一种微观结构表面的三维信息采集方法及系统与流程

本发明属于三维扫描及三维建模领域，特别涉及一种微观结构表面的三维信息采集方法及系统。

背景技术：

随着三维扫描技术的出现，给物体的三维信息获取提供了强有力的技术支持，尤其是在文物保护、考古研究、建筑设计、地址勘探方面，三维扫描技术应用越来越广泛。

然而三维扫描技术自产生以来，其重点的应用范围主要限定在宏观的实际物体领域，对于微观的三维结构，例如古字画、油画、绢绣品等表面的三维信息采集，近几年才逐渐受到重视。目前，市场上专门针对这类微观结构表面三维信息采集的技术和设备屈指可数，主要是因为技术非常熟的探针扫描会对扫描文物造成一定程度的破坏，而三维激光轮廓仪价格非常昂贵，维护费用高。因此，本发明提出了一种利用二维激光轮廓仪结合二维平移台的实现微观结构表面的三维信息采集的方法及系统，使用该方法可以对于纸张、卡片等物体表面的三维信息采集，特别是油画等珍贵文物的信息采集、还原、保存都具有重要的实践意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微观结构表面的三维信息采集方法及系统，可以实现利用二维激光轮廓仪结合二维平移台实现对微观结构表面三维信息采集，对于油画等珍贵文物的信息采集、还原、保存等都具有重要的实践意义。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种微观结构表面的三维信息采集方法，该方法包括：

控制X-Y二维平移台平移，使X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向运动的位移为预设扫描长度，在每次间隔长度为预设扫描分辨率时，控制X-Z二维激光轮廓仪采样获取一行扫描数据，从而得到多行扫描数据，实现一个矩形扫描面的三维数据采集；

控制所述X-Y二维平移台平移，使所述X-Z二维激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴方向每次平移预设偏移长度，完成一个矩形扫描面的三维数据采集，直至完成所有所述矩形扫描面的三维数据采集；

合并所有所述矩形扫描面的三维数据，建模得出待测物体的三维轮廓图。

进一步地，所述“控制X-Y二维平移台平移”之前包括根据预设扫描宽度与所述X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度确定待测物体需要分解矩形扫描面的个数。

进一步地，所述预设偏移长度小于所述X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度。

进一步地，所述矩形扫描面的三维数据保存在txt文件中，不同的矩形扫描面的三维数据保存在不同的txt文件中。

进一步地，所述“实现一个矩形扫描面的三维数据采集”包括：根据X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度与采样个数确定相邻扫描点X轴坐标偏移量，根据所述扫描分辨率确定Y轴坐标偏移量，根据X-Z二维激光轮廓仪提供的数据获取接口获取高程Z坐标信息。

进一步地，所述X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向保持匀速直线运动，以预设采样频率控制所述X-Z二维激光轮廓仪采样。

进一步地，所述合并是将多个矩形扫描面的三维数据去除扫描的重复点，得到一份表征待测物体表面全貌信息的三维数据。

进一步地，所述建模是利用OpenGL编写三维模型的显示程序，利用三维云数据坐标进行统一坐标系的三维显示或通过Crust算法进行三维云数据坐标的曲面重建。

进一步地，所述待测物体的表面曲线满足函数Z＝F(X,Y)。

本发明的另一目的在于提供一种微观结构表面的三维信息采集系统，包括：X-Z二维激光轮廓仪、控制设备和X-Y二维平移台。

所述X-Y二维平移台用于放置待测物体与安装所述X-Z二维激光轮廓仪，在所述控制设备的控制下，实现所述X-Z二维激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴或Y轴发生平移。

所述X-Z二维激光轮廓仪用于在所述控制设备的控制下采集所述待测物体的X-Z二维轮廓信息。

所述控制设备包括：

数据处理单元：用于合并所有矩形扫描面的扫描数据，建模得出待测物体的三维轮廓图。

扫描控制单元：用于控制所述X-Y二维平移台平移和所述X-Z二维激光轮廓采样实现三维扫描功能。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明提供的一种微观结构表面的三维信息采集方法，所述方法包括：控制X-Y二维平移台平移，使X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向运动的位移为预设扫描长度，在每次间隔长度为预设扫描分辨率时，控制X-Z二维激光轮廓仪采样获取一行扫描数据，从而得到多行扫描数据，实现一个矩形扫描面的三维数据采集；控制所述X-Y二维平移台平移，使所述X-Z二维激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴方向每次平移预设偏移长度，完成一个矩形扫描面的三维数据采集，直至完成所有所述矩形扫描面的三维数据采集；合并所有所述矩形扫描面的三维数据，建模得出待测物体的三维轮廓图。通过使用该三维信息采集方法可以对珍贵文物的信息采集、还原、保存等都具有重要的实践意义通过。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种微观结构表面的三维信息采集方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提出的扫描一个幅面的空间三维坐标获取原理；

