一种三维扫描魔盒的制作方法

本发明涉及计算机视觉和电子技术领域，具体是一种激光三维扫描仪。

背景技术：

三维扫描仪可以用于对真实世界的物体进行扫描，从而获取三维表面数据。其应用领域极其广泛，例如工业设计、逆向工程、刑事鉴定、文物典藏等。根据采用的技术方法不同，主要可以分为三角测距法、飞行时间法和结构光源法等。

三角测距法是利用激光传感器发射一道激光线到待测物体表面，然后利用相机检测待测物体表面的激光光点。激光光点、相机和激光传感器本身构成一个三角形，通过相机采集图像中激光光点的位置来判断相机位于三角形中的角度，进而计算待测物表面点的深度距离。

飞行时间法是利用激光器发射脉冲到被测物体表面，然后通过计算激光脉冲往返物体表面的时间差来换算信号行走的距离，进而计算得到物体表面点的深度信息。

结构光源法是通过在物体表面投射经过特定编码的结构光栅，然后由成一定夹角的两个相机同步采集图像，再通过匹配技术、三角形测量原理，计算出两个相机视野范围内物体表面像素点的空间三维坐标。

现有技术和产品的普遍特征是：价格高，体积大，专业性强，速度慢。受这些因素的影响，此类技术和产品多用在工业及商用领域，而在消费电子产品领域尚属空白。

对于飞行时间法，通常要求被测物距离相机距离较远，才能获得足够的测量精度。如果被测物距离扫描设备太近，则由于光线的飞行时间太短，扫描精度会急剧下降。因此，该技术方法和产品通常适用于大型建筑、矿山等户外场景的三维扫描，而不适用于室内甚至桌面产品的扫描。

结构光源法适用于室内场景，并且扫描精度也足够高，但是扫描速度较慢，参数设置较复杂，因此适用于特定行业领域，而不适用于日常用途。三角测距法的技术不足通常表现在：1、扫描速度与精度间的平衡。激光线间距的选择很重要，一般为0.1mm，如果间距太大，虽然扫描速度可以加快，但是精度不够。反之，如果间距太小，则扫描速度就会降低。2、拼接数据量大。要对被测物进行完全扫描，至少需要扫描六个面的数据，而且这六个面的数据坐标都不是在同一坐标系内，而是在设备坐标系下，需要后续人为合并，工程量大，且效果不好。

三维扫描是当前的研究热点，随着三维扫描概念的日益普及，将三维扫描设备小型化并搬到消费者的桌面上，让其好用不贵，是本领域技术人员致力于解决的难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、速度快、成本低且操作简易方便的激光三维扫描仪。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种三维扫描魔盒，其特征在于：包括外壳，外壳内设有用于放置待扫描物体的转台，转台与步进电机连接；外壳内设有固定支架，线激光传感器和相机均设于固定支架上；

步进电机带动转台上的待扫描物体转动，线激光传感器发射的线激光投射到待扫描物体表面，相机捕捉转动的待扫描物体表面的激光线图像，并传送至控制单元；控制单元对接收的图像进行处理，获得物体表面任意点的空间坐标，生成物体的三维模型并输出。

优选地，所述外壳为圆柱体结构。

优选地，所述控制单元采用Arduino平台作为控制主板。

优选地，所述线激光传感器为一字线激光传感器。

优选地，所述步进电机通过步进电机驱动器连接控制单元。

更优选地，所述步进电机驱动器为带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器。

优选地，所述控制单元进行图像处理的过程包括：

步骤1：图像去噪

去除采集到的图像的原始数据噪声；

步骤2：点云拼接

由于扫描物体或场景的复杂性，每次扫描仅可获取物体或场景某一部分的点云数据；为了获得完整的点云数据，需要从不同角度和位置进行扫描，然后对多次扫描的点云数据进行拼接，得到物体表面任意点的空间坐标；

步骤3：三维重建

在得到物体表面任意点的空间坐标后，即可进行模型的三维重建，恢复物体的三维坐标，实现三维数据点的可视化；

步骤4：曲面拟合

对点云数据直接进行曲面片拟合，从而形成曲面模型；

步骤5：三维模型输出

生成的三维模型包括原始模型、轮廓、特征和数据模型。

相比现有技术，本发明提供的三维扫描魔盒具有如下有益效果：

1、体积小。采用了单色性好、相干性好、方向性好、亮度高的一字激光，配合短焦距广角镜头相机，以实现激光扫描模块、图像采集模块两种模块与电机运动控制模块之间最小的距离。与此同时，保证画面的精确度以及图像的无畸变采集。

2、速度快。采用Arduino Uno R3选用ULN2003驱动模块来驱动步进电机，使用高增益的电压和电流来驱动电机运动模块，同时配合快速的三维扫描，以加快扫描、成像的速度。

