一种桌面式大视场三维扫描装置及方法与流程

本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学检测方法，特别是一种大景深、大视场的结构光三维测量方法。

背景技术：

三维扫描在逆向工程、工业检测、文物保护等方面已有重要的应用，随着3D打印的普及，三维扫描在逆向设计、教育培训等行业的应用更为广泛。已有三维扫描仪主要针对工业检测等专业领域，面向广大逆向设计、3D打印教育等产业的普通消费者的扫描仪较少。

目前，三维扫描通常采用激光线扫描、白光结构光、立体视觉等方法。激光线扫描发展最为成熟，测量景深大，但是其效率低、拼接精度低，对运动装置精度要求高，成本高。白光结构光效率高，但是其系统标定困难。立体视觉技术存在立体匹配的不确定性是测量精度低。把白光结构光中的相移轮廓术与双目立体视觉的方法相结合，克服了相移轮廓术标定难的问题和立体视觉匹配难的问题。但是此方法需要通过DLP投影装置编码光，其测量景深受投影景深的限制；同时测量视场受双目视觉的三角关系夹角的影响。在实际使用中，物体的大小和形状各异，景深不足导致测量失效等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种桌面式三维扫描装置，该装置采用激光MEMS振镜投影装置来提高投影景深；采用多组相机来捕捉不同的视场范围内的变形条纹图，提高测量范围；用精密旋转台标定多个角度模型之间的位置关系拼接成完整模型。本发明可以覆盖从较小体积到大体积物体的三维扫描，同时被测物体越小，测量精度越高；本方法可以实现一键式扫描，得到比较好的360度完整模型。

本发明的目的为提供一种桌面式大视场桌三维扫描装置。

其技术方案为：

由4到10个相机、1个激光MEMS振镜投影装置和精密旋转台构成；激光MEMS振镜投影装置布置在中间，用于投影结构光,相机两两对称放置在激光MEMS振镜投影装置两侧，对称放置的相机之间的距离为L1、L2、L3、L4、L5，其中L1<L2<L3<L4<L5；转台放置在上述相机的一个或多个视场范围内。转台放置在上述相机的一个或多个视场范围内。

激光MEMS振镜扫描投影装置作为三维扫描的投影光源，激光MEMS振镜扫描投影系统区别于传统的DLP、LCD等投影系统，没有投影镜头，其原理是激光通过MEMS振镜反射投影到物体表面，MEMS振镜做二维振动实现空间的二维图像扫描，同时电流调制激光器光强，生成灰度变化的图像。由于其光源为激光，大大提升了投影深度范围。

多组相机分别用于拍摄不同视场内的结构光以匹配投影装置景深，提高扫描仪的测量范围。由于相机成本比投影装置低很多，设备成本并没有增加很多，但是大幅提高了测量范围和性能。同时，满足双目立体视觉的基本条件，每组相机视场尽可能重合，夹角一般为10°到60°，优选为15°到45°。

装置在三维扫描时，物体放置在旋转台上转动N次，每次旋转α度，N＝360/α次，N为整数。每转一次，用激光MEMS振镜投影一组光栅图案或线状图案到物体表面，用上述相机拍摄物体表面的图案，传输到计算机上进行三维点云计算；

标定精密旋转台中心与相机之间的位置关系，根据标定结果，对各角度重建的三维模型进行刚性变换，得到粗拼接的完整模型；用ICP进行优化拼接，得到360度三维数字模型。

有益效果

本发明利用激光MEMS振镜投影装置作为三维结构光测量的投影光源，大大提高了投影景深；采用多组相机设计，以匹配投影视场；相较于传统的三维扫描仪扫面范围提高3～5；不同尺寸的测量精度不同，小物体精度更好；采用精密转台进行匹配，匹配鲁棒性高，效果好，降低用户的使用难度；转台的便携式设计减少产品的体积和重量。

附图说明

图1激光高斯光束传播图；

图2三维扫描仪结构布置示意图；

图3相机坐标系与旋转台坐标系示意图；

其中：21——激光MEMS振镜投影装置；22——相机；A——小尺寸物体范围；B——中等尺寸物体范围；C——大尺寸物体范围。

具体实施方式：

扫描仪测量范围计算主要由投影装置决定，采用多组相机匹配其测量范围，扫描仪系统配置参数计算如下：

第一步，确定激光MEMSA振镜投影系统景深计算：

如图1，激光器11发出的高斯激光光束经过准直透镜12后，入射到MEMS扫描振镜13上，再反射到物体表面。高斯光束的聚焦面在L₀处，景深为ΔL。根据ABCD矩阵计算可得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L₂处光斑大小ω₂，最小工作距离L₁处光斑大小为ω₁，通过下式1－1约束，最终确定L₁和L₂。

