本發(fā)明涉及三維掃描與重建技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維掃描與重建裝置及其應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的三維掃描與重建技術(shù)主要有兩種掃描方式，一種為采用固定不動(dòng)的多個(gè)三維掃描攝像頭(在下文中稱為“攝像頭”)進(jìn)行固定式掃描，另一種為攝像頭繞目標(biāo)對(duì)象旋轉(zhuǎn)掃描的方式。因重建過(guò)程需要將多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，所以需要得到多個(gè)攝像頭之間的位置關(guān)系，為便于掃描數(shù)據(jù)的融合，固定式掃描多采用在靜止的被掃描物體四周安裝等高的多組攝像頭進(jìn)行掃描，該方法在攝像頭的位置固定后很難根據(jù)掃描物體的大小和幾何形狀進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，定位精度差，等高的安裝要求給現(xiàn)場(chǎng)安裝增加了難度。此外，這種固定式的攝像頭多為垂直目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行掃描，不能進(jìn)行拍攝角度的調(diào)節(jié)，所建三維模型會(huì)產(chǎn)生較多的孔洞。

目前，攝像頭繞目標(biāo)對(duì)象旋轉(zhuǎn)的掃描方式多是將單個(gè)三維掃描攝像頭固定于支架上，支架帶動(dòng)攝像頭沿軌道或預(yù)定路線繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)掃描，攝像頭可通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下或水平移動(dòng)。這種方式的三維掃描往往需要調(diào)整攝像頭的高度進(jìn)行多圈掃描，所需的掃描時(shí)間長(zhǎng)，在進(jìn)行高度調(diào)節(jié)時(shí)容易出現(xiàn)漏掃或重疊部分過(guò)多等現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)攝像頭位置的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

而且，以上兩種掃描方式中攝像頭在直接安裝過(guò)程中容易出現(xiàn)碰撞和損傷，直接影響了攝像頭的掃描效果和使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供了一種三維掃描與重建裝置，可依據(jù)目標(biāo)對(duì)象的特點(diǎn)安全、方便、快捷地安裝調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，以及全面、快速地掃描和重建，拓寬適用范圍。

本發(fā)明提供了一種三維掃描與重建裝置，包括至少一條環(huán)形軌道、支架、控制模塊、第一驅(qū)動(dòng)模塊、第一電機(jī)、計(jì)算單元和至少一個(gè)掃描單元，所述掃描單元包括殼體、第二驅(qū)動(dòng)模塊、電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置以及攝像頭；支架固定在環(huán)形軌道上，環(huán)形軌道的任意至少一條軌道上設(shè)有齒條，與支架其底部的齒輪相嚙合；所述第一電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，其輸出軸與齒輪的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)支架沿軌道運(yùn)動(dòng)。

所述掃描單元固定于支架上，用于目標(biāo)對(duì)象的三維信息掃描，掃描單元的具體數(shù)量可依據(jù)目標(biāo)對(duì)象的大小和幾何形狀來(lái)調(diào)整，作為優(yōu)選方案，所述掃描單元可設(shè)有上、中、下三組；掃描單元的殼體內(nèi)側(cè)豎直方向設(shè)有電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)和位于電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)兩側(cè)的導(dǎo)向裝置，所述電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)包括第二電機(jī)、絲桿和升降板，第二電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出軸與絲桿的一端固定連接，絲桿上設(shè)有螺旋連接的升降板，所述導(dǎo)向裝置由兩根平行設(shè)置于絲桿兩側(cè)的導(dǎo)向桿組成，每根導(dǎo)向桿上設(shè)有滑塊，升降板與滑塊固定連接。

所述攝像頭固定于升降板上，第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中帶動(dòng)攝像頭沿導(dǎo)向桿上下移動(dòng)；攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線或無(wú)線傳輸模塊與計(jì)算單元相連接，將掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算單元進(jìn)行三維重建。

