一种三维扫描系统的制作方法

本申请涉及三维成像，尤其涉及一种三维扫描系统。

背景技术：

1、现有的三维扫描系统一般在发射端采用dlp向物体表面投射预设多帧条纹图案（如格雷码，或者相移条纹），容易获得高精度的测量结果。然而dlp成本较高，结构较复杂，且投射多帧条纹不利于动态三维测量。而使用基于散斑结构光的技术（如kinect，realsense d435/d455）向物体表面投射单帧散斑图案通过匹配算法计算被扫描对象点的深度可以测量动态物体，但其精度有限。

2、为解决上述问题，现有技术提出了采用激光线的线激光扫描技术，即扫描仪的发射端向物体表面投射单根或多根激光线并被接收端采集。基于线激光扫描原理，每根激光线都对应一个光平面方程，根据接收端的光心和图像中激光线上的某个点可以确定一条射线，由这条射线和光平面方程的交点就可以确定被扫描对象点的三维坐标。然而，当发射端发射多根激光线时，接收端采集多根激光线得到多线图像；由此，从多线图像中任一根激光线上的某个点出发的射线会与多个光平面相交得到多个交点，导致无法唯一确定激光线对应的光平面方程。

3、为唯一确定激光线对应的平面方程，现有方案提出使用多种颜色的激光线，利用相邻激光线在空间中的不同颜色的组合实现激光线的编码。在该方案中，需使用彩色相机采集激光线图像，而彩色相机中的拜耳(bayer)滤光片会降低相机的灵敏度。例如，当采用蓝色或红色激光线时，在彩色相机的所有像素中，只有1/4像素可灵敏响应，其余3/4像素是几乎没有响应的；而当采用绿色激光线时，彩色相机中也只有一半的像素可灵敏响应。此外，利用颜色组合对激光线进行编码不适合对色彩丰富的物体进行扫描。

技术实现思路

1、本申请提供了一种三维扫描系统，旨在解决相关技术中三维扫描系统在保证高精度测量结果前提下减少成本及功耗的问题。

2、为了解决上述技术问题，本申请提供了一种三维扫描系统，包括：发射端用于向被扫描对象发射复合线图案光束，其中，复合线图案包括测量线图案和编码线图案，测量线图案中的多根测量线由编码线图案中编码线的亮度分布实现唯一性编码；接收端用于采集经被扫描对象反射的所述复合线图案光束并生成复合线图像，复合线图像包括测量线图像以及编码线图像；处理器，用于根据编码线图像对测量线图像进行解码以识别多根测量线，利用识别后的多根测量线并基于线激光扫描原理计算被扫描对象的深度信息。

3、本申请的有益效果为：与现有技术相比，本申请通过提供一种结合编码线图案和测量线图案的三维扫描系统，仅使用两帧图案便可获取高精度的三维扫描信息，在确保精度的前提下，不仅降低了成本及功耗，还无需在被扫描对象上外贴标志点，减少了人工成本及提高了扫描速率，从而提升了三维重建的速率。

技术特征：

1.一种三维扫描系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端发射的测量线图案中的测量线和编码线图案中的编码线包括竖直方向或接近竖直方向的激光线；其中，所述竖直方向的激光线定义为所述激光线的延伸方向垂直于所述发射端及所述接收端之间的基线。

3.如权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于，所述编码线图案中至少包括2种不同亮度的编码线，所述测量线图案中各测量线亮度均相同。

4.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括准直元件，设于所述光源与所述图案调制元件之间，用于准直所述光源发射的光束至所述图案调制元件。

5.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括投影镜头，所述投影镜头用于准直所述图案调制元件投射的光束至所述被扫描对象，所述图案调制元件为mask。

6.如权利要求1~5任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述光源包括至少两个子光源，所述至少两个子光源用于分别发射光束至所述图案调制元件，所述光束经所述图案调制元件调制后向所述被扫描对象分别投射所述编码线图案和所述测量线图案；其中，所述至少两个子光源发射的光束波长相同或不同。

7.如权利要求6所述的三维扫描系统，其特征在于，所述各子光源出光侧分别设置图案调制元件，所述各子光源发射的光束经对应的图案调制元件后分别形成所述编码线图案和所述测量线图案。

