全场景扫描装置及三维扫描建模系统的制作方法

本发明涉及扫描建模领域，尤其涉及一种全场景扫描装置及三维扫描建模系统。

背景技术：

现有技术中，深度相机可以实现场景中物体的三维模型重建，但建立室内场景的三维模型与建立单个物体的三维模型不同，在深度相机的视野范围内，必须沿着某一复杂轨迹的很多视角进行扫描，才能为一个大的室内场景重建三维模型。现有典型的室内场景扫描与建模通常采用多深度相机固定摆放在场景周围不同方位，从不同角度同时捕获场景，来进行场景三维建模，成本高，设备体积大，携带不方便；考虑到单一深度相机的视野局限，也可以手持一个深度相机移动扫描来获取室内场景的多个视角，进而重建场景三维模型，虽然降低了设备成本，方便了携带，但需要操作员手持深度摄像机在室内场景中移动，精细化的场景扫描是一个枯燥无聊的活，特别是对于大尺度、包含很多物体的室内场景，费时费力，由于人体的移动，导致扫描后的数据质量得不到保证。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种能够实现全场景扫描的全场景扫描装置及三维扫描建模系统，以解决现有的自动扫描系统成本高、体积大，人工扫描效率低、精度差的缺陷。

为达到上述目的，本发明的实施例一方面提供一种全场景扫描装置，包括扫描机构、第一转动机构、旋转支架和第二转动机构；旋转支架与第一转动机构连接，可在第一转动机构驱动下绕第一轴线旋转；第二转动机构安装在旋转支架上，并与扫描机构相连接，驱动扫描机构绕第二轴线旋转；第二轴线与第一轴线成预定的夹角。

优选地，第二转动机构安装在旋转支架的第一端，扫描机构相比较第二转动机构更接近第一轴线。

优选地，扫描机构包括kinect传感器、激光雷达或深度传感器。

优选地，第二轴线与第一轴线垂直。

本发明实施例另一方面提供一种三维扫描建模系统，包括前述的全场景扫描装置，该系统中还包括数据采集单元、转动控制单元、二维平面图生成单元、配准与融合单元、信号输出单元、显示单元；数据采集单元与扫描机构的输出端连接，采集扫描机构输出的图像数据；转动控制单元与第一转动机构和第二转动机构分别连接，控制第一转动机构和第二转动机构转动；二维平面图生成单元根据由图像数据得到的三维点云生成二维平面图；配准与融合单元对三维点云和二维平面图进行配准和融合，进而得到三维模型；信号输出单元与显示单元连接，用于将得到的三维模型输出到显示单元进行显示；显示单元，显示得到的三维模型。

优选地，在显示单元上还显示三维点云和二维平面图，配准与融合单元根据显示单元显示的三维点云和二维平面图，调整三维点云和二维平面图的相对位置，得到一级配准数据。

优选地，配准与融合单元还包括二级配准和融合单元，二级配准和融合单元对一级配准数据进行匹配和融合运算，得到三维模型。

优选地，图像数据包括深度图数据，三维扫描建模系统还包括三维点云生成单元，三维点云生成单元根据深度图数据生成三维点云。

优选地，图像数据包括三维点云。

优选地，系统还包括渲染单元，图像数据还包括彩色图数据，渲染单元根据彩色图数据对三维模型进行渲染。

本发明实施例提供的全场景扫描装置，能够自动实现全场景的扫描，可以控制扫描的速度，方向，大幅提升了扫描的效率和质量，无需操作人员手持扫描设备人工扫描，降低了人力成本，保证了扫描建模的速度和精度，并且只用一台扫描机构即可实现全场景的扫描，体积小巧，便于携带。

本发明实施例提供的三维扫描建模系统，通过全场景扫描装置扫描获取图像数据，并将图像数据转化为三维点云，以及将三维点云转化为二维平面图，并将三维点云和二维平面图先进行粗配准，然后利用icp算法进行精配准和融合，进而得到三维模型。本发明实施例的三维扫描建模系统，成本低，扫描速度快、精度高，能够实现快速和精确地建模。

附图说明

图1为本发明实施例一的全场景扫描装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二的三维扫描建模系统一种实施方式的组成示意图；

