专利名称：浮雕、碑刻三维激光扫描仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种浮雕、碑刻三维激光扫描仪，这是一项通过对浮雕、碑刻进行激光扫描，将所得信息在计算机内进行数据处理，最终得到浮雕、碑刻的形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术，它可以广泛地应用于三维动画制作、文物存档、计算机虚拟现实、计算机仿真、广告宣传、影视制作等领域的三维信息采集。
目前浮雕、碑刻三维扫描技术在国内还处在尚待起步状态，只有工业上使用的三坐标测量仪属于类似的产品。但三坐标测量仪由于采用的是探测头与物体接触扫描，因而只能扫描那些表面比较平滑，质地坚硬的物体，而且速度慢，结构复杂，对物体形状要求较为严格，所以虽然具有精度高的优势，但仍然基本上只能应用于工业领域，对于其他应用领域实施起来难度较大。国外目前有少数几家公司(如CYBERWARE，MODELMAKER，REPLICA，DIGIBOT，SURFACER等)从事此项生产，但由于这几家公司的产品在结构、价格、易用性等方面的原因，特别是价格过高，因而至今未能实现普及应用，很多需要进行三维扫描的工作只能采用租用的方式使用该仪器。最相近的对比文献是1998年3月CYBERWARE公司在其站点(www.cyberware.com)上对其产品的介绍，但该产品的问题是适于扫描的物体大小的范围有限，结构复杂，成本高，制造要求高。
为了解决上述问题，本实用新型以国内的生产能力为基准，旨在提出一种适用性广、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的浮雕、碑刻三维扫描仪的设计。
以下结合附图具体描述浮雕、碑刻三维激光扫描仪的设计方案本实用新型如图1及图2所示，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD(电容耦合器)信号采集系统(6)、和滑轨(8)组成。激光波前变换系统位于激光光源的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，线形激光束的扩束方向、激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴同在一个与滑轨垂直的平面上。光学成像系统位于CCD信号采集系统的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与滑轨在同一平面上，反射的激光经过光学成像系统和CCD信号采集系统后可以形成在CCD中看到的信号(7)。CCD信号采集系统由两路黑白CCD摄像头(6.1)和一路彩色CCD摄像头(6.2)组成。两路黑白CCD摄像头分别连接在激光光源和激光波前变换系统的两边，这两路黑白CCD摄像头的中心轴与激光光源的光轴的夹角相等。彩色CCD摄像头安放在激光光源和两路黑白CCD摄像头外的一侧，其中心轴垂直滑轨向下。CCD信号采集系统、激光光源通过滑块(9)与滑轨连接。CCD信号采集系统与计算机相连，将信号送入计算机。激光光源前装有衰减装置。激光波前变换系统由柱透镜构成。线形激光束宽度小于1.5毫米。CCD信号采集系统中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。滑块内装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动滑块带动激光光源及CCD信号采集系统沿滑轨平移。在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。支架(10)由两根直杆组成，两直杆分别接于滑轨两端，并垂直于滑轨，支架支持整个系统。平台(11)位于滑轨的正下方，与滑轨平行，其上放置扫描对象(4)，支架垂直地立于平台上。如图3所示的软件部分处理流程，信号采集系统输出对扫描仪的机械控制信号，同时将CCD送来的信号导入计算机，由三维物体生成软件处理后生成三维文件，存于计算机中。
浮雕、碑刻三维激光扫描仪的具体使用操作步骤如下1、打开计算机，启动扫描软件。
2、将扫描对象平放到平台上。
3、将装置调节到适当的位置，并调节焦距，使在CCD中观测到的图像清晰，位置正确。激光束高度合适，且粗细适当。
4、打开电机开关，由计算机控制平移激光光源和CCD摄像头，计算机开始进行处理。
4.1、进行形体扫描即采集形状信息时，计算机分别读取每个黑白CCD摄像头的观测结果，并控制摄像头与激光器的移动。经软件处理这些数据后即可得到浮雕、碑刻表面的三维形状信息，并以文件的形式存储在硬盘上。这些过程由计算机控制。
4.2、色彩扫描即采集彩色信息时，需打开照明系统，由彩色CCD摄像头进行扫描，经软件处理即可得到扫描对象表面的色彩信息。
5、在各种三维软件中，打开前面得到的形体信息或表面贴图信息，即可进行诸如文物存档、CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、广告宣传、影视制作等之类的三维工作了。