8.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，一子光源对应的图案调制元件包括第一图案区域，透过所述第一图案区域的光线形成所述测量线图案，所述测量线图案中各根测量线亮度相同；另一子光源对应的图案调制元件包括第二图案区域、第三图案区域及第四图案区域，所述第二图案区域由线条组成，透过所述第二图案区域的光线形成与测量线亮度相同的编码线；所述第三图案区域由若干方块图案组成，允许部分光线透过，透过所述第三图案区域的光线形成与测量线亮度不同的编码线；所述第四图案区域为不透光区域，不允许任何光线透过。

9.如权利要求7~8任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源波长相同时，所述至少两个子光源为蓝光激光光源或近红外激光光源。

10.如权利要求7~8任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源波长不同时，所述至少两个子光源包括蓝光激光光源及绿光激光光源或两个不同波长的蓝光激光光源。

11.如权利要求6所述的三维扫描系统，其特征在于，当各子光源发射光束的波长不同时，各子光源共用一图案调制元件，所述各子光源发射的光束经所述图案调制元件后形成所述编码线图案和所述测量线图案。

12.如权利要求11所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述各子光源至少包括第一波长子光源和第二波长子光源，所述图案调制元件上设有参考图案，所述参考图案镀有与各子光源波长对应波长的透光膜；当各子光源发射的光束透过参考图案后形成所述测量线图案和所述编码线图案向所述被扫描对象投射。

13.如权利要求12所述的三维扫描系统，其特征在于，所述参考图案包括第五图案区域、第六图案区域及第七图案区域；其中，所述第五图案区域镀有第一波长透光膜，仅允许第一波长光线透过；所述第七图案区域镀有第二波长透光膜，仅允许第二波长光线透过；第六图案区域镀有第三波长透光膜，允许部分所述第一波长光线透过及部分第二波长光线透过。

14.如权利要求13所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述发射端同时开启所述第一波长子光源和所述第二波长子光源时，光线透过各图案区域后得到测量线图案；当所述发射端开启所述第一波长子光源或所述第二波长子光源时，所述第一波长子光源或所述第二波长子光源发射的光线透过各图案区域后得到编码线图案。

15.如权利要求12所述的三维扫描系统，其特征在于，所述参考图案包括第八图案区域、第九图案区域及第十图案区域；其中，所述第八图案区域不镀膜，允许所有波长光线透过；所述第九图案区域镀有透过全部第一波长光线和部分第二波长光线的透光膜；第十图案区域镀有透过全部第一波长光线和不允许第二波长光线透过的透光膜。

16.如权利要求15所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述发射端开启所述第一波长子光源时，所述第一波长子光源发射的光线经过各图案区域后得到所述测量线图案；当所述发射端开启所述第二波长子光源时，所述第二波长子光源发射的光线经过各图案区域后得到所述编码线图案。

17.如权利要求11~16任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源发射的光束波长不同时，所述发射端还包括匀光合束元件，用于对发射不同波长的光束进行匀光并整合至同一光路以传播至所述图案调制元件。

18.如权利要求17所述的三维扫描系统，其特征在于，所述匀光合束元件包括匀光元件和合束元件，其中，所述匀光元件用于对光源发射的光束进行匀光并准直传播至所述合束元件，所述合束元件用于将经所述匀光元件准直后的不同光源发射的光束整合至同一光路上并向所述图案调制元件投射。

19.如权利要求18所述的三维扫描系统，其特征在于，所述匀光元件包括复眼透镜、diffuser、微透镜中任一种，所述合束元件包括二向色镜或棱镜。

20.如权利要求18~19任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源波长不同时，所述至少两个子光源分别为蓝光激光光源和绿光激光光源，其中，所述蓝光激光光源以用于形成蓝光测量线图案，所述绿光激光光源以用于形成绿光编码线图案。

21.如权利要求11~16任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源发射的光束波长不同时，所述发射端还包括准直匀光部，用于分别对光源发射的光束进行准直匀光并传播至所述图案调制元件。

22.如权利要求21所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括反射元件，设于所述准直匀光部及所述图案调制元件之间的光路上，用于将经准直匀光后的光束反射至所述图案调制元件，以改变发射光路实现微型化。

