專利名稱：激光三維真彩色掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光三維掃描儀，特別涉及一種記錄三維物體表面空間坐標及這些空間點所在位置表面顏色的非接觸式激光三維真彩色掃描儀。
背景技術(shù)：
在計算機CAD/CAM技術(shù)的各種應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在基于三維方式下的設(shè)計制造系統(tǒng)(如著名的Unit Graphics，Pro/E)中的實物建模過程、以及逆向工程、顱骨面貌復(fù)原、文物復(fù)原、計算機輔助雕刻、雕塑等領(lǐng)域。往往要求將現(xiàn)實存在的表面形狀復(fù)雜物體的三維表面坐標及顏色特征快速地采集到計算機上，再用計算機三維重建該物體的模型。在有些情況下要求計算機能直觀地表現(xiàn)現(xiàn)實，幫助人們在熒屏上再現(xiàn)逼真的三維世界。此時就有必要在獲取反映物體形態(tài)的空間坐標參數(shù)的同時，也將物體表面對應(yīng)的真實顏色信息一同采集下來。為達到這個目的，世界上相繼制造出多種三維掃描測量裝置，如三維坐標測量儀、非接觸式激光三維掃描儀、三維光掃描儀、計算機斷層分析儀CT、核磁共振儀MRI、航測等。這些裝置都可以針對現(xiàn)實復(fù)雜物體進行形體測量取得三維數(shù)據(jù)。
目前三維物體坐標測量儀器主要有兩大類一類為接觸式精密三維測量儀；另一類為非接觸式三維掃描儀(如三維激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光或編碼光三維照相機、計算機斷層分析儀CT、核磁共振儀MRI、航測等)。接觸式三維坐標測量儀主要目的是精確測量物體外形參數(shù)，并不考慮被測對象的表面顏色信息。用于快速獲取物體表面形狀參數(shù)的常用設(shè)備是三維激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光或編碼光三維照相機，這部分儀器大多只能采集物體的三維坐標數(shù)據(jù)，而無物體表面顏色信息，如美國的FastScan，法國的MENSI 3D laser scanner等。
有的彩色三維掃描儀，如加拿大inspeck公司的3D Capturor，其實質(zhì)并非為真正意義的彩色掃描儀，而僅僅是利用結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)探測物體表面三維坐標參數(shù)，然后將物體的二維平面照片作為三維重構(gòu)物體的紋理貼圖來表現(xiàn)物體的彩色屬性，這就難免產(chǎn)生由平面二維圖像到三維圖像紋理貼圖過程中的拉伸及壓縮變形，并且對三維物體進行紋理貼圖也是件比較費事的工作。
另一類彩色三維掃描儀，如美國Cyberware公司的3030RGB scanner head和中國專利申請981024084中描述的三維掃描儀，雖然不需要在掃描后期采用人工拼接紋理貼圖，但采集到的彩色三維物體的表面顏色與物體表面指定點并沒有真正的關(guān)聯(lián)關(guān)系。并且當物體表面顏色或背景顏色與激光顏色相近時，會影響對物體表面形態(tài)的識別，另外環(huán)境光的干擾對于準確識別激光位置影像也是一個難以避免的不良因素。這種技術(shù)存在的另一個缺點是只有一個承擔(dān)三維物體表面坐標參數(shù)測定的CCD影像傳感器，因而無法克服物體表面深度發(fā)生突變的部位產(chǎn)生的盲區(qū)噪聲干擾。
中國專利申請008108501描述了一種三維光掃描方法，這種技術(shù)屬于真正的三維彩色掃描技術(shù)，它在獲得物體表面指定點的三維坐標參數(shù)的同時也獲取物體上與該點相關(guān)聯(lián)的表面顏色信息。但是它采用多波長組分的點狀光源，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集效率不高；另外三維光掃描方法只有一個探測物體表面深度信息的光學(xué)裝置，這樣有可能導(dǎo)致較大的盲區(qū)深度誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型目的在于提供一種激光三維真彩色掃描儀，獲得物體表面三維坐標參數(shù)的同時獲取物體表面上的顏色信息，減小盲區(qū)深度誤差，減輕現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的。一種激光三維真彩色掃描儀，其中掃描頭安裝在水平梁上，水平梁與絲杠和滑桿連接，水平梁的一端設(shè)有第二步進電機，第一步進電機與絲杠連接；掃描頭由雙視角掃描攝像頭、照明脈沖光源和激光脈沖光源構(gòu)成；水平梁通過滑桿與下方的平移平臺連接，平移平臺的兩側(cè)設(shè)置有第三步進電機和第四步進電機，平移平臺的頂面設(shè)有載物平臺。
