二维图像之间具有重叠区域；
步骤002.针对被扫描物体各角度的二维图像，分别对相邻二维图像的重叠区域进行特征点匹配；
步骤003.根据图像捕获装置获取被扫描物体各个角度二维图像时的位置，通过从运动恢复结构技术获得步骤002中相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标；
步骤004.根据相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标，获得被扫描物体稀疏型三维模型。
[0013]作为本发明的一种优选技术方案:述步骤002中还包括如下步骤:
针对所述相邻二维图像重叠区域特征点匹配过程中的误匹配特征点，通过对极几何约束方法进行清除。
[0014]作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤004之后，还包括步骤005如下:
步骤005.针对所述被扫描物体稀疏型三维模型，利用基于多视角的立体映射技术获得被扫描物体密集型三维模型。
[0015]作为本发明的一种优选技术方案:所述步骤005之后，还包括步骤006如下: 步骤006.将所述各幅二维图像对应映射到所述被扫描物体密集型三维模型上，获得表面具有纹理图像的被扫描物体三维模型。
[0016]本发明所述一种基于本发明设计三维全景扫描装置的三维模型生成方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
(1)本发明设计基于本发明设计三维全景扫描装置的三维模型生成方法，基于方便快捷获取被扫描物体各个角度的二维图像基础上，采用相对清晰简明的步骤方法，即可快速实现被扫描物体稀疏型三维模型的获取，且步骤方法简明易于控制；
(2)本发明设计基于本发明设计三维全景扫描装置的三维模型生成方法中，针对所述相邻二维图像重叠区域特征点匹配过程中的误匹配特征点，设计了行之有效的清除方法，能够有效保证最终结果的准确性；
(3)本发明设计基于本发明设计三维全景扫描装置的三维模型生成方法中，针对所述被扫描物体稀疏型三维模型，设计步骤能够方便快捷获得被扫描物体密集型三维模型，并且采用映射方法步骤，能够方便快捷地获得表面具有纹理图像的被扫描物体三维模型，方法步骤效果明显，且易于掌控。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明设计三维全景扫描装置的立体结构示意图；
图2是本发明设计三维全景扫描装置的结构侧视图。
[0018]其中，1.纵向转动杆，2.横向转动杆，3.图像捕获装置，4.第二电机，5.样品台,6.第一电机。
【具体实施方式】
[0019]下面结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0020]如图1和图2所示，本发明设计一种三维全景扫描装置，包括样品台、横向转动杆、纵向转动杆和图像捕获装置，横向转动杆的一端与样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端以样品台的底面中心位置为旋转中心做360°旋转，且横向转动杆的另一端的36T旋转轨迹所在面与样品台所在面相平行，所述横向转动杆的一端与另一端间的距离大于样品台的底面中心位置与样品台任意边缘间的距离；纵向转动杆的一端与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转轨迹、在横向转动杆另一端旋转360°过程下形成的轨迹面与样品台所在面构成封闭区域，且样品台的上表面位于该封闭区域内；图像捕获装置设置在纵向转动杆的另一端，且图像捕获装置的图像捕获端指向样品台。本发明设计的三维全景扫描装置，设计结构简单，成本低廉，相对于现有基于结构光的三维扫描仪相比，本发明设计是一种具有灵活结构的专用三维扫描装置，能够方便快捷地全面实现多角度二维图像获取，且整个装置操作简单，便于维护。
