一種自由移動式三維掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明一種自由移動式三維掃描方法，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，涉及一種全場三維輪廓測量方法、一種手持式測量設(shè)備和一種基于紋理和曲面曲率和法線方向的多角度拼接方法。移動手持式的高精度三維掃描一直是掃描領(lǐng)域的難題，本發(fā)明采用三頻彩色條紋投影的方法通過投影設(shè)備投影1∶4∶12的三頻彩色條紋到被測物表面，相機單幀曝光拍攝變形條紋圖。一方面，變形條紋圖采用三頻相位展方法計算出高頻載頻展開相位，由系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)得到被測物的三維點云。另一方面，從變形條紋圖可以恢復(fù)被測物表面的紋理圖。手持式掃描對多角度拼接提出了更高的要求，本發(fā)明采用根據(jù)彩色紋理特征，以及測量曲面曲率和法線方向約束，實現(xiàn)了多角度點云的無標(biāo)志拼接。
【專利說明】一種自由移動式三維掃描方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，涉及一種全場三維輪廓測量方法、一種手持式測量設(shè) 備和一種基于紋理和曲面曲率和法線方向的多角度拼接方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前市面上已有的便攜式掃描儀，一些只是體積較小、便于攜帶，但是每次測量需 要多幀連續(xù)曝光采集變形條紋圖才可以重建三維點云，操作方式一般是：選好位置，固定儀 器，測量，移動位置，固定，測量，·· ·。這種工作方式測量效率很低，也無法實現(xiàn)手持式連 續(xù)掃描，不且不適于對動態(tài)物體進(jìn)行掃描。還有一些便攜式掃描儀，雖然可以采用手持式掃 描方式，借助于立體視覺技術(shù)，但測量前需要在被測物上貼標(biāo)志點，導(dǎo)致測量效率低、工作 量大，而且機器視覺的方法重建的點與所貼標(biāo)志點多少？位置？相關(guān)，因此無法重建密集 點云。激光三維掃描儀也可以做成便攜式掃描儀，這種便攜式掃描儀同樣要求自身在測量 過程中保持靜止，因而無法實現(xiàn)手持式掃描，此外，激光掃描儀為點掃描或線掃描，因此掃 描效率低。
[0003] 就上述幾種技術(shù)而言，手持式三維掃描儀的多角度拼接也是存在的一個重要問 題。一方面，可以通過標(biāo)定多次測量掃描儀的位置或被測物的位置實現(xiàn)拼接，但是標(biāo)定需要 輔助設(shè)備，例如位移臺，既增加成本又限制了適用場合。另一方面，通過在被測物表面貼一 些標(biāo)志點來輔助拼接，會導(dǎo)致測量周期變長，測量復(fù)雜化。
[0004] 綜上所述，就技術(shù)和市場需求而言，急需一種既滿足手持式測量，又能夠動態(tài)測量 的手持式三維實時掃描儀，并且可以很好拼接各角度測量結(jié)果的掃描方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種便于攜帶和操作的手持式掃描方法，適用于大多數(shù)測 量對象，且不需要大量標(biāo)志點，同時很好的實現(xiàn)多角度測量的拼接問題。
[0006] 提供一種自由移動式三維掃描方法，包括一個彩色相機、一個彩色投影設(shè)備，控制 器等，其特征在于，相機和投影設(shè)備呈銳角夾角布置，由控制按鈕控制發(fā)開始和停止測量， 投影設(shè)備投影