專利名稱：一種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及自動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及ー種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的三維掃描設(shè)備都只能掃描50cm以內(nèi)的小型模型，其掃描大型模型需要復(fù)雜的拼接算法，經(jīng)過很多次掃描拼接而成，很容易出錯(cuò)，并且精度不高。本方法通過對(duì)硬件和算法的同步改進(jìn)，以達(dá)到一次性掃描大型模型的目的，理論上模型可以達(dá)到幾十米。并且不需要非常復(fù)雜的算法
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)ー種新型的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，解決上述問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下ー種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括采集頭和滑軌，所述采集頭在所述滑軌上滑動(dòng)設(shè)置，所述采集頭包括光柵發(fā)生器、水平攝像頭和傾斜攝像頭，所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向垂直于所述滑軌，所述水平攝像頭緊挨所述光柵發(fā)生器設(shè)置并且其拍攝方向平行于所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向；所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器一端距離設(shè)置并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角。所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向、所述水平攝像頭的拍攝方向和所述傾斜攝像頭的拍攝方向在同一平面上。所述滑軌為由步進(jìn)電機(jī)控制的滑軌，并且所述滑軌豎直設(shè)置。所述光柵發(fā)生器的散射角不超過O. 2rad，光柵的寬度不超過1mm。所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器Icm至100cm，并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角的范圍為1°至90° ;所述水平攝像頭和所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向位于所述光柵發(fā)生器的兩側(cè)或者同側(cè)。所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器10cm，并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角的范圍為45°。所述光柵發(fā)生器為激光發(fā)生器，所述水平攝像頭為高分辨率攝像頭。ー種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的方法，包括步驟如下步驟一，將被測(cè)物體放置在所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向和所述傾斜攝像頭的拍攝方向的交點(diǎn)位置上，啟動(dòng)所述光柵發(fā)生器、所述水平攝像頭和所述傾斜攝像頭，使光柵照射到被測(cè)物體方向上，則在所述被測(cè)物體方向產(chǎn)生ー個(gè)高亮光線；根據(jù)攝像頭的成像原理，會(huì)將光柵束經(jīng)過的路經(jīng)反映在所述水平攝像頭和所述傾斜攝像頭圖像中；步驟ニ，當(dāng)被測(cè)物擋住光柵時(shí)，就會(huì)在所述被測(cè)物表面產(chǎn)生ー個(gè)高亮點(diǎn)，所述高亮點(diǎn)會(huì)反映在所述水平攝像頭和所述傾斜攝像頭取得的圖像中；[0015]步驟三，計(jì)算三維數(shù)據(jù)，假設(shè)所述傾斜攝像頭圖像橫向?yàn)閄，縱向?yàn)閅，那么根據(jù)三角溝股定理，圖像中高亮點(diǎn)的Y值與其到光柵發(fā)生器的距離成比例并且該比例是線性的；設(shè)攝像頭與光柵發(fā)生器的垂直距離為H，光柵發(fā)生器到被測(cè)物的距離為L(zhǎng)，攝像頭的偏離角度為a，攝像頭垂直分辨率為YR ;攝像頭產(chǎn)生的圖像里面光柵的成像點(diǎn)到圖像水平中間線的垂直距離為X，光柵線上距離點(diǎn)到攝像頭中軸線的距離為Y，從光柵發(fā)生器到攝像頭中軸線的距離為M，攝像頭成像平面與攝像頭的中軸線成直角；根據(jù)幾何定律我們可以知道角度b = (90。-a)Y與X的關(guān)系是Y = X/ sin (b) = X/sin (90° -a) M 的值 M = tan (a) *H光柵發(fā)生器到物體的距離L應(yīng)該等于M+Y，即L = tan (a) *H+X/sin (90。-a)其中a和H為設(shè)備固定參數(shù)，所以L和X成比例關(guān)系，由此我們能夠獲得光柵所在位置的三維信息；步驟四，獲得顏色數(shù)據(jù)，由于所述水平攝像頭的攝像方向與光柵發(fā)射方向一致，所述水平攝像頭即獲得被測(cè)物體的顔色信息，即獲得被測(cè)物體顔色數(shù)據(jù)；其中，步驟三和步驟四不分先后順序。所述步驟三中的計(jì)算公式寫成算法并固化在單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)內(nèi)。所述步驟四中，當(dāng)所述滑軌水平設(shè)置，所述水平攝像頭位于所述光柵發(fā)生器下方時(shí)，所述水平攝像頭即獲得所述光柵照射行以下若干行的顔色信息。本實(shí)用新型利用ー個(gè)高亮光柵和兩個(gè)廉價(jià)攝像頭，步進(jìn)電機(jī)，導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型模型的表面三維和顏色數(shù)據(jù)的掃描，近距離時(shí)這個(gè)方法可以達(dá)到mm級(jí)別的精度，并且不受環(huán)境亮度干擾，通過硬件改進(jìn)，簡(jiǎn)化了軟件算法，容易生產(chǎn)和調(diào)試。本實(shí)用新型的有益效果可以總結(jié)如下1，本實(shí)用新型重新構(gòu)建了硬件設(shè)計(jì)，大幅降低了軟件算法的難度，提高了掃描的精確度；2，本實(shí)用新型由于不再需要軟件拼接，減小了出錯(cuò)和數(shù)據(jù)扭曲的幾率；非常適用于掃描大型模型，例如人體，家具等。成像效果極佳。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的原理示意圖。圖3為本實(shí)用新型的實(shí)物示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一歩詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖I至圖3所示，該方法需要一個(gè)高亮光柵發(fā)生器，要求光柵的散射角不超過