[0021]针对以上设计三维全景扫描装置技术方案基础之上，与所述样品台所在面相垂直，且与所述横向转动杆另一端旋转360β圆的边缘相切的面作为旋转参考面，所述纵向转动杆为L形杆，L形杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且L形杆所在面与经过横向转动杆另一端的旋转参考面相垂直，针对纵向转动杆设计为L形杆，并且与所述样品台所在面相垂直，且与所述横向转动杆另一端旋转360°圆的边缘相切的面作为旋转参考面，设计L形杆所在面与经过横向转动杆另一端的旋转参考面相垂直，使得所述图像捕获装置的图像捕获区域更加规整，便于后期数据计；并且本技术方案基础之上，还包括第一电机和第二电机，其中，所述横向转动杆的一端通过第一电机与所述样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端通过第一电机以样品台的底面中心位置为旋转中心做360"旋转；纵向转动杆的一端通过第二电机与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆通过第二电机以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，设计第一电机、第二电机分别用于横向转动杆的转动和纵向转动杆的转动，方便快捷，且移动速度快速，大大提高本发明设计三维全景扫描装置的工作效率；其中，所述第一电机和所述第二电机均为步进电机或伺服电机；不仅如此，本发明设计三维全景扫描装置的技术方案中，还包括分别设置在所述第一电机上、第二电机上的第一位置传感器、第二位置传感器，使得图像捕获装置的位置精确可控，其中，第一位置传感器和第二位置传感器可以采用“拉绳位移传感器”或“光栅位移传感器”;所述图像捕获装置为具有变焦镜头的相机，可以根据被扫描物体的大小，预先自由调节设置相机的焦段和焦距，自由实现高低分辨率的三维全景扫描。
[0022]基于以上设计三维全景扫描装置的基础之上，本发明还设计了基于该装置的三维模型生成方法，包括如下步骤:
步骤001.将被扫描物体放置在所述样品台的上表面上，通过所述横向转动杆另一端以所述样品台底面中心位置为旋转中心做的3?旋转，以及纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转，由所述图像捕获装置获取被扫描物体各个角度的二维图像，且相邻二维图像之间具有重叠区域；
步骤002.针对被扫描物体各角度的二维图像，分别对相邻二维图像的重叠区域进行特征点匹配，其中，针对所述相邻二维图像重叠区域特征点匹配过程中的误匹配特征点，通过对极几何约束方法进行清除；
步骤003.根据图像捕获装置获取被扫描物体各个角度二维图像时的位置，通过从运动恢复结构技术获得步骤002中相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标；
步骤004.根据相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标，获得被扫描物体稀疏型三维模型。
[0023]步骤005.针对所述被扫描物体稀疏型三维模型，利用基于多视角的立体映射技术获得被扫描物体密集型三维模型。
[0024]步骤006.将所述各幅二维图像对应映射到所述被扫描物体密集型三维模型上，获得表面具有纹理图像的被扫描物体三维模型。
[0025]以上设计的基于该三维全景扫描装置的三维模型生成方法，基于方便快捷获取被扫描物体各个角度的二维图像基础上，采用相对清晰简明的步骤方法，即可快速实现被扫描物体稀疏型三维模型的获取，且步骤方法简明易于控制；其中，针对所述相邻二维图像重叠区域特征点匹配过程中的误匹配特征点，设计了行之有效的清除方法，能够有效保证最终结果的准确性；并且针对所述被扫描物体稀疏型三维模型，设计步骤能够方便快捷获得被扫描物体密集型三维模型，并且采用映射方法步骤，能够方便快捷地获得表面具有纹理图像的被扫描物体三维模型，方法步骤效果明显，且易于掌控。
[0026]基于以上技术方案，本发明设计的三维全景扫描装置及三维模型生成方法，通过结构设计简单的移动平台上的一个相机对被扫描物体从不同角度进行拍摄。通过各幅相邻二维图像重叠区域特征点的匹配计算及拼接，最终获得具有纹理图像的被扫描物体三维模型。整个装置工作过程中，保证横向转动杆和纵向转动杆的转动带动相机的移动，而被扫描物体保持静止。这样能尽可能保持被扫描物体的光照不改变，从而确保相邻二维图像间匹配的可靠性及稳定性，不会因为光照的变化而受到比较大的影响。这种方式也可以保证此装置可以获取不同光照条件下的纹理图片信息。相邻二维图像拍摄的相对位置信息也可用来减少误匹配的情况。另外，与其它传统的三维扫描仪相比，本发明设计的三维全景扫描装置可以根据被扫描物体大小，自由调整相机视野从而充分利用相机的分辨率。