3、成本低。选用一字激光与相机，由于体积较小，能保证在较低的成本下达到更高的精度，整体架构由3d打印的连接模块和金属螺丝构成，坚固耐用，性价比高。

4、操作简易方便。由于本装置主要是面向大众的消费级电子产品，所以对于扫描精度要求不高，操作简单，更能迎合消费级电子产品市场需求。

附图说明

图1为本实施例提供的三维扫描魔盒结构示意图；

图2为本实施例提供的三维扫描魔盒组成框图；

图3为硬件系统结构示意图；

图4为软件系统结构示意图；

图5为本实施例提供的三维扫描魔盒工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1为本实施例提供的三维扫描魔盒结构示意图，所述的三维扫描魔盒是一种可在桌面使用的轻量级3D扫描仪，具体是一种圆柱体结构，适宜放置在桌面上，并且内径尺寸可以在一定范围内进行缩放调整。其主要功能：可以对放置在盒子内的物体进行快速的三维扫描并输出3D模型。输出的3D模型可以在PC机上的3DS MAX、MAYA等软件上进行编辑，通过显示器进行三维展示，以及通过3D打印机打印实物。该三维扫描魔盒可以用于扫描多种不同类型的物体，例如：首饰、雕塑、标本、数码产品等，可以在诸多领域得到广泛应用。

结合图2，三维扫描魔盒分为硬件系统和软件系统两部分，具体是由四个模块构成，分别是：激光扫描模块、图像采集模块、电机运动控制模块、图像处理模块。

结合图3，硬件系统由Arduino平台、转台1、线激光传感器2、相机3、步进电机以及固定支架等组成。Arduino Uno作为控制主板，采用USB接口供电，通过软件下载程序到Uno中；四相步进电机用于带动转台1上的待扫描物体4转动；利用一字线激光和相机进行物体表面信息的采集：一字线激光投射到待扫描物体表面，由相机捕捉物体表面图像。为满足精度与操作要求，线激光应具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高的特点。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环电机控制元件。步进电机不能直接接到工频交流或直流电源，必须使用专门的步进电机驱动器。它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。直流电机转速很快且驱动电压需要很大，单靠单片机的IO端口不能驱动电机，需要专门的驱动模块。A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器，该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35V及±2，A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。所以选择A4988来控制步进电机，电机的正反转具体可以通过按键和程序来进行控制。Arduino主要由控制板与扩展板组成，Arduino Uno R3主要由ATmega328系列单片机和USB转串口电路构成。8位微处理器ATmega328片内包含32kb Flash2KB SRAM、1KB EEPROM，运行时钟频率为16MHz，通过内部预置的bootloader程序可以直接下载程序到Uno中。ATmega328单片机产生高电平信号传输到步进电机，步进电机开始带动带扫描物体运转。相机捕捉到转动物体表面的激光线图像并传输到PC端处理。

结合图4和图5，软件系统主要实现相机标定、图像采集、图像去噪、点云拼接、三维重建、曲面拟合，以及三维模型输出等功能。

(1)相机标定。采用163mm×95mm棋盘格标定板进行相机标定和激光器标定。

(2)图像采集。打开激光传感器，让一字线激光沿垂直方向投射到物体表面，同时启动步进电机，让物体发生旋转。打开相机，采集激光反射曲线，当物体旋转360度后，则获得物体的表面数据。

(3)图像去噪。采集到的距离图像的原始数据噪声具体有两种类型，第一种是在获取物体表面数据的过程中外部物体的遮挡而存在于图像数据本身中的噪声。另一种是在特征点配准过程中产生的误差，最常见的是由数据叠加产生的“厚度”，需要在数据之间进行处理。对于第一种数据噪声通常可以手动选择删除方法，后一种则一般使用重采样或其它方法进行处理。

(4)点云拼接。由于扫描物体或场景的复杂性，每次扫描仅可获取物体或场景某一部分的点云数据。为了获得完整的点云数据，就需要从不同角度和位置进行扫描，然后采用迭代最近点算法完成点云数据的拼接。

(5)三维重建。在得到物体表面任意点的空间坐标后，即可进行模型的三维重建。通过建立以该点的世界坐标为未知数的四个线性方程，可以用最小二乘法求解得该点的世界坐标。实际重建可采用外极线结束法。一旦两摄像机的内外参数确定，就可通过两个成像平面上的极线的约束关系建立对应点之间的关系，并由此联立方程，求得图像点的世界坐标值。经过计算恢复物体的三维坐标，实现三维数据点的可视化。

(6)曲面拟合。对点云数据直接进行曲面片拟合，从而形成曲面模型。

(7)三维模型输出。生成的三维模型包括原始模型、轮廓、特征和数据模型(包括三角测量、Nurbs、简单几何模型)。还可以制作彩色模型，输出正射影像图和三维模型。