專利名稱：浮雕、碑刻三維激光掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種浮雕、碑刻三維激光掃描儀，這是一項(xiàng)通過對(duì)浮雕、碑刻進(jìn)行激光掃描，將所得信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到浮雕、碑刻的形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù)，它可以廣泛地應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、文物存檔、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、廣告宣傳、影視制作等領(lǐng)域的三維信息采集。
目前浮雕、碑刻三維掃描技術(shù)在國內(nèi)還處在尚待起步狀態(tài)，只有工業(yè)上使用的三坐標(biāo)測量儀屬于類似的產(chǎn)品。但三坐標(biāo)測量儀由于采用的是探測頭與物體接觸掃描，因而只能掃描那些表面比較平滑，質(zhì)地堅(jiān)硬的物體，而且速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)物體形狀要求較為嚴(yán)格，所以雖然具有精度高的優(yōu)勢，但仍然基本上只能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵤┢饋黼y度較大。國外目前有少數(shù)幾家公司(如CYBERWARE，MODELMAKER，REPLICA，DIGIBOT，SURFACER等)從事此項(xiàng)生產(chǎn)，但由于這幾家公司的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、價(jià)格、易用性等方面的原因，特別是價(jià)格過高，因而至今未能實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用，很多需要進(jìn)行三維掃描的工作只能采用租用的方式使用該儀器。最相近的對(duì)比文獻(xiàn)是1998年3月CYBERWARE公司在其站點(diǎn)(www.cyberware.com)上對(duì)其產(chǎn)品的介紹，但該產(chǎn)品的問題是適于掃描的物體大小的范圍有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，制造要求高。
為了解決上述問題，本實(shí)用新型以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn)，旨在提出一種適用性廣、精度高、易操作、成本低、易于加工制造的浮雕、碑刻三維掃描儀的設(shè)計(jì)。
以下結(jié)合附圖具體描述浮雕、碑刻三維激光掃描儀的設(shè)計(jì)方案本實(shí)用新型如圖1及圖2所示，由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD(電容耦合器)信號(hào)采集系統(tǒng)(6)、和滑軌(8)組成。激光波前變換系統(tǒng)位于激光光源的前端，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3)，線形激光束的擴(kuò)束方向、激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸同在一個(gè)與滑軌垂直的平面上。光學(xué)成像系統(tǒng)位于CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的前端，光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的中心軸與滑軌在同一平面上，反射的激光經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)和CCD信號(hào)采集系統(tǒng)后可以形成在CCD中看到的信號(hào)(7)。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)由兩路黑白CCD攝像頭(6.1)和一路彩色CCD攝像頭(6.2)組成。兩路黑白CCD攝像頭分別連接在激光光源和激光波前變換系統(tǒng)的兩邊，這兩路黑白CCD攝像頭的中心軸與激光光源的光軸的夾角相等。彩色CCD攝像頭安放在激光光源和兩路黑白CCD攝像頭外的一側(cè)，其中心軸垂直滑軌向下。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)、激光光源通過滑塊(9)與滑軌連接。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。激光光源前裝有衰減裝置。激光波前變換系統(tǒng)由柱透鏡構(gòu)成。線形激光束寬度小于1.5毫米。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高?；瑝K內(nèi)裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)激光光源及CCD信號(hào)采集系統(tǒng)沿滑軌平移。在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。支架(10)由兩根直桿組成，兩直桿分別接于滑軌兩端，并垂直于滑軌，支架支持整個(gè)系統(tǒng)。平臺(tái)(11)位于滑軌的正下方，與滑軌平行，其上放置掃描對(duì)象(4)，支架垂直地立于平臺(tái)上。如圖3所示的軟件部分處理流程，信號(hào)采集系統(tǒng)輸出對(duì)掃描儀的機(jī)械控制信號(hào)，同時(shí)將CCD送來的信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，由三維物體生成軟件處理后生成三維文件，存于計(jì)算機(jī)中。
浮雕、碑刻三維激光掃描儀的具體使用操作步驟如下1、打開計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)掃描軟件。
2、將掃描對(duì)象平放到平臺(tái)上。
3、將裝置調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢?，并調(diào)節(jié)焦距，使在CCD中觀測到的圖像清晰，位置正確。激光束高度合適，且粗細(xì)適當(dāng)。
4、打開電機(jī)開關(guān)，由計(jì)算機(jī)控制平移激光光源和CCD攝像頭，計(jì)算機(jī)開始進(jìn)行處理。
4.1、進(jìn)行形體掃描即采集形狀信息時(shí)，計(jì)算機(jī)分別讀取每個(gè)黑白CCD攝像頭的觀測結(jié)果，并控制攝像頭與激光器的移動(dòng)。經(jīng)軟件處理這些數(shù)據(jù)后即可得到浮雕、碑刻表面的三維形狀信息，并以文件的形式存儲(chǔ)在硬盤上。這些過程由計(jì)算機(jī)控制。
4.2、色彩掃描即采集彩色信息時(shí)，需打開照明系統(tǒng)，由彩色CCD攝像頭進(jìn)行掃描，經(jīng)軟件處理即可得到掃描對(duì)象表面的色彩信息。