图3为本发明实施例二的三维扫描建模系统另一种实施方式的组成示意图；

图4为本发明实施例二的三维扫描建模系统的扫描建模的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式的全场景扫描装置和三维扫描建模系统进行详细的说明

实施例一

图1是实施例一的全场景扫描装置的结构示意图。

本实施例的全场景扫描装置包括扫描机构1、第一转动机构3、旋转支架4、第二转动机构2；旋转支架4与第一转动机构3连接，可在第一转动机构3驱动下绕第一轴线l1旋转；第二转动机构2安装在旋转支架4上，并与扫描机构1相连接，驱动扫描机构1绕第二轴线l2旋转；第二轴线l2与第一轴线l1成预定的倾角。

本实施例的全场景扫描装置，可以通过第一转动机构3和第二转动机构2带动扫描机构1沿第一轴线l1和第二轴线l2独立转动，第一转动机构3和第二转动机构2的旋转速度、旋转角度、旋转方向均可以控制，进而只需要一台扫描机构1即可实现全方位、全场景的扫描，扫描的效率和质量都比较高，无需操作人员手持扫描设备人工扫描，降低了人力成本，保证了扫描建模的速度和精度，并且体积小巧，便于携带。

第一转动机构3和第二转动机构2优选包括电动机。

可选地，第一转动机构3可采用电动机直接与旋转支架4连接，直接驱动旋转支架4转动；此外，第一转动机构3还可包括第一减速机构，电动机通过第一减速机构驱动旋转支架4转动。

可选地，第二转动机构2可采用电动机直接与扫描机构1相连接，直接驱动扫描机构1转动；此外，第二转动机构2还可包括第二减速机构，第二转动机构2通过第二减速机构驱动扫描机构1转动。

可选地，扫描机构1可以为kinect传感器。kinect是一种体感外设，共有三个摄像头，中间镜头为rgb彩色摄像机，左右边镜头分别为红外线发射器和红外线cmos摄像机组成。其中红外线能对空间进行编码，只要在空间中打上这样的结构光，整个空间就都被做了标记，把一个物体放进这个空间，通过物体表面上的散斑图案，就可以确定出物体的位置信息。但不限于kinect传感器，还可以采用激光雷达或深度传感器或其他任何能够实现场景的深度数据采集的设备。

可选地，第一轴线l1与第二轴线l2垂直。但并不限于此，第一轴线l1还可以与第二轴线l2呈其他夹角交叉设置，例如60度、75度、85度等，均在本实施例的限制范围内。

可选地，第二转动机构2安装在旋转支架4的第一端，扫描机构1相比较第二转动机构2更接近第一轴线l1，如图1中所示，这样布置的好处是可以使扫描机构1的重心更靠近第一轴线l1，有利于减少全场景扫描装置的转动惯量，使扫描机构1的转动操作更加轻松。

可选地，在旋转支架4的与第一端相反的第二端，安装有重量可调节的配重机构(图中未示出)。通过调节配重机构的重量，可使得旋转支架4、扫描机构1、第二转动机构2整体的重心位于第一轴线l1上，有利于提高全景扫描装置的转动的稳定性，避免偏心转动引起的振动。

此外，通过将配重机构设置为重量可调节的，当需要对扫描机构1或者第二转动机构2进行改动或者更换时，可以对应地通过调整配重机构的重量，进而继续保持旋转支架4、扫描机构1、第二转动机构2整体的重心位于第一轴线l1上。配重机构的重量调整可以通过增加或者减少配重块的方式实现，但并不限于此。

实施例二

图2中示出了本发明实施例二提供的三维扫描建模系统，其包括实施例一的全场景扫描装置，该系统中还包括数据采集单元6、转动控制单元5、二维平面图生成单元8、配准与融合单元9、信号输出单元10、显示单元11。数据采集单元6与扫描机构的输出端连接，采集扫描机构输出的图像数据。转动控制单元5与第一转动机构和第二转动机构分别连接，控制第一转动机构和第二转动机构转动。二维平面图生成单元8根据由图像数据得到的三维点云生成二维平面图。配准与融合单元9对三维点云和二维平面图进行配准和融合，进而得到三维模型。信号输出单元10与显示单元11连接，用于将得到的三维模型输出到显示单元11进行显示；显示单元11，显示得到的三维模型。