[0027]上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【权利要求】
1.一种三维全景扫描装置，其特征在于:包括样品台、横向转动杆、纵向转动杆和图像捕获装置，横向转动杆的一端与样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端以样品台的底面中心位置为旋转中心做3_e旋转，且横向转动杆的另一端的36T旋转轨迹所在面与样品台所在面相平行，所述横向转动杆的一端与另一端间的距离大于样品台的底面中心位置与样品台任意边缘间的距离；纵向转动杆的一端与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转轨迹、在横向转动杆另一端旋转360°过程下形成的轨迹面与样品台所在面构成封闭区域，且样品台的上表面位于该封闭区域内；图像捕获装置设置在纵向转动杆的另一端，且图像捕获装置的图像捕获端指向样品台。
2.根据权利要求1所述一种三维全景扫描装置，其特征在于:与所述样品台所在面相垂直，且与所述横向转动杆另一端旋转360°圆的边缘相切的面作为旋转参考面，所述纵向转动杆为L形杆，L形杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转，且L形杆所在面与经过横向转动杆另一端的旋转参考面相垂直。
3.根据权利要求2所述一种三维全景扫描装置，其特征在于:还包括第一电机和第二电机，其中，所述横向转动杆的一端通过第一电机与所述样品台的底面中心位置活动连接，横向转动杆的另一端通过第一电机以样品台的底面中心位置为旋转中心做36T旋转；纵向转动杆的一端通过第二电机与横向转动杆的另一端活动连接，纵向转动杆通过第二电机以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心旋转。
4.根据权利要求3所述一种三维全景扫描装置，其特征在于:所述第一电机和所述第二电机均为步进电机或伺服电机。
5.根据权利要求 3或4所述一种三维全景扫描装置，其特征在于:还包括分别设置在所述第一电机上、第二电机上的第一位置传感器、第二位置传感器。
6.根据权利要求1所述一种三维全景扫描装置，其特征在于:所述图像捕获装置为具有变焦镜头的相机。
7.一种基于权利要求1至6中任意一项所述三维全景扫描装置的三维模型生成方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤001.将被扫描物体放置在所述样品台的上表面上，通过所述横向转动杆另一端以所述样品台底面中心位置为旋转中心做的36T旋转，以及纵向转动杆以其与横向转动杆的活动连接位置为轴心的旋转，由所述图像捕获装置获取被扫描物体各个角度的二维图像，且相邻二维图像之间具有重叠区域； 步骤002.针对被扫描物体各角度的二维图像，分别对相邻二维图像的重叠区域进行特征点匹配； 步骤003.根据图像捕获装置获取被扫描物体各个角度二维图像时的位置，通过从运动恢复结构技术获得步骤002中相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标； 步骤004.根据相邻二维图像重叠区域内各个特征点的三维坐标，获得被扫描物体稀疏型三维模型。
8.根据权利要求7所述一种基于所述三维全景扫描装置的三维模型生成方法，其特征在于，述步骤002中还包括如下步骤: 针对所述相邻二维图像重叠区域特征点匹配过程中的误匹配特征点，通过对极几何约束方法进行清除。
9.根据权利要求7或8所述一种基于所述三维全景扫描装置的三维模型生成方法，其特征在于，所述步骤004之后，还包括步骤005如下: 步骤005.针对所述被扫描物体稀疏型三维模型，利用基于多视角的立体映射技术获得被扫描物体密集型三维模型。
10.根据权利要求9所述一种基于所述三维全景扫描装置的三维模型生成方法，其特征在于，所述步骤005之后，还包括步骤006如下: 步骤006.将所述各幅二维图像对应映射到所述被扫描物体密集型三维模型上，获得表面具有纹理图 像的被扫描物体三维模型。
【文档编号】H04N5/225GK104079810SQ201410336993
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】陈维龙 申请人:镇江中维信息技术有限公司