本實用新型的優(yōu)點(1)采用雙視角CCD攝像裝置實現(xiàn)視場互補，可有效地降低因表面曲率變化過大引起的盲區(qū)深度誤差。(2)本實用新型利用同一套光學(xué)裝置對物體采取兩種照明條件交替變換的曝光方法，有利于消除物體表面顏色或背景顏色對物體表面坐標識別的影響，又可獲得物體在正常光照條件下的本色。(3)利用明暗復(fù)曝光方法，能有效克服物體表面本身顏色及光潔度等對激光影像位置識別的干擾，具有較高的物體適應(yīng)性，提高了對物體表面空間點坐標的測量精度。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖圖2激光偏轉(zhuǎn)掃描裝置示意圖圖3控制器框圖圖4雙視角掃描抗盲區(qū)示意圖圖5掃描頭光學(xué)裝置安裝示意圖圖6廣視角方案示意圖具體實施方式
附圖為本實用新型的具體實施例。
以下結(jié)合附圖對本實用新型具體內(nèi)容作進一步說明。
如圖1所示，掃描頭13由左右兩個彩色CCD圖像傳感器6L、6R、白色高亮半導(dǎo)體發(fā)光二極管陣列照明光源7和線狀半導(dǎo)體激光光源12構(gòu)成；掃描頭13安裝在水平梁5上，水平梁5一端設(shè)有第二步進電機3(X方向驅(qū)動)，水平梁5與絲杠11和滑桿10連接，水平梁5由滾珠絲杠11、第一步進電機2(Z方向驅(qū)動)驅(qū)動做垂直運動；平移平臺1之上為旋轉(zhuǎn)載物平臺9，旋轉(zhuǎn)載物平臺9由一套蝸輪蝸桿機構(gòu)、第四步進電機8驅(qū)動，平移平臺由第三步進電機4(Y方向驅(qū)動)驅(qū)動；在計算機或手動控制下，被掃描物與掃描頭13的相對位置在三坐標X、Y、Z方向上可做平移調(diào)整，物體隨旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動。
如圖2所示，本實施例線狀掃描激光通過激光器和光學(xué)偏轉(zhuǎn)掃描裝置生成。紅色半導(dǎo)體激光器14(λ＝630nm)發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡組15和柱面鏡16聚焦后，投射到高速旋轉(zhuǎn)多面鏡17，經(jīng)過光學(xué)非線性校正鏡18而形成，將這條掃描線調(diào)整到與旋轉(zhuǎn)平臺的中心位置對準，且垂直。
如圖3所示，激光真彩色掃描儀控制器中單片機20控制激光脈沖控制驅(qū)動單元22、通訊接口21、明暗曝光光源異步控制單元23、X向平移步進電機數(shù)字細分控制驅(qū)動單元24、Y向平移步進電機數(shù)字細分控制驅(qū)動單元25、Z向平移步進電機數(shù)字細分控制驅(qū)動單元26、旋轉(zhuǎn)平臺步進電機數(shù)字細分控制驅(qū)動單元27。
在單相機測量系統(tǒng)中，根據(jù)公知的光學(xué)三角測量原理，必須讓激光與CCD傳感器的光軸成一定的角度，因而對于某些物體表面必然會有一定的觀察死角，即盲區(qū)。
如圖4中A點相對于左CCD圖像傳感器6L為盲點，但通過右CCD圖像傳感器6R的補充，有效地克服單相機掃描系統(tǒng)無法回避的盲區(qū)噪聲影像。本實用新型采用雙視角掃描測量裝置，掃描裝置配置有兩個CCD圖像傳感器。它們同時從兩個視角觀察物體，容易探測到物體表面曲率變化較大并處于低凹區(qū)域的部位。
如圖5所示，為了實現(xiàn)雙視角三維物體表面空間坐標的測量，有效地消除盲區(qū)噪聲，光學(xué)系統(tǒng)需滿足下述條件1.左右兩視角CCD圖像傳感器的中心位于同一個平面S1(兩個CCD圖像傳感器中心經(jīng)過的面)，且該平面與激光掃描線形成的平面S2(激光掃掠面)垂直。
2.左右兩視角CCD圖像傳感器的光軸應(yīng)位于同一平面內(nèi)S3(兩個CCD圖像傳感器光學(xué)軸心構(gòu)成的面)。
3.左右兩視角CCD圖像傳感器的光軸與激光掃描線形成的平面S2之間保持對稱相等的夾角α(CCD圖像傳感器光學(xué)軸心與激光掃掠面的夾角)。
4.調(diào)節(jié)左右兩視角CCD圖像傳感器的鏡頭，使兩者處于相同的焦距及景深。
如圖6所示，增加仰視掃描頭28和俯視掃描頭29兩套光學(xué)掃描裝置，與正視掃描頭13一起可構(gòu)造廣視角方案，擴展正面垂直方向上的觀察視角，便于掃描那些在垂直方向上兩端附近斜率變化較大物體。