本实用新型的优点与积极效果本实用新型适用性广，对扫描物体的表面、质地没有要求。可以根据需要调节，扫描范围大。通过激光扫描，并采用计算机控制操作和处理信息，保证了相当高的精度(优于1.0毫米)。大部分的调节和步骤由计算机完成，操作原理简单，对操作者要求宽松。由于在开发中是完全独立地以国内的生产能力为基准而非参照外国产品，因而实现了只需较低加工制造水平即可实施的方案，成本低廉。而国外产品的结构对机械加工的要求往往很高，因而价格极高，与本发明相比约高出10倍之多。本实用新型可以广泛地应用于文物存档、CAD/CAM反向工程、三维动画制作、计算机虚拟现实、计算机仿真、广告宣传、影视制作、工业生产等领域的三维信息采集。
图1是浮雕、碑刻三维激光扫描仪原理图1—激光光源 2—激光波前变换系统3—线形激光束 4—扫描对象5—光学成像系统 6—CCD信号采集系统7—在CCD中看到的信号图2是浮雕、碑刻三维激光扫描仪结构图1—激光光源 2—激光波前变换系统3—线形激光束 4—扫描对象5—光学成像系统 6—CCD信号采集系统6.1—黑白CCD摄像头6.2—彩色CCD摄像头8—滑轨 9—滑块10—支架 11—平台图3是软件处理框图。
下面结合前述的操作步骤说明最佳实施例如下激光光源(1)采用633nm的He-Ne激光器。激光光源前装有衰减装置。激光波前变换系统(2)由柱透镜构成。线形激光束(3)宽度小于1.5毫米。CCD信号采集系统(6)中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。滑块(9)内装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动滑块带动激光光源及CCD信号采集系统沿滑轨(8)平移。在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。支架(10)由两根直杆组成，两直杆分别接于滑轨两端，并垂直于滑轨，支架支持整个系统。平台(11)位于滑轨的正下方，与滑轨平行，其上放置具体的扫描对象(4)，支架垂直地立于平台上。
权利要求1.一种浮雕、碑刻三维激光扫描仪，由激光光源(1)、激光波前变换系统(2)、光学成像系统(5)、CCD信号采集系统(6)、和滑轨(8)组成，其特征是1.1、激光波前变换系统(2)位于激光光源(1)的前端，激光光源发出的激光经过波前变换系统形成线形激光束(3)，线形激光束的扩束方向、激光光源的发射轴向、激光波前变换系统的光轴同在一个与滑轨(8)垂直的平面上；1.2、光学成像系统(5)位于CCD信号采集系统(6)的前端，光学成像系统的光轴、CCD信号采集系统的中心轴与滑轨(8)在同一平面上；1.3、CCD信号采集系统(6)由两路黑白CCD摄像头(6.1)和一路彩色CCD摄像头(6.2)组成；1.4、两路黑白CCD摄像头(6.1)分别连接在激光光源(1)和激光波前变换系统(2)的两边，这两路黑白CCD摄像头的中心轴与激光光源的光轴的夹角相等；1.5、彩色CCD摄像头(6.2)安放在激光光源(1)和两路黑白CCD摄像头(6.1)外的一侧，其中心轴垂直滑轨(8)向下；1.6、CCD信号采集系统(6)、激光光源(1)通过滑块(9)与滑轨(8)连接；1.7、CCD信号采集系统(6)与计算机相连，将信号送入计算机。
2.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是激光光源(1)前装有衰减装置。
3.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是激光波前变换系统(2)由柱透镜构成。
4.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是线形激光束(3)宽度小于1.5毫米。
5.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是CCD信号采集系统(6)中的两路黑白CCD摄像头(6.1)装有滤光片，该滤光片在对激光产生的高亮区域扫描时使得激光光源发出激光的波长±10纳米范围内的光波通过率最高。
6.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是滑块(9)内装有步进电机，由计算机控制步进电机驱动滑块带动激光光源(1)及CCD信号采集系统(6)沿滑轨(8)平移。
7.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是在彩色CCD摄像头(6.2)旁装有照明系统。
8.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是支架(10)由两根直杆组成，两直杆分别接于滑轨(8)两端，并垂直于滑轨，支架支持整个系统。
9.按照权利要求1所述的浮雕、碑刻三维激光扫描仪，其特征是平台(11)位于滑轨(8)的正下方，与滑轨平行，其上放置扫描对象(4)，支架(10)垂直地立于平台上。
专利摘要本实用新型是一种浮雕、碑刻三维激光扫描仪,这是一项用激光扫描对象,并用计算机进行数据处理,最终得到形状和色彩的三维矢量信息的光机电一体化技术。本实用新型采用波前变换系统将激光源发出的激光变成线形激光束扫描对象,用CCD(电容耦合器)采集经反射、光学成像后的激光信号,并转换成电信号导入计算机,由软件处理后生成三维信息文件。本实用新型可广泛应用于文物存档、影视制作、三维动画制作等领域。
文档编号G03C9/04GK2359713SQ9820492
公开日2000年1月19日 申请日期1998年6月8日 优先权日1998年6月8日
发明者张明, 李新章, 陈旭 申请人:北京大学