所述控制模塊分別與第一驅(qū)動(dòng)模塊以及所安裝的每個(gè)掃描單元上的驅(qū)動(dòng)模塊相連接，用于控制支架的運(yùn)動(dòng)和每個(gè)攝像頭的升降。

基于以上基本方案，本發(fā)明還作了如下重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

上述掃描單元還包括由第二驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)的固定于升降板上的第三電機(jī)和攝像頭固定桿組成的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述升降板由底座和支撐板組成，整體呈“T”型結(jié)構(gòu)，升降板底座的一端中間通過(guò)水平凸出部分開(kāi)設(shè)的通孔及螺母安裝于絲桿上，兩側(cè)固定于滑塊上，另一端平行設(shè)有兩側(cè)面支撐板，支撐板中部設(shè)有中心孔；所述第三電機(jī)固定于支撐板外側(cè)，其輸出軸穿過(guò)該中心孔與攝像頭固定桿連接，帶動(dòng)攝像頭在豎直平面內(nèi)上下擺動(dòng)，所述第三電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。

更進(jìn)一步地，為了便于攝像頭和每個(gè)掃描單元的驅(qū)動(dòng)模塊分別與計(jì)算單元和控制模塊相連接，每個(gè)掃描單元?dú)んw上均設(shè)有通孔；所述支架沿豎直方向設(shè)有一條形孔，也可設(shè)計(jì)為沿豎直方向開(kāi)設(shè)多個(gè)條形孔或通孔，用于引出掃描單元?dú)んw背部的連接線與計(jì)算單元和控制模塊相連接；所述支架兩側(cè)邊緣處設(shè)有安裝孔，用于固定掃描單元；所述支架沿豎直方向設(shè)有刻度，用于讀取攝像頭的位置信息。

更進(jìn)一步地，攝像頭的數(shù)據(jù)線和控制模塊引出的連接線內(nèi)置于拖鏈中與計(jì)算單元相連。

更進(jìn)一步地，掃描單元內(nèi)的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)可設(shè)置為同步帶的方式進(jìn)行傳動(dòng)。

更進(jìn)一步地，控制模塊通過(guò)設(shè)于環(huán)形軌道外圈的電刷與計(jì)算單元相連。

更進(jìn)一步地，支架上端設(shè)有與下端環(huán)形軌道同軸且半徑相同的上環(huán)形軌道，支架上端與上環(huán)形軌道相適配，也可優(yōu)選地設(shè)計(jì)為在支架上端和上環(huán)形軌道上分別設(shè)置相互嚙合的齒輪和齒條，通過(guò)控制模塊實(shí)現(xiàn)上下齒輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)支架的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，提高攝像頭的掃描質(zhì)量。

本發(fā)明還提供了一種三維掃描與重建裝置的應(yīng)用方法，包括以下步驟：

（1）將目標(biāo)對(duì)象置于軌道中心處；

（2）依據(jù)目標(biāo)對(duì)象的大小和形狀確定所需掃描單元的數(shù)量及安裝位置；

（3）開(kāi)啟攝像模式，通過(guò)計(jì)算單元調(diào)整每個(gè)掃描單元內(nèi)攝像頭的高低位置及拍攝角度，并記錄；

（4）啟動(dòng)第一電機(jī)，按照設(shè)定的速度帶動(dòng)支架沿環(huán)形軌道勻速運(yùn)動(dòng)；

（5）掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算單元，通過(guò)三維重建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維立體模型的實(shí)時(shí)重建、實(shí)時(shí)顯示；