图3为本发明实施例提出的扫描一个幅面的空间三维坐标获取原理；

图4为本发明实施例提出的一种微观结构表面的三维信息采集系统的一种结构示意图。

主要元件符号说明：

1、三维信息采集系统；10、X-Z二维激光轮廓仪；20、X-Y二维平移台；30、控制设备；301、扫描控制单元；302、数据处理单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对发明进行更清楚、完整地描述。附图中给出的优选实施例，可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种微观结构表面的三维信息采集方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：控制X-Y二维平移台平移，使X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向运动的位移为预设扫描长度，在每次间隔长度为预设扫描分辨率时，控制X-Z二维激光轮廓仪采样获取一行扫描数据，从而得到多行扫描数据，实现一个矩形扫描面的三维数据采集。

所述“控制X-Y二维平移台平移”之前包括根据预设扫描宽度与所述X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度确定待测物体需要分解矩形扫描面的个数。

矩形扫描面的三维数据保存在txt文件中，不同的矩形扫描面的三维数据保存在不同的txt文件中。

所述“实现一个矩形扫描面的三维数据采集”包括：根据X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度与采样个数确定相邻扫描点X轴坐标偏移量，根据所述扫描分辨率确定Y轴坐标偏移量，根据X-Z二维激光轮廓仪提供的数据获取接口获取高程Z坐标信息。

X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向可以保持匀速直线运动，这样可以保证以固定采样周期控制激光轮廓仪采样。由于X-Z二维激光轮廓仪采样时，X-Z二维激光轮廓仪与被测物体还发生，当选择较小的分辨率参数时，同时需要选择较小的扫描速度，这样才可以忽略在采样过程中，在Y轴上产生的偏移量。

S102：控制所述X-Y二维平移台平移，使所述X-Z二维激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴方向每次平移预设偏移长度，完成一个矩形扫描面的三维数据采集，直至完成所有所述矩形扫描面的三维数据采集。

每个矩形扫描面都选用相同的扫描参数，以保证每个矩形扫描面的扫描点沿X轴向的最小偏移量相同以及沿Y轴向的最小偏移量也是相同。

预设偏移长度需要小于所述X-Z二维激光轮廓仪的最大扫描宽度。这是因为待测物体具有一定的厚度，X-Z二维激光轮廓仪发出的激光为中心投影，随着其厚度的增加，激光器的扫描范围会减小，为了保证二维激光轮廓仪能够全面采集到待测物体的三维数据，不会出现扫描盲区，三维数据合并时允许存在一定宽度的重叠区域。

S103：合并所有所述矩形扫描面的三维数据，建模得出待测物体的三维轮廓图。

合并是在三维点云数据保存时去除扫描重复点，或在三维点云数据保存完毕后在进行扫描重复点去除，然后直接利用扫描起点和扫描终点位置的一致性来进行三维云数据合并。

建模是利用OpenGL编写三维模型的显示程序，利用三维云数据坐标进行统一坐标系的三维显示或通过Crust算法进行三维云数据坐标的曲面重建。

待测物体的表面曲线满足函数Z＝F(X,Y)，即每一个(X,Y)扫描坐标面对应一个唯一的高程信息Z坐标。

在对待测物体进行扫描前，先估算待测物体的尺寸，选择一个合适的扫描长度与扫描宽度，以便使扫描能够完整覆盖待测物体。待测物体不一定非要是矩形，可以是椭圆，三角形等任意形状。只要扫描长度与扫描宽度能够完全覆盖待测物体即可。

扫描长度与扫描宽度可以是用户输入的任意值，也可以是系统提供的几组参考值。

优选地，所述扫描长度与扫描宽度是系统提供的几组参考值，便于扫描控制系统易于实现。

所述扫描长度和扫描宽度可以参考纸张的标准尺寸，例如：扫描长度和扫描宽度可以选择A4、A3、B4、B5等纸张模板，如果选择A4纸张模板就是选择扫描长度为297mm，扫描宽度为210mm。

扫描时的扫描分辨率也是一个非常重要的参数。扫描分辨率可以为5、10、20、50、100、200um。设置的值越小，扫描的精度越高，但同时扫描需要花费的时间也会越长。可以根据待扫描物体的尺寸与需要的精度来决定。该扫描分辨率只是一个轴向的扫描分辨率，它是通过控制平移台在Y轴向的偏移量来实现扫描分辨率，另一个轴向的分辨率是由所选用的X-Z二维激光轮廓仪自身的特性决定的。

由于X-Z二维激光轮廓仪执行二维扫描时，是通过X-Z二维激光轮廓仪中的振镜偏转来实现二维扫描，由于振镜的偏转角度有限，所以扫描宽度也是有限的，通常情况下二维激光轮廓仪的最大扫描宽度小于待测物体的宽度。所以需要将待测物体分成多个矩形扫描面来完成。为了减少矩形扫描面的个数，将扫描宽度设置为X轴，扫描长度设置为Y轴。

