室内三维扫描设备及方法与流程

本发明涉及三维扫描领域，具体而言，涉及一种室内三维扫描设备及方法。

背景技术：

在目前的室内三维扫描中，多采用在室内固定点放置双摄像装置，利用双摄像装置的三角交汇得到形体的三维坐标信息。与传统测量方法相比，它具有无接触、检测速度快、数据量大等优点，但是同时，由于室内三维扫描需要布置的点过多，对每个检测点需要手动移动测量设备进行检测，一般情况下一个一百平米的房屋的扫描时间需要一到两个小时，扫描时间较长。同时，由于室内三维扫描布置的点有限，在墙角等边缘位置常常会出现测量误差，精度较差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种室内三维扫描设备及方法，结构简单、使用方便，可自动实现对室内全方位的扫描，在保证高精度的同时，结构灵活，具有通用性。

本发明采用的技术方案是：提供一种室内三维扫描设备，无人机、安装在所述无人机下方的转动圆盘、安装在所述转动圆盘上的激光测距装置和三维扫描装置，以及分别与所述无人机、激光测距装置、三维扫描装置、转动圆盘电连接的处理装置，所述转动圆盘用于在所述处理装置的控制下带动所述激光测距装置和三维扫描装置旋转，所述激光测距装置用于在所述转动圆盘的带动下360度旋转且同时测量其与周围障碍物之间的距离，并将测得的距离数据发送至所述处理装置，所述处理装置用于根据所述激光测距装置测得的数据绘制室内平面轮廓图，并根据预先设定规则在所述室内平面轮廓图中选择若干个扫描点，将若干个所述扫描点的位置信息发送至所述无人机，所述无人机用于根据所述位置信息带动所述三维扫描装置依次飞行至各个所述扫描点，所述三维扫描装置为基于结构光的三维扫描装置，用于在所述无人机到达各个所述扫描点时，在所述转动圆盘的带动下旋转，对各个扫描点周围进行360度空间扫描，绘制出各个扫描点的深度图和三维图，并发送至所述处理装置，所述处理装置还用于将各个扫描点的三维图进行拼接形成完整的室内三维图。

在本发明所述的室内三维扫描设备中，所述三维扫描装置包括结构光扫描模组、摄像机、投影设备、采集单元、确定单元、投影单元、获取单元和通信单元；所述采集单元用于利用所述结构光扫描模组采集被测物体的深度图，并将深度图转换为三维数据点集，其中，所述三维数据点集中包括多个三维点；所述确定单元用于确定所述多个三维点中的目标三维点所对应的目标光平面方程；所述投影单元用于将所述目标三维点投影到调制后的多线条纹图像上，确定所述调制后的多线条纹图像中的与所述目标光平面方程相对应的目标条纹，其中，所述调制后的多线条纹图像为利用所述投影设备将多线条纹图像投射到被测物体上后所述摄像机采集到的图像；所述获取单元用于根据所述目标光平面方程以及所述目标条纹的中心坐标获取所述目标条纹在所述摄像机坐标系中的三维点信息，所述通信单元用于将所述三维点信息发送至所述处理装置。

在本发明所述的室内三维扫描设备中，所述三维扫描装置包括红外投射器、红外相机、深度计算芯片、彩色相机和三维处理器，所述红外投射器用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，所述红外相机用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像，所述彩色相机用于拍摄带有二维数据信息的目标物体，所述深度计算芯片与红外相机电连接，红外相机拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出，所述三维处理器与红外投射器、红外相机、深度计算芯片和彩色相机进行电连接，所述深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至三维处理器，所述三维处理器同时接收所述彩色相机拍摄目标物体得到的二维数据信息，结合二维数据信息和深度数据信息得出目标物体的三维数据信息，并将所述三维数据信息发送至所述处理装置。

在本发明所述的室内三维扫描设备中，所述转动圆盘通过连接柱与所述无人机下端相连，所述转动圆盘包括转动电机和安装盘，所述转动电机的壳体固定安装在所述连接柱上，所述转动轴与所述安装盘固定相连，所述激光测距装置、三维扫描装置均固定安装在所述安装盘上。

在本发明所述的室内三维扫描设备中，所述连接柱为空心结构，所述室内三维扫描设备还包括安装在所述连接柱内、用于为所述转动圆盘、激光测距装置和三维扫描装置提供电源的电源装置。