5、在各種三維軟件中，打開前面得到的形體信息或表面貼圖信息，即可進(jìn)行諸如文物存檔、CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、三維動(dòng)畫制作、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、廣告宣傳、影視制作等之類的三維工作了。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與積極效果本實(shí)用新型適用性廣，對(duì)掃描物體的表面、質(zhì)地沒有要求。可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，掃描范圍大。通過激光掃描，并采用計(jì)算機(jī)控制操作和處理信息，保證了相當(dāng)高的精度(優(yōu)于1.0毫米)。大部分的調(diào)節(jié)和步驟由計(jì)算機(jī)完成，操作原理簡單，對(duì)操作者要求寬松。由于在開發(fā)中是完全獨(dú)立地以國內(nèi)的生產(chǎn)能力為基準(zhǔn)而非參照外國產(chǎn)品，因而實(shí)現(xiàn)了只需較低加工制造水平即可實(shí)施的方案，成本低廉。而國外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械加工的要求往往很高，因而價(jià)格極高，與本發(fā)明相比約高出10倍之多。本實(shí)用新型可以廣泛地應(yīng)用于文物存檔、CAD/CAM反向工程、三維動(dòng)畫制作、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、廣告宣傳、影視制作、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的三維信息采集。


圖1是浮雕、碑刻三維激光掃描儀原理圖1—激光光源 2—激光波前變換系統(tǒng)3—線形激光束 4—掃描對(duì)象5—光學(xué)成像系統(tǒng) 6—CCD信號(hào)采集系統(tǒng)7—在CCD中看到的信號(hào)圖2是浮雕、碑刻三維激光掃描儀結(jié)構(gòu)圖1—激光光源 2—激光波前變換系統(tǒng)3—線形激光束 4—掃描對(duì)象5—光學(xué)成像系統(tǒng) 6—CCD信號(hào)采集系統(tǒng)6.1—黑白CCD攝像頭6.2—彩色CCD攝像頭8—滑軌 9—滑塊10—支架 11—平臺(tái)圖3是軟件處理框圖。
下面結(jié)合前述的操作步驟說明最佳實(shí)施例如下激光光源(1)采用633nm的He-Ne激光器。激光光源前裝有衰減裝置。激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成。線形激光束(3)寬度小于1.5毫米。CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。滑塊(9)內(nèi)裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)激光光源及CCD信號(hào)采集系統(tǒng)沿滑軌(8)平移。在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。支架(10)由兩根直桿組成，兩直桿分別接于滑軌兩端，并垂直于滑軌，支架支持整個(gè)系統(tǒng)。平臺(tái)(11)位于滑軌的正下方，與滑軌平行，其上放置具體的掃描對(duì)象(4)，支架垂直地立于平臺(tái)上。
權(quán)利要求1.一種浮雕、碑刻三維激光掃描儀，由激光光源(1)、激光波前變換系統(tǒng)(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)、和滑軌(8)組成，其特征是1.1、激光波前變換系統(tǒng)(2)位于激光光源(1)的前端，激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過波前變換系統(tǒng)形成線形激光束(3)，線形激光束的擴(kuò)束方向、激光光源的發(fā)射軸向、激光波前變換系統(tǒng)的光軸同在一個(gè)與滑軌(8)垂直的平面上；1.2、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)位于CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)的前端，光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的中心軸與滑軌(8)在同一平面上；1.3、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)由兩路黑白CCD攝像頭(6.1)和一路彩色CCD攝像頭(6.2)組成；1.4、兩路黑白CCD攝像頭(6.1)分別連接在激光光源(1)和激光波前變換系統(tǒng)(2)的兩邊，這兩路黑白CCD攝像頭的中心軸與激光光源的光軸的夾角相等；1.5、彩色CCD攝像頭(6.2)安放在激光光源(1)和兩路黑白CCD攝像頭(6.1)外的一側(cè)，其中心軸垂直滑軌(8)向下；1.6、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)、激光光源(1)通過滑塊(9)與滑軌(8)連接；1.7、CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)與計(jì)算機(jī)相連，將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。
2.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是激光光源(1)前裝有衰減裝置。
3.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是激光波前變換系統(tǒng)(2)由柱透鏡構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是線形激光束(3)寬度小于1.5毫米。
5.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)中的兩路黑白CCD攝像頭(6.1)裝有濾光片，該濾光片在對(duì)激光產(chǎn)生的高亮區(qū)域掃描時(shí)使得激光光源發(fā)出激光的波長±10納米范圍內(nèi)的光波通過率最高。
6.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是滑塊(9)內(nèi)裝有步進(jìn)電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)激光光源(1)及CCD信號(hào)采集系統(tǒng)(6)沿滑軌(8)平移。
7.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是在彩色CCD攝像頭(6.2)旁裝有照明系統(tǒng)。
8.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是支架(10)由兩根直桿組成，兩直桿分別接于滑軌(8)兩端，并垂直于滑軌，支架支持整個(gè)系統(tǒng)。
9.按照權(quán)利要求1所述的浮雕、碑刻三維激光掃描儀，其特征是平臺(tái)(11)位于滑軌(8)的正下方，與滑軌平行，其上放置掃描對(duì)象(4)，支架(10)垂直地立于平臺(tái)上。
專利摘要本實(shí)用新型是一種浮雕、碑刻三維激光掃描儀,這是一項(xiàng)用激光掃描對(duì)象,并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終得到形狀和色彩的三維矢量信息的光機(jī)電一體化技術(shù)。本實(shí)用新型采用波前變換系統(tǒng)將激光源發(fā)出的激光變成線形激光束掃描對(duì)象,用CCD(電容耦合器)采集經(jīng)反射、光學(xué)成像后的激光信號(hào),并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),由軟件處理后生成三維信息文件。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于文物存檔、影視制作、三維動(dòng)畫制作等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G03C9/04GK2359713SQ9820492
公開日2000年1月19日 申請(qǐng)日期1998年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者張明, 李新章, 陳旭 申請(qǐng)人:北京大學(xué)