数据采集单元6用于图像数据的采集，数据采集单元6还可通过向扫描机构1发送开始采集和采集完毕指令来控制图像数据的采集和停止。

转动控制单元5用于控制第一转动机构3和第二转动机构2来调整采集扫描机构1的姿态，转动控制单元5可以分别控制第一转动机构3和第二转动机构2的转动方向、转动角度和转动速度，以及第一转动机构3和第二转动机构2的启动和停止。

较优地，数据采集单元6和转动控制单元5均通过无线通讯的方式与扫描机构1进行通信连接和数据传递。这样扫描机构1不会受线缆的限制，便于操作。

本实施例中由图像数据得到三维点云具体可通过两种方式实现。

在一种可选的方式中，如图2所示，扫描机构采用激光雷达，激光雷达可以直接生成三维点云，此时数据采集单元6采集到的图像数据直接包括三维点云。在这种情况下，则无需设置三维点云生成单元，二维平面图生成单元8可以直接将图像数据中的三维点云转化为二维平面图。

在另一种可选的方式中，如图3所示，扫描机构采用的是kinect传感器时，数据采集单元6采集的图像数据包括深度图数据，此时，三维扫描建模系统还包括三维点云生成单元7，数据采集单元6将图像数据发送至三维点云生成单元7，然后三维点云生成单元7将深度图数据转化为三维点云，然后，二维平面图生成单元8将三维点云转化成二维平面图。

配准与融合单元9对三维点云和二维平面图进行配准和融合，进而得到三维模型。

本实施例二的三维扫描建模系统，采用了实施例一的全场景扫描装置，可以实现场景扫描的自动化操作，扫描速度快，精度高，进而能够实现快速和精确地建模，同时全场景扫描系统减少了人力的使用，降低了人工成本。

可选地，在显示单元11上还显示三维点云和二维平面图，配准与融合单元9根据显示单元11显示的三维点云和二维平面图，调整三维点云和二维平面图的相对位置，得到一级配准数据。调整三维点云和二维平面图的相对位置可以采用人工配准的方式，例如通过人工调整三维点云和二维平面图的相对位置，如采用平移、旋转等方式，将三维点云和二维平面图进行粗配准操作，得到一级配准数据。通过设置显示单元，可以由人工进行手工的粗配准，有利于提高配准的速度和效率。

可选地，配准与融合单元9还包括二级配准和融合单元，二级配准和融合单元对一级配准数据进行匹配和融合运算，得到三维模型。匹配和融合运算可采用icp算法或者其他任何适宜的算法。

可选地，控制系统还包括渲染单元，图像数据还包括彩色图数据，渲染单元根据彩色图数据对三维模型进行渲染。较优地，图像数据为rgbd数据。

图3中示出了基于本实施例的三维扫描建模系统的扫描建模方法的流程图。

该扫描建模方法包括以下几个步骤：

s01，扫描开始。

具体地，控制全景扫描装置的扫描机构1开始进行扫描，并控制第一转动机构3和第二转动机构2不断调整扫描机构1的位置、角度和速度。

s02，获取图像数据。

即从扫描机构1获取扫描机构1得到的图像数据。

s03，由图像数据得到三维点云，并根据三维点云获得二维平面图。

s04，显示三维点云和二维平面图并进行粗匹配。

具体地，将三维点云和二维平面图显示在显示单元11上，采用人工调整三维点云和二维平面图的相对位置的方式进行粗配准。调整的方式可采用平移、旋转等方式。

s05，采用icp算法对粗配准后的数据进行精配准和融合，得到三维模型。

可选地，图像数据还包括彩色图数据。在步骤s05中，还包括渲染步骤，即根据图像数据中的彩色图数据对三维模型进行渲染。

本发明实施例提供的三维扫描建模系统，通过全场景扫描装置在多个不同的视场角之下采集目标物的图像数据，并由图像数据获得三维点云，以及将三维点云转化为二维平面图，并将三维点云和二维平面图先进行粗配准，然后利用icp算法进行精配准和融合，进而得到三维模型。本发明实施例的三维扫描建模系统，自动化程度高，操作简单，成本低廉，扫描速度快，精度高，能够实现快速和精确地建模。

以上，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。