（6）攝像頭沿軌道繞目標(biāo)對(duì)象旋轉(zhuǎn)一周，完成三維掃描過(guò)程；

（7）計(jì)算單元輸出目標(biāo)對(duì)象完整的三維立體模型。

本發(fā)明提供了一種三維掃描與重建裝置及其應(yīng)用方法，通過(guò)掃描單元的設(shè)計(jì)將關(guān)鍵功能部件的模塊化，可實(shí)現(xiàn)方便、快捷地安裝固定，并保證攝像頭在安裝過(guò)程中的安全，同時(shí)可依據(jù)目標(biāo)對(duì)象的大小和形狀安裝不同數(shù)量的掃描單元，能夠用于不同物體的掃描，擴(kuò)大了裝置的適用范圍，實(shí)現(xiàn)了快速掃描和重建，通過(guò)計(jì)算單元精確控制攝像頭的位置和拍攝角度，減少了三維重建模型的孔洞。

附圖說(shuō)明

圖1為三維掃描與重建裝置示意圖；

圖2為三維掃描與重建裝置后視圖；

圖3為掃描單元示意圖；

圖4為掃描單元的平面視圖；

圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖；

圖6為本發(fā)明第三實(shí)施例的示意圖；

圖7為本發(fā)明的第四實(shí)施例的示意圖。

附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明：

1-環(huán)形軌道；2-齒條；3-支架；301-安裝孔；302-條形孔；303-多個(gè)間隔排布的通孔；4-齒輪；5-控制模塊；6-第一驅(qū)動(dòng)模塊；7-第一電機(jī)；8-連接線；9-掃描單元；901-殼體；902-第二驅(qū)動(dòng)模塊；903-絲桿；904-第二電機(jī)；905-導(dǎo)向桿；906-升降板；907-底座；908-支撐板； 909-滑塊； 910-三維掃描攝像頭（下文中稱為“攝像頭”）；911-攝像頭固定桿；912-第三電機(jī)；913-通孔；10-計(jì)算單元；11-立柱；12-頂蓋；13-上環(huán)形軌道；14-第二齒輪；15-第三驅(qū)動(dòng)模塊。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的三維掃描與重建裝置及其應(yīng)用方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便更好理解本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍，但實(shí)施例的內(nèi)容并不限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。說(shuō)明書(shū)附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說(shuō)明與本發(fā)明有關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所提供的三維掃描與重建裝置，如圖1和圖2所示，包括環(huán)形軌道1、支架3、控制模塊5、第一驅(qū)動(dòng)模塊6、第一電機(jī)7、計(jì)算單元10和三個(gè)掃描單元9，支架3固定在環(huán)形軌道1上，其底部設(shè)有齒輪4，與環(huán)形軌道1上的齒條2相嚙合；第一電機(jī)7固定于支架3上，通過(guò)第一驅(qū)動(dòng)模塊6與控制模塊5相互電連接，其輸出軸與齒輪4的轉(zhuǎn)軸固定連接，用于驅(qū)動(dòng)齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)支架3沿軌道運(yùn)動(dòng)。

如圖3和圖4所示，每個(gè)掃描單元9均由殼體901、第二驅(qū)動(dòng)模塊902、第二電機(jī)904、絲桿903、導(dǎo)向桿905、升降板906、第三電機(jī)912以及攝像頭910組成，殼體901內(nèi)側(cè)沿豎直方向設(shè)有絲桿903，絲桿903的一端與第二電機(jī)904的輸出軸固定連接，絲桿903上設(shè)有螺旋連接的升降板906，兩根導(dǎo)向桿905平行設(shè)置于絲桿903的兩側(cè)，每根導(dǎo)向桿905上設(shè)有滑塊909，升降板906與滑塊909固定連接。升降板906由底座907和支撐板908組成，整體呈“T”型結(jié)構(gòu)，升降板底座907的一端通過(guò)中間水平凸出部分所開(kāi)設(shè)的通孔與絲桿903相適配，距離殼體901的內(nèi)側(cè)壁的水平距離為0.5-10cm，通孔下方通過(guò)螺母與絲桿903連接，絲桿903另一端設(shè)有兩相互平行的側(cè)面支撐板908，支撐板908中部設(shè)有中心孔，第三電機(jī)912固定于支撐板908外側(cè)，其輸出軸穿過(guò)該中心孔與攝像頭固定桿911連接?？刂颇K5通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)模塊902與第二電機(jī)904和第三電機(jī)912相互電連接，分別用于調(diào)節(jié)攝像頭910的在豎直方向的位置及拍攝角度，實(shí)現(xiàn)攝像頭910位置及拍攝角度的精確控制。每個(gè)掃描單元?dú)んw901上均設(shè)有通孔913，用于引出第二驅(qū)動(dòng)模塊902和攝像頭910的連接線。