可以根据测量范围需求，确定激光MEMS振镜投影装置的景深。第二步，设计相机数量匹配投影景深

典型光学成像系统，其景深计算公式为

式中：ΔL——相机景深；ΔL₁、ΔL₂——成像系统的前景深和后景深；δ——容许的弥散圆直径，一般取像元大小的2倍；F——镜头的F数；L——物距。例如，f＝20mm、F＝2.0、L＝500mm；像元大小7.5μm，因此δ＝0.015mm。由3-2式计算得到景深ΔL_C1＝75mm。

选取不同的相机和镜头，若一组相机景深不能覆盖投影景深范围，同时使用多组相机，使得其景深范围与投影景深相匹配。如图2所示为三组相机布置结构，三组相机分别对应的测量视场为A、B、C，并分别对应不同大小尺寸的被测物体。△L为投影景深，也是系统的测量景深，相对于传统结构光扫描仪，测量范围大大提高。同时，本系统兼容不同大小的测量对象，同时对于A组小物体，测量精度更高。每组相机之间光轴如下图所示，在测量视场中心相交，其夹角一般为10度到60度之间，优选为15°到45°。

工作方式和数据处理

本发明设计的桌面三维扫描仪扫描方式如下，如系统包含三组相机：

1、系统设计：

根据被测物大小选择测量相机组，如A组，B组，C组；每组相机对应不同的测量范围，即不同大小被测对象。

a)根据上述公式确定激光MEMS振镜投影装置的测量范围，即深度范围；

b)计算选用相机的景深，即深度范围；

c)根据上述发明内容中的方法，选择合适的相机组。

2、旋转台标定

如下图所示，我们以旋转坐标系为世界坐标系，设点P_w(x_w,y_w,z_w)为被测物体上任意一点，点P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)为当转台绕轴线逆时针旋转角度θ时P点对应的坐标，则它们满足关系：

p＝R_zp_θ

其中，p_w(x_w,y_w,z_w，1)^T和p_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ,1)^T为P_w(x_w,y_w,z_w)和P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)在转台坐标系下的齐次坐标，R_z为旋转台绕轴线旋转角度θ时对应的旋转矩阵，

实际我们重建得到的模型点坐标P_c(x_c,y_c,z_c)是在相机坐标系下的，其与世界坐标系下对应点P_w(x_w,y_w,z_w)满足：P_c＝RP_w+T。

由上式可得相机坐标与世界坐标之间的坐标变换可以通过R＝R(α，β，γ)和T＝(t_x,t_y,t_z)^T中的六个参数来描述，α，β，γ分别为绕x，y，z轴旋转的欧拉角，当先后以x，y，z旋转进行坐标变换时，

设P_c(x_c,y_c,z_c)和P_w(x_w,y_w,z_w)对应的齐次坐标为p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_w(x_w,y_w,z_w,1)，则p_c＝Mp_w。

其中，由与在旋转台坐标系点云拼接对x，y轴方向无要求，所以可设γ＝0，则转换矩阵M可以简化为：

因此，对于我们重建得到的相机坐标系下的已知点P_c(x_c,y_c,z_c)转台绕轴线逆时针旋转角度θ对应点P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)，它们满足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ \*MERGEFORMAT(3-7)

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)为P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)对应的齐次形式。

正确放置旋转台位置，将棋盘格标定板放置的旋转台中心，使得物体在一组相机的两个图像中心；计算标定板上的角点在相机坐标系下的坐标P_c(x_c,y_c,z_c)，在±60°之间，每旋转10°，拍摄两张标定板图片，并计算其世界坐标。

由此，我们得到一系列p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)，其中

根据上式求得M。

3、被测物体放置在旋转台上，扫描一圈，即转台每次旋转α度后，静止一段时间，扫描仪完成一个角度的模型扫描，共进行N次旋转测量，N＝360/α次(N为整数)；例如，α＝45°，N＝8。

4、根据标定的旋转台中心结果，对各角度进行刚性变换,即使用，得到粗拼接的完整模型；

重建得到的相机坐标系下的已知点P_c(x_c,y_c,z_c)转台绕轴线逆时针旋转角度α对应点P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)，它们满足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα,1)为P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)对应的齐次形式。矩阵M由步骤2转台标定可得，

R_z为旋转台绕轴线旋转角度α时对应的旋转矩阵，α即3步中人为设定的旋转角度。

因此，我们对相应模型使用Pose＝MR_zM^-1结果矩阵进行坐标变换便可以完成点云模型数据的粗拼接。

5、用ICP(Iterative Closed Point)进行精确拼接；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。