在計算機控制下，對放置在旋轉(zhuǎn)載物平臺上的物體實施兩種照明條件交替變換的曝光方式。具體就是關(guān)閉環(huán)境照明光源，開啟激光掃描光源，掃描物體上的某區(qū)域，捕捉受物體表面深度調(diào)制的激光掃描線影像，簡稱暗曝光影像。在物體姿態(tài)保持固定不變的條件下，開啟環(huán)境照明光源，同時關(guān)閉激光光源，捕捉物體彩色影像，簡稱明曝光影像。依據(jù)暗曝光影像，識別出受物體掃描經(jīng)線深度變化調(diào)制的激光線跡，計算測量出物體上受激光線照射處的三維坐標信息，依據(jù)公知的三角測量算法將這條二維平面線跡轉(zhuǎn)換成三維物體的一條經(jīng)向輪廓線。再從明曝光影像上采集與暗曝光激光掃描線對應(yīng)位置處的物體掃描經(jīng)線位置的顏色信息。一次暗曝光與明曝光，實現(xiàn)采集由物體一個經(jīng)線位置的表面空間連續(xù)點集構(gòu)成的物體掃描經(jīng)線空間坐標向量及該物體掃描經(jīng)線的顏色向量。完成一個角度采樣后，將物體做一個小角度的旋轉(zhuǎn)，重復(fù)上述采樣過程，直至整個物體被掃描一周后，完成對整個物體的三維掃描過程。對于縱向較高的物體，由計算機控制進行分段掃描后自動拼接完整。依據(jù)本方法可以在準確獲得物體表面某點的三維立體坐標參數(shù)的同時，捕捉與該點關(guān)聯(lián)的真實色彩信息。
掃描過程中，將整個掃描儀放置在暗箱中。兩個CCD圖像傳感器同時從各自的視角方向上捕捉采集左右兩視角圖像。先從其中的一個視角圖像上(如右視圖)自上而下地逐行搜索定位物體表面反射激光像點的二維坐標。如果遇到盲區(qū)，在右視圖上的當前行上無法找到激光像點的二維坐標時，轉(zhuǎn)而到左視圖同行上進行搜索確定激光像點的二維坐標。當兩個視角同行上都無法確定激光像點的二維坐標時，將這個位制作特殊處理(如孔洞)。
線狀掃描激光除前述生成方法外，還可通過諸如聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)掃描、柱面鏡等方法產(chǎn)生。
激光脈沖光源除了可以使用線狀激光光源外，還可采用點狀、柱狀、網(wǎng)狀、圓形光柵狀結(jié)構(gòu)型光源或編碼光源。
權(quán)利要求1.一種激光三維真彩色掃描儀，包括控制器和載物平臺(9)，其特征在于A.掃描頭(13)安裝在水平梁(5)上，水平梁(5)與絲杠(11)和滑桿(10)連接，水平梁(5)的一端設(shè)有第二步進電機(3)，第一步進電機(2)與絲杠(11)連接；B.掃描頭(13)由掃描攝像頭(6L，6R)、照明脈沖光源(7)和激光脈沖光源(12)構(gòu)成；C.水平梁(5)通過滑桿(10)與下方的平移平臺(1)連接，平移平臺(1)的兩側(cè)設(shè)置有第三步進電機(4)和第四步進電機(8)，平移平臺(1)的頂面設(shè)有載物平臺(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三維真彩色掃描儀，其特征在于載物平臺(9)為旋轉(zhuǎn)載物平臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三維真彩色掃描儀，激光脈沖光源(12)采用線狀、點狀、柱狀、網(wǎng)狀、圓形光柵狀結(jié)構(gòu)型光源或編碼光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光三維真彩色掃描儀，激光脈沖光源(12)采用線狀激光脈沖光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三維真彩色掃描儀，照明脈沖光源(7)采用白色發(fā)光光源。
專利摘要本實用新型公開了一種激光三維真彩色掃描儀。其技術(shù)關(guān)鍵是掃描頭由雙視角掃描攝像頭、照明脈沖光源和激光脈沖光源構(gòu)成，掃描頭安裝在水平梁上，水平梁與絲杠和滑桿連接，水平梁通過滑桿與下方的平移平臺連接，平移平臺的頂面設(shè)有載物平臺。本實用新型采用雙視角CCD攝像裝置可實現(xiàn)視場互補，有效地降低因表面曲率變化過大引起的盲區(qū)深度誤差。通過對物體采取兩種照明條件交替變換的曝光方法，有利于消除物體表面顏色或背景顏色對物體表面坐標識別的影響，又可獲得物體在正常光照條件下的本色。
文檔編號G02B26/10GK2665667SQ0326261
公開日2004年12月22日 申請日期2003年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者趙宏安, 周明全, 耿國華 申請人:西北大學(xué)