本发明还提供一种室内三维扫描方法，使用上述任一所述的室内三维扫描设备，包括以下步骤：

s1通过激光测距装置360度旋转测量室内三维扫描设备与周围障碍物之间的距离，将测得的距离数据发送至处理装置；

s2所述处理装置根据所述激光测距装置测得的数据绘制室内平面轮廓图，根据预先设定规则在所述室内平面轮廓图中选择若干个扫描点，并将若干个所述扫描点的位置信息发送至无人机；

s3所述无人机根据所述位置信息带动三维扫描装置依次飞行至各个所述扫描点；

s4所述三维扫描装置在所述无人机到达各个所述扫描点时，对各个扫描点的周围环境进行360度空间扫描，绘制出各个扫描点的深度图和三维图，并发送至所述处理装置，所述处理装置对各个扫描点的三维图进行拼接形成室内三维图。

在本发明所述的室内三维扫描方法中，所述三维扫描装置包括结构光扫描模组、摄像机、投影设备、采集单元、确定单元、投影单元、获取单元和通信单元；所述采集单元用于利用所述结构光扫描模组采集被测物体的深度图，并将深度图转换为三维数据点集，其中，所述三维数据点集中包括多个三维点；所述确定单元用于确定所述多个三维点中的目标三维点所对应的目标光平面方程；所述投影单元用于将所述目标三维点投影到调制后的多线条纹图像上，确定所述调制后的多线条纹图像中的与所述目标光平面方程相对应的目标条纹，其中，所述调制后的多线条纹图像为利用所述投影设备将多线条纹图像投射到被测物体上后所述摄像机采集到的图像；所述获取单元用于根据所述目标光平面方程以及所述目标条纹的中心坐标获取所述目标条纹在所述摄像机坐标系中的三维点信息，所述通信单元用于将所述三维点信息发送至所述处理装置。

在本发明所述的室内三维扫描方法中，所述三维扫描装置包括红外投射器、红外相机、深度计算芯片、彩色相机和三维处理器，所述红外投射器用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，所述红外相机用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像，所述彩色相机用于拍摄带有二维数据信息的目标物体，所述深度计算芯片与红外相机电连接，红外相机拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出，所述三维处理器与红外投射器、红外相机、深度计算芯片和彩色相机进行电连接，所述深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至三维处理器，所述三维处理器同时接收所述彩色相机拍摄目标物体得到的二维数据信息，结合二维数据信息和深度数据信息得出目标物体的三维数据信息，并将所述三维数据信息发送至所述处理装置。

在本发明所述的室内三维扫描方法中，所述转动圆盘通过连接柱与所述无人机下端相连，所述转动圆盘包括转动电机和安装盘，所述转动电机的壳体固定安装在所述连接柱上，所述转动轴与所述安装盘固定相连，所述激光测距装置、三维扫描装置均固定安装在所述安装盘上。

在本发明所述的室内三维扫描方法中，所述连接柱为空心结构，所述室内三维扫描设备还包括安装在所述连接柱内、用于为所述转动圆盘、激光测距装置和三维扫描装置提供电源的电源装置。

本发明提供的室内三维扫描设备及方法，通过无人机带动激光测距装置和三维扫描装置悬停在室内，通过激光测距装置测量室内平面轮廓并自动计算出扫描点数量并发送至无人机，无需人工手动操作无人机动作；采用基于结构光的三维扫描装置进行室内三维成像，具有精度高、结构灵活、通用性强等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的室内三维扫描设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的室内三维扫描方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的室内三维扫描设备，包括无人机1、转动圆盘2、激光测距装置3、三维扫描装置4、处理装置5、连接柱6和电源装置。具体的，转动圆盘2通过连接柱6与无人机1下端固定相连，转动圆盘2包括转动电机和安装盘21，转动电机的壳体固定安装在连接柱6下端上，转动轴与安装盘21固定相连，使其转动时可以带动安装盘21转动。激光测距装置3、三维扫描装置4均固定安装在安装盘21上。为最大限度的利用空间，优化设备的外形设计，本实施例中连接柱6为空心结构，电源装置为大容量的蓄电池且安装在连接柱6内，使电源装置既能较好的为转动圆盘2、激光测距装置3和三维扫描装置4提供电源，又合理的利用设备的容置空间、减小了设备的体积。