如圖2所示，支架3在沿豎直方向設(shè)有一條形孔302，圖5、圖6給出了本發(fā)明的第二實(shí)施例和第三實(shí)施例的設(shè)計(jì)方案，在沿豎直方向上開(kāi)設(shè)多個(gè)間隔排布的條形孔302或通孔303，用于引出掃描單元?dú)んw901背部的連接線分別與計(jì)算單元10和控制模塊5相連接，該控制模塊5也可集成于計(jì)算單元10內(nèi)部；支架3兩側(cè)邊緣處設(shè)有安裝孔301，用于固定掃描單元9；支架3沿豎直方向設(shè)有刻度，用于讀取攝像頭910的位置信息。

本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，將攝像頭910的數(shù)據(jù)線和控制模塊5的連接線8內(nèi)置于拖鏈中與計(jì)算單元10之間連接，支架3采取順時(shí)針、逆時(shí)針交替的方式沿軌道運(yùn)動(dòng)，以防連接線8的纏繞。

本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在環(huán)形軌道1的外側(cè)設(shè)有環(huán)形電刷式連接，攝像頭910通過(guò)無(wú)線傳輸模塊與計(jì)算單元10進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，控制模塊5通過(guò)環(huán)形電刷的固定連接點(diǎn)與計(jì)算單元10相連接。

為了在支架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保證攝像頭的平穩(wěn)，以獲得準(zhǔn)確的深度信息，提高重建模型的精度，本發(fā)明給出了第四個(gè)實(shí)施例，如圖7所示，支架的上方設(shè)有由三根立柱11支撐的頂蓋12，頂蓋12下方設(shè)有與地面平行的上環(huán)形軌道13，其垂直方向的投影與地面軌道重合，支架上端設(shè)有第二齒輪14與上環(huán)形軌道的齒條相嚙合。控制模塊5通過(guò)第一驅(qū)動(dòng)模塊6和第三驅(qū)動(dòng)模塊15控制支架上下兩端的齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明所提供三維掃描與重建裝置的具體應(yīng)用方法如下：

（1）將目標(biāo)對(duì)象置于軌道中心處；

（2）依據(jù)目標(biāo)對(duì)象的大小和形狀確定所需掃描單元9的數(shù)量及安裝位置，將掃描單元9按照預(yù)定位置固定在支架3上，并將每個(gè)掃描單元9上的驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制模塊5與計(jì)算單元10相連接，將每個(gè)攝像頭910通過(guò)無(wú)線傳輸模塊或數(shù)據(jù)線直接與計(jì)算單元10相連；

（3）開(kāi)啟攝像模式，通過(guò)計(jì)算單元10控制每個(gè)掃描單元9內(nèi)電機(jī)二和電機(jī)三來(lái)調(diào)整攝像頭910的高低位置及拍攝角度；

（4）通過(guò)控制模塊5啟動(dòng)第一電機(jī)7，按照設(shè)定的速度帶動(dòng)支架3沿環(huán)形軌道1勻速運(yùn)動(dòng)；

（5）掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算單元10，通過(guò)三維重建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維立體模型的實(shí)時(shí)重建、實(shí)時(shí)顯示；

（6）攝像頭910沿軌道繞目標(biāo)對(duì)象旋轉(zhuǎn)一周，完成三維掃描過(guò)程；

（7）計(jì)算單元10輸出目標(biāo)對(duì)象完整的三維立體模型。

以上結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于以上實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍的前提下所做出的其它變化和改進(jìn)都落入本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。