用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统及方法。
【背景技术】
[0002]当今科学技术飞速发展，运用高科技的设备装置及手段解决地质类、环境类等基础学科的传统问题越来越普遍。目前，地质环境类的大部分研究都离不开高精度测量与处理、理论问题与实际模型的转换、以及先进的实验环境。
[0003]松散沉积物及土壤样品的密度与体积，对于古环境的重建等一些基础研究而言是很重要的参数。但长时间以来，对于如何解决这样一个看似简单的问题一直存着技术性的局限性和壁皇。从现有的测量体积密度的手段来看，接触式测量为主，以阿基米德原理为基础，将待测样品置于某种体积固定，已知密度的介质中，如水，沙，油等，通过计算排除物体的体积，来间接得知被测物体的体积，再通过质量来算出整个样品的密度。此外，通过激光照射或射线扫描等光学方法，也能知道物体的局部密度或排除空隙的实密度。
[0004]然而现有的技术方法与手段往往不能满足现在的科学研究需求。由于松散沉积物及土壤的内部结构复杂，具有空隙发育、半固结、易分散等特点，使用激光投射等方式得到的局部密度或实密度，不能代表沉积物样品的实际密度，在很多研究中并不能反映出相应的科学真相和解决针对的科学问题，而且激光投射穿越矿物整体也会对样品产生一定的不可逆的损害。而接触式测量所得到结果固然准确，但是都会对样品本身和内部结构产生破坏。如水会冲刷与吸附，沙又会附着在表面，这样对于样品的破坏很不利于样品其他的实验和保管;而对于松散沉积物样品来说，其易吸附和分散的特性，能否得到可靠的测量结果都存在相当大的争议。如若选择一些惰性气体的介质，介质本身以及测量方法的特殊性都会使成本增加很多，同时介质的充入压力的增大也会使测量结果趋向于实密度而误差增大或不可用与相应研究。
[0005]三维扫描技术发展迅速，目前已应用到了工业检测、设计、动漫及电影特效制作、3D展示、虚拟手术、反求工程等诸多领域和行业。从现有的三维扫描技术手段来看，以激光三维扫描和投影结构光三维扫描技术为主，激光三维扫描系统通过投射激光线或者点阵，用摄像头捕捉投射的激光特征，通过三角测量恢复三维深度信息，但这种逐点和逐线的扫描方式主要缺点是速度慢;在基于投影仪的结构光三维扫描系统中，其通过结构光编码技术，实现整个面的一次性测量，具有速度快和精度高的明显优势，因而基于投影的结构光三维扫描技术已成为目前的主流技术手段。
[0006]总而言之，现有技术有不同的缺陷和弊端，不能满足地质环境类一线科研对不同样品体积密度测量的需求，其存在的主要问题如下:I)只能得到待测样品的局部密度或实密度，并不能代替样品的实际密度;2)如果测量结果精确就要选用昂贵的介质和工具，测量成本增高;3)测量方法与待测物接触，使得待测物的物理或者化学结构改变，不利于待测物的保存与再利用。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，有必要提供一种用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统及方法。
[0008]本发明提供一种用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统，该系统包括分别与电脑连接的投影仪、相机及转台，所述转台上有用于放置待测量样品的平面，所述电脑包括三维重建模块、坐标位置计算模块及自动配准模块，其中:所述三维重建模块用于通过投影仪和相机获得标准黑白棋盘格的光学信息，对所述光学信息进行编码处理，经过三角测量得到边缘点的三维信息，根据所述边缘点的三维信息进行三维重建;所述坐标位置计算模块用于根据上述三维重建，计算得到所述转台的轴心在投影仪与相机系统坐标系下的坐标位置;所述自动配准模块用于根据计算得到转台的轴心在投影仪与相机系统坐标系下的坐标位置，进行不同角度三维数据的自动配准。
[0009]其中，所述三维重建模块具体用于:获取所述投影仪和相机的内部及外部参数，以便于后续三角测量的深度计算;及根据上述获取的投影仪和相机的内部及外部参数，对投射出的结构光条纹进行编码处理。
[0010]所述坐标位置计算模块具体用于:扫描所述平面获得其三维数据Pl;将转台旋转一定角度，再次扫描所述平面，获得其旋转一定角度后的三维数据P2;及根据P1、P2计算得到所述转台的转轴L。
[0011]所述自动配准模块具体用于:控制转台每次旋转角度A，旋转360/A次，完成对所述转台的全面扫描，得到360/A组三维扫描数据;及根据转台的旋转角度A和转轴L，以第一组三维扫描数据为基准，完成上述得到的360/A组三维扫描数据的配准。
[0012]本发明提供一种用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描方法，该方法包括如下步骤:a.通过投影仪和相机获得标准黑白棋盘格的光学信息，对所述光学信息进行编码处理，经过三角测量得到边缘点的三维信息，根据所述边缘点的三维信息进行三维重建；
b.根据上述三维重建，计算得到所述转台的轴心在投影仪与相机系统坐标系下的坐标位置;c.根据计算得到转台的轴心在投影仪与相机系统坐标系下的坐标位置，进行不同角度三维数据的自动配准。