23.如权利要求22所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括合光元件，用于接收经所述图案调制元件调制后的测量线图案和编码线图案，并合成复合线图案光束向被扫描对象投射。

24.如权利要求23所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括半透半反元件，设于所述图案调制元件与所述合光元件之间，用于透过或反射经所述图案调制元件得到的测量线图案或编码线图案至所述合光元件。

25.如权利要求22~24任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述至少两个子光源波长不同时，所述至少两个子光源分别为波长不同的蓝光激光光源。

26.如权利要求23~24任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述发射端还包括投影镜头，所述投影镜头设于所述合光元件的出光侧，所述投影镜头的像平面恰好位于所述图案调制元件的出光面上，使得所述编码线图案恰好沿所述测量线图案分布排列。

27.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述接收端包括黑白图像传感器，所述黑白图像传感器用于采集经所述被扫描对象反射回的所述复合线图案光束并生成所述复合线图像或仅用于采集所述被扫描对象反射回的所述复合线图案光束中的测量线图案并生成所述测量线图像。

28.如权利要求27所述的三维扫描系统，其特征在于，所述黑白图像传感器入光侧设有滤光片，用于抑制背景光噪声，以仅使所述复合线图案光束或所述复合线图案光束中的测量线图案穿过所述滤光片被所述黑白图像传感器采集。

29.如权利要求28所述的三维扫描系统，其特征在于，所述接收端还包括彩色图像传感器，所述彩色图像传感器用于采集所述被扫描对象的纹理。

30.如权利要求29所述的三维扫描系统，其特征在于，当所述黑白图像传感器仅用于采集所述被扫描对象反射回的所述复合线图案光束中的测量线图案并生成多线图像时，所述彩色图像传感器还设有与发射所述编码线图案的光束波长相匹配的滤光片，以使所述彩色图像传感器仅用于采集所述复合线图案光束中的编码线图案。

31.如权利要求29或30所述的三维扫描系统，其特征在于，所述接收端还包括分光元件，用于对反射回的所述复合线图案光束进行分光以使所述测量线图案和所述编码线图案分别被所述黑白图像传感器和所述彩色图像传感器采集。

32.如权利要求27~31任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述接收端还包括成像镜头，用于对经所述被扫描对象反射回的复合线图案光束进行聚焦以成像于图像传感器中相应的像素上。

33.如权利要求28~31任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描系统还包括照明单元，所述照明单元包括照明光源和准直元件，其中，所述照明光源发射光束至所述准直元件，并经所述准直元件准直后的光束以为所述被扫描对象提供类环境光。

34.如权利要求29~31任一项所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描系统还包括同轴照光部，所述同轴照光部设于接收端的入光侧，用于为所述彩色图像传感器提供类环境光以使得到所述被扫描对象的清晰纹理。

35.如权利要求34所述的三维扫描系统，其特征在于，所述同轴照光部包括照光光源、准直透镜及半透半反光学元件，其中，所述照光光源发射光束至所述准直透镜并经所述准直透镜准直后至所述半透半反光学元件，部分光束经所述半透半反光学元件偏转至所述被扫描对象以对所述被扫描对象补光。

36.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于，所述三维扫描系统还包括偏转光学元件，用于接收经所述发射端发射的光束并反射至所述被扫描对象以实现对被扫描对象的扫描，还用于接收经所述被扫描对象反射回的光束并偏转至所述接收端。

37.如权利要求36所述的三维扫描系统，其特征在于，所述偏转光学元件包括转镜、反射镜、棱镜或mems中任一种。

技术总结
本申请提供了一种三维扫描系统，包括：发射端用于向被扫描对象发射复合线图案光束，其中，复合线图案包括测量线图案和编码线图案，测量线图案中的多根测量线由编码线图案中编码线的亮度分布实现唯一性编码；接收端用于采集经被扫描对象反射的所述复合线图案光束并生成复合线图像，复合线图像包括测量线图像以及编码线图像；处理器，用于根据编码线图像对测量线图像进行解码以识别多根测量线，利用识别后的多根测量线并基于线激光扫描原理计算被扫描对象的深度信息。

技术研发人员：徐玉华,刘国帅,吴禹,黄泽铗
受保护的技术使用者：奥比中光科技集团股份有限公司
技术研发日：20230118
技术公布日：2024/1/15