具体需要分解为几个相同的扫描矩形面，可以由设置的扫描宽度与二维激光轮廓仪的最大扫描宽度决定。

待测物体与X-Z二维激光轮廓仪的放置可以是以下3种形式：第一种：二维激光轮廓仪固定不动，待测物体分别沿X轴或Y轴平移；第二种：待测物体固定不动，二维激光轮廓仪分别沿X轴或Y轴平移；第三种：待测物体分别沿Y轴平移，二维激光轮廓仪沿X轴平移。

待测物体与X-Z二维激光轮廓仪保持固定的高度，X-Z二维激光轮廓仪采样获取待测物体表面的高程信息。

通过调用X-Z二维激光轮廓仪提供的数据获取接口获取高程信息，每次都是获取固定个数点的高程信息，扫描长度为在最大扫描宽度时，获取的所有点的高程信息都是有效值，由于物体厚度不均，当扫描长度小于最大扫描宽度时，一行扫描数据中首尾的高程信息可以是无效值。但是需要保证每一行采集的点数总是固定的。在合并相邻矩形扫面重叠部分的三维扫面数据时，选择(X,Y)相同的重复坐标点，参考2者的高程信息决定该坐标点的三维信息，如果2者的高程信息都是有效值，则取2者的平均值，如果其中一个为有效值，一个为无效值，将该有效值作为合并后的高程信息，如果2者都是无效值，说明扫描无法覆盖该扫面点，需要删除该坐标点。

下面以一个具体的实施例来加以说明：

待测物体是长为380mm，宽为250mm矩形物体。现需要获取该物体表面的三维信息。激光轮廓仪测量时，使用高度为240mm。

首先根据待测物体的尺寸，选择A3纸张模板参数，则扫描长度为420mm，扫描宽度为297mm。设置空间分辨率为200um。该分辨率是平移台控制的Y轴方向上的分辨率。

用三维直角坐标系来表示待测物体表面的三维信息，如图2所示，X方向为扫描宽度方向，Y方向为扫描长度方向，Z方向为待测物体的高程方向。扫描过程中的高程Z坐标信息可以通过调用X-Z二维激光轮廓仪提供的数据获取接口获取。而X轴和Y轴坐标信息需要通过相关计算获取：

已知X-Z激光轮廓仪的最大扫描宽度L_l＝80mm，每行可获取点数N_line＝800，根据扫描宽度为297mm，最大扫描宽度为80mm，可以确定待测物体需要分为4个矩形扫描面来完成。如图3所示，将待测物体沿X轴方向分解为4个矩形扫描面来扫描。相邻的矩形扫描面之间有一定的重叠。

所述X-Z激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴方向每次平移预设长度为78mm。

扫描点沿X轴向的偏移量Δx可表示为：

则X坐标可表示为：

x_i＝0.1mm×i,i＝1,2,3,…,800 (2)

其中i为每行点的列数。

Y轴扫描的行数为297mm/200mm＝1485.

y_j＝200um×n,n＝1,2,3,4,…,1485 (3)

其中n为扫描的行数。

如果X-Z二维激光轮廓仪相对于待测物体沿Y轴方向保持匀速直线运动，速率为v,X-Z二维激光轮廓仪间隔时间t采集一行扫描数据，则Y轴扫描的数据点的坐标还可以表示为

y_j＝v×t×n,n＝1,2,3,4,… (4)

其中n为扫描的行数。

待测物体需要分为4个矩形扫描面来完成。每次扫描完成一个矩形扫描面F，即沿着X轴方向平移78mm，需要沿X轴方向平移3次完成4个矩形扫描面的扫描，对于每个矩形扫描面的坐标信息X坐标可表达为：

X_k＝k×Δx_l+x_i＝k×78mm+0.1mm×i,i＝1,2,3,…,800,k＝0,1,2,3 (5)

其中i为每行点的列数，k为沿X轴方向平移的次数。

Y轴还是选用(4)或(5)的计算公式。

本发明中的X-Z二维激光轮廓仪和X-Y二维平移台加上坐标信息只是为了便于说明扫描的原理，不能视为对二维激光轮廓仪和二维平移台的限制，只要是二维激光轮廓仪结合二维平移台就可以实现三维信息采集。

本发明的另一目的在于提供一种微观结构表面的三维信息采集系统，如图4所示，包括：X-Z二维激光轮廓仪、控制设备和X-Y二维平移台；所述X-Y二维平移台用于放置待测物体与安装所述X-Z二维激光轮廓仪，在所述控制设备的控制下，实现所述X-Z二维激光轮廓仪相对于所述待测物体沿X轴或Y轴发生平移；所述X-Z二维激光轮廓仪用于在所述控制设备的控制下采集所述待测物体的X-Z二维轮廓信息；所述控制设备包括：数据处理单元：用于合并所有矩形扫描面的扫描数据，建模得出待测物体的三维轮廓图；扫描控制单元：用于控制所述X-Y二维平移台平移和所述X-Z二维激光轮廓采样实现三维扫描功能。通过使用该三维信息采集系统可以对珍贵文物的信息采集、还原、保存等都具有重要的实践意义通过。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。