O.2rad，光柵的寬度不超過1mm。把光柵發(fā)生器水平放置，使光柵照射到模型上，在被測(cè)物體表面產(chǎn)生ー個(gè)高亮光線。使用ー個(gè)高分辨率彩色攝像頭放置在光柵發(fā)生器的正上方若干厘米處H(例如IOcm),攝像頭拍攝水平方向與光柵方向相同，豎直方向向光柵發(fā)生器方向偏離一定角度A(假設(shè)45度)。見附圖I。此時(shí)根據(jù)攝像頭的成像原理，會(huì)將光柵束經(jīng)過的路經(jīng)反映在圖像中。當(dāng)被測(cè)物擋住光柵時(shí)，就會(huì)在被測(cè)物表面產(chǎn)生ー個(gè)高亮點(diǎn)，該高亮點(diǎn)會(huì)反映在攝像頭取得的圖像中，假設(shè)攝像頭圖像橫向?yàn)閄，縱向?yàn)閅。那么根據(jù)三角溝股定理，圖像中高亮點(diǎn)的Y值與其到光柵發(fā)生器的距離成比例。該比例是線性的。其公式的參考值取決與攝像頭到光柵發(fā)生器的距離H和攝像頭偏離的角度A。此公式可以寫成算法固化在單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)內(nèi)。其原理見附圖2，具體公式如下攝像頭與光柵發(fā)生器的垂直距離為H，光柵發(fā)生器到被測(cè)物的距離為し攝像頭攝像頭的偏離角度為a，攝像頭垂直分辨率為YR。攝像頭產(chǎn)生的圖像里面光柵的成像點(diǎn)到圖像水平中間線的垂直距離為X，光柵線上距離點(diǎn)到攝像頭中軸線的距離為Y，從光柵發(fā)生器到攝像頭中軸線的距離為M，攝像頭成像平面與攝像頭的中軸線成直角。根據(jù)幾何定律我們可以知道角度b = (90。-a)Y與X的關(guān)系是Y = X/ sin (b) = X/sin (90° -a)M 的值M = tan (a) *H光柵發(fā)生器到物體的距離L應(yīng)該等于M+Y，即L = tan(a)*H+X/sin (90° -a)其中a和H為設(shè)備固定參數(shù)，所以L和X成比例關(guān)系。由此我們可以獲得光柵所在位置的三維信息。在光柵發(fā)生器的下方平行放置ー個(gè)高分辨率攝像頭見附圖1，攝像方向與光柵方向致。此時(shí)，這個(gè)攝像頭可以獲得光柵照射行以下若干行的顔色信息。我們將這個(gè)光柵和兩個(gè)攝像頭一起固定在一個(gè)結(jié)構(gòu)件上，稱為采集頭。然后將采集頭安裝在由步進(jìn)電機(jī)控制的滑軌上。讓光柵垂直于滑軌方向照射在模型上，當(dāng)采集頭在滑軌上平行移動(dòng)時(shí)，就可以逐行掃描出模型的三維和顏色數(shù)據(jù)。其分辨率取決于滑軌的移動(dòng)速度，其可掃描面積取決于滑軌的寬度和長(zhǎng)度，見附圖3。這個(gè)方法重新構(gòu)建了硬件設(shè)計(jì)，大幅降低了軟件算法的難度，提高了掃描的精確度，由于不再需要軟件拼接，減小了出錯(cuò)和數(shù)據(jù)扭曲的幾率。非常適用于掃描大型模型，例如人體，家具等。成像效果極佳。以上通過具體的和優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)的描述了本實(shí)用新型，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本實(shí)用新型并不局限于以上所述實(shí)施例，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi) 。
權(quán)利要求1.ー種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，包括采集頭和滑軌，所述采集頭在所述滑軌上滑動(dòng)設(shè)置，所述采集頭包括光柵發(fā)生器、水平攝像頭和傾斜攝像頭，所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向垂直于所述滑軌，所述水平攝像頭緊挨所述光柵發(fā)生器設(shè)置并且其拍攝方向平行于所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向；所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器一端距離設(shè)置并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向、所述水平攝像頭的拍攝方向和所述傾斜攝像頭的拍攝方向在同一平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述滑軌為由步進(jìn)電機(jī)控制的滑軌，并且所述滑軌豎直設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵發(fā)生器的散射角不超過O. 2rad，光柵的寬度不超過1_。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器Icm至100cm，并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角的范圍為1°至90° ;所述水平攝像頭和所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向位于所述光柵發(fā)生器的兩側(cè)或者同側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器10cm，并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角的范圍為45°。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵發(fā)生器為激光發(fā)生器，所述水平攝像頭為高分辨率攝像頭。
專利摘要一種獲得物體三維和顏色數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括采集頭和滑軌，所述采集頭在所述滑軌上滑動(dòng)設(shè)置，所述采集頭包括光柵發(fā)生器、水平攝像頭和傾斜攝像頭，所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向垂直于所述滑軌，所述水平攝像頭緊挨所述光柵發(fā)生器設(shè)置并且其拍攝方向平行于所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向；所述傾斜攝像頭沿所述滑軌的延伸方向距離所述光柵發(fā)生器一端距離設(shè)置并且其拍攝方向與所述光柵發(fā)生器的光柵發(fā)射方向成夾角。本實(shí)用新型重新構(gòu)建了硬件設(shè)計(jì)，大幅降低了軟件算法的難度，提高了掃描的精確度；本實(shí)用新型由于不再需要軟件拼接，減小了出錯(cuò)和數(shù)據(jù)扭曲的幾率；非常適用于掃描大型模型，例如人體，家具等。成像效果極佳。
文檔編號(hào)G01B11/24GK202630927SQ20122027164
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者劉亮 申請(qǐng)人:劉亮