在使用时，无人机1由人工控制先飞行至室内中间位置处悬停，此时，室内三维扫描设备即可启动，其中，激光测距装置3用于在转动圆盘2的带动下360度旋转并同时测量其与周围障碍物之间的直线距离，并将测得的距离数据发送至处理装置5，处理装置5用于根据激光测距装置3测得的数据绘制室内平面轮廓图，根据预先设定规则(如每隔两米)在室内平面轮廓图中选择若干个扫描点，扫描点在平面上的数量根据室内平面轮廓图的大小而定，室内平面轮廓图越大扫描点的数量越多，扫描点的高度与人眼视角相匹配，为1.5-1.8m；处理装置5还将若干个扫描点的位置信息发送至无人机1，无人机1用于根据若干个扫描点位置信息设定自身的飞行目的地及飞行路径，即依次飞行至各个扫描点，在其飞行的过程中将带动三维扫描装置4依次飞行至各个扫描点；本实施例中的三维扫描装置4为基于结构光的三维扫描装置，三维扫描装置4用于在无人机到达各个扫描点时，在所述转动圆盘的带动下旋转且对各个扫描点周围进行360度空间扫描绘制出各个扫描点的深度图和三维图并发送至处理装置5，最后由处理装置5将各个扫描点的三维图进行拼接形成完整的室内三维图。

进一步的，本实施例中的三维扫描装置4包括结构光扫描模组、摄像机、投影设备、采集单元、确定单元、投影单元、获取单元和通信单元；采集单元用于利用结构光扫描模组采集被测物体的深度图，并将深度图转换为三维数据点集，其中，三维数据点集中包括多个三维点；确定单元用于确定多个三维点中的目标三维点所对应的目标光平面方程；投影单元用于将目标三维点投影到调制后的多线条纹图像上，确定调制后的多线条纹图像中的与目标光平面方程相对应的目标条纹，其中，调制后的多线条纹图像为利用投影设备将多线条纹图像投射到被测物体上后摄像机采集到的图像；获取单元用于根据目标光平面方程以及目标条纹的中心坐标获取目标条纹在摄像机坐标系中的三维点信息；通信单元用于将所述三维点信息发送至处理装置5进行拼接。通过以上设置，可以根据结构光扫描模组采集的被测物体的深度图，确定深度图转换的三维数据点集中目标三维点对应的目标光平面方程，再确定单个摄像机采集的调制后的多线条纹图像中目标光平面方程对应的目标条纹，进而再根据目标光平面方程以及目标条纹的中心坐标获取目标条纹在摄像机坐标系中重构的三维点，实现了使用单目三维扫描系统准确重构三维点，完成三维扫描。

在另一实施例中，三维扫描装置4包括红外投射器、红外相机、深度计算芯片、彩色相机和三维处理器，红外投射器用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，红外相机用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像，彩色相机用于拍摄带有二维数据信息的目标物体，深度计算芯片与红外相机电连接，红外相机拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出，三维处理器与红外投射器、红外相机、深度计算芯片和彩色相机进行电连接，深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至三维处理器，三维处理器同时接收彩色相机拍摄目标物体得到的二维数据信息，结合二维数据信息和深度数据信息得出目标物体的三维数据信息，并将所述三维数据信息发送至处理装置5进行拼接。

本发明还提供一种室内三维扫描方法，使用上述的室内三维扫描设备，其具体包括以下步骤：

s1将无人机1悬停在室内中央位置处，启动室内三维扫描设备，处理装置5控制转动圆盘2进行360度旋转，激光测距装置3同时启动测量室内三维扫描设备与周围障碍物之间的距离，并将测得的距离数据发送至处理装置5。

s2处理装置5根据激光测距装置3测得的数据绘制室内平面轮廓图，根据预先设定规则在室内平面轮廓图中选择若干个扫描点，并将若干个扫描点的位置信息发送至无人机。

所述预先设定规则可以根据室内的空间大小设定，可采用距离为设定依据，如依室内的长度每隔两米设置一个扫描点，亦可采用面积为设定依据，如每隔三平方米设置一个扫描点。扫描点的选取需要避开障碍物，防止障碍物与三维扫描设备发生碰撞，同时根据扫描的精细度来选择扫描点之间的距离，扫描越精细，扫描点之间的距离越短。在进行多间房屋的扫描时，需要首先在处理装置5中添加固定扫描点，每间房屋设置一个固定扫描点，如两个房间连接的位置(比如门)设置一个固定扫描点，处理装置5可以根据扫描需要在任意两个固定扫描点之间增加任意个扫描点，当所有的扫描点完成扫描后，处理装置5对扫描得到的三维图进行拼接，即可形成整个房间的三维扫描图像。

s3无人机1根据若干个扫描点信息带动三维扫描装置4依次飞行至各个扫描点。

s4三维扫描装置4在无人机1到达各个扫描点时，对各个扫描点的周围环境进行360度空间扫描，绘制出各个扫描点的深度图和三维图并发送至所述处理装置，由所述处理装置5对各个扫描点的三维图进行拼接形成室内三维图。