[0013]其中，所述的a具体包括:al.获取所述投影仪和相机的内部及外部参数，以便于后续三角测量的深度计算;及a2.根据上述获取的投影仪和相机的内部及外部参数，对投射出的结构光条纹进行编码处理。
[0014]所述的b具体包括:扫描所述平面获得其三维数据Pl;将转台旋转一定角度，再次扫描所述平面，获得其旋转一定角度后的三维数据P2;及根据P1、P2计算得到所述转台的转轴L ο
[0015]所述的c具体包括:控制转台每次旋转角度A，旋转360/A次，完成对所述转台的全面扫描，得到360/A组三维扫描数据;及根据转台的旋转角度A和转轴L，以第一组三维扫描数据为基准，完成上述得到的360/A组三维扫描数据的配准。
[0016]本发明所提供的用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统及方法，不需要人工参与和接触测量的操作，可以自动化的完成整个模型的扫描，从而消除了测量方法对于样品的破坏，同时提高了测量的精度，大大简化了整个三维扫描过程的操作复杂度，显著提高了三维扫描的效率。
【附图说明】
[0017]图1为本发明用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统的运行环境示意图；
[0018]图2为本发明电脑5的硬件架构图；
[0019]图3为本发明用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描方法的流程图；
[0020]图4为本发明步骤SI的详细流程图；
[0021]图5为本发明步骤Sll的详细流程图；
[0022]图6为本发明步骤S12的详细流程图；
[0023]图7为本发明步骤S2的详细流程图；
[0024]图8为本发明步骤S3的详细流程图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0026]参阅图1所示，是本发明用于测量松散沉积物块状样品体积的三维扫描系统的运行环境示意图。该系统包括分别与电脑5电性连接的投影仪1、相机2、转台3。其中，平面4置于转台3上，用于放置待测量物体。所述电脑5能够分别控制投影仪I投影，相机2拍照及转台3转动。
[0027]请一并参阅图2，所述电脑5包括:三维重建模块、坐标位置计算模块及自动配准模块。
[0028]所述三维重建模块用于通过投影仪I和相机2获得标准黑白棋盘格的光学信息，对所述光学信息进行编码处理，经过三角测量得到边缘点的三维信息，根据所述边缘点的三维信息进行三维重建。其中，所述边缘点的三维信息即为三维点云的数据。具体而言:
[0029]所述三维重建模块获取投影仪I和相机2的内部及外部参数，以便于后续三角测量的深度计算;及
[0030]所述三维重建模块根据上述获取的投影仪I和相机2的内部及外部参数，对投射出的结构光条纹进行编码处理。
[0031]其中，所述三维重建模块获取投影仪I和相机2的内部及外部参数，以便于后续三角测量的深度计算，具体包括:
[0032]将一张标准黑白棋盘格图片粘贴于平面物体上，所述棋盘格的尺寸和方格数量是已知的；
[0033]将所述棋盘格放置在相机2前，拍摄一张棋盘格照片；
[0034]保持棋盘格位置不动，打开投影仪I，投射一张黑白棋盘格图案到标定板上，并控制相机2拍摄一张照片；
[0035]改变所述棋盘格平面的位置或者姿态，重复上述相机拍摄及投影仪投射步骤;及
[0036]根据所述相机2获取的照片，完成所述投影仪I与所述相机2的内部及外部参数的标定。
[0037]其中，所述三维重建模块根据上述获取的投影仪I和相机2的内部及外部参数，对投射出的结构光条纹进行编码处理，具体包括:
[0038]首先投射11张格雷码图片，根据格雷码的定义，通过所述11张格雷码图片，对整个图像的21() = 1024个区域进行唯一编码，即格雷码全局编码。其中，所述格雷码全局编码的码值为I到1020;
[0039]采用宽度为4个像素的黑白带条纹，再将其每次移动I个像素，一共移动3次，共得至IJ4张带条纹图像，通过边缘检测技术，检测出每次移动后的条纹边缘，并以1-2-3-4四个编码值对所述条纹的边缘像素进行编码，即局部唯一编码，所述格雷码全局编码的码值为I到4；
[0040]根据所述局部唯一编码及格雷码全局编码，完成边像素点的全局唯一编码，所述全局唯一编码的码值为I到1024;及
[0041]根据标定阶段的外极线约束条件及所述全局唯一编码，完成投影仪I与相机2边缘点的匹配，进而通过三角测量得到边缘点的三维信息，根据所述边缘点的三维信息实现3D重建。
[0042]所述坐标位置计算模块用于根据上述三维重建，计算得到转台3的轴心在投影仪I与相机2系统坐标系下的坐标位置。具体而言:
[0043]所述坐标位置计算模块在转台3表面放置一个平面4，扫描所述平面4获得其三维数据PI;
[0044]所述坐标位置计算模块将转台3旋转一定角度，再次扫描所述平面4，获得其旋转一定角度后的三维数据P2;及
[0045]所述坐标位置计算模块根据P1、P2计算得到所述转台3的转轴L。具体而言，根据上述三维数据P1、P2进行重建模拟，计算得到所述转台3的转轴L。
[0046]在本实施例中，所述三维数据P1