处理装置5先发送第一个扫描点位置至无人机1，无人机1收到扫描点位置信息后即自动飞行至扫描点位置。无人机1到达扫描点后发送信息至处理装置5，由处理装置5控制转动圆盘2旋转，同时三维扫描装置4启动对扫描点周围进行360度扫描，扫描完毕后三维扫描装置4绘制出各个扫描点的深度图和三维图发送至处理装置5，处理装置5发送第二个扫描点位置至无人机，使无人机移动至下一扫描点，以此往复实现对所有扫描点的自动扫描，最后由处理装置5对所有扫描点的三维图进行拼接形成完整的室内三维图，整个扫描全程无需人员操作，十分的简单快捷。

进一步的，三维扫描装置4包括结构光扫描模组、摄像机、投影设备，三维扫描装置对所述摄像机进行标定，获取所述摄像机的内外参数；获取所述结构光扫描模组与所述摄像机之间的相对位置关系所对应的旋转平移矩阵；对所述多线条纹图像中的每个条纹对应的光平面方程进行标定，获取多个标定后的光平面方程。利用所述结构光扫描模组采集被测物体的深度图，并将深度图转换为三维数据点集，其中，所述三维数据点集中包括多个三维点；确定所述多个三维点中的目标三维点所对应的目标光平面方程，获取所述目标三维点到所述多个标定后的光平面方程的欧氏距离，并从所述多个标定后的光平面方程中确定出欧氏距离最短的光平面方程；在所述目标三维点到所述欧氏距离最短的光平面方程之间的欧式距离低于预定距离的情况下，将所述欧氏距离最短的光平面方程确定为所述目标光平面方程；将所述目标三维点投影到调制后的多线条纹图像上，确定所述调制后的多线条纹图像中的与所述目标光平面方程相对应的目标条纹，其中，所述调制后的多线条纹图像为利用所述投影设备将多线条纹图像投射到被测物体上后所述摄像机采集到的图像，判断所述目标三维点在所述调制后的多线条纹图像中的投影点的预设范围内是否存在条纹线段，其中，所述条纹线段为对所述调制后的多线条纹图像进行中心线提取后对所述中心线连通域进行分割所形成的线段；在所述目标三维点在所述调制后的多线条纹图像中的投影点的预设范围内存在条纹线段的情况下，将所述条纹线段确定为与所述目标光平面方程相对应的所述目标条纹。根据所述目标光平面方程以及所述目标条纹的中心坐标获取所述目标条纹在所述摄像机坐标系中的三维点信息，按照以下方程计算所述三维点的坐标：axi+byi+czi+d＝0；(u-cx)/fx＝xi/zi；(v-cy)/fy＝yi/zi；其中，(xi、yi、zi)为所述三维点的坐标,a、b、c、d为所述目标光平面方程的系数，(u、v)为所述目标条纹的中心坐标，(cx、cy)为所述摄像机的主点坐标，fx、fy为所述摄像机的等效焦距。最后将各个扫描点的三维点信息发送至处理装置进行拼接形成完整的室内三维图。

在另一实施例中，三维扫描装置4包括红外投射器、红外相机、深度计算芯片、彩色相机和三维处理器，红外投射器用于向目标物体投射红外激光散斑平面图案，红外相机用于拍摄附带有红外激光图案的目标物体，并且生成红外图像，彩色相机用于拍摄带有二维数据信息的目标物体，深度计算芯片与红外相机电连接，红外相机拍摄目标物体生成的红外图像传输至深度计算芯片，由深度计算芯片经过计算处理得出红外图像的深度数据并将红外图像的深度数据输出，三维处理器与红外投射器、红外相机、深度计算芯片和彩色相机进行电连接，深度计算芯片输出的红外图像深度数据传输至三维处理器，三维处理器同时接收彩色相机拍摄目标物体得到的二维数据信息，结合二维数据信息和深度数据信息得出目标物体的三维数据信息，并将所述三维数据信息发送至处理装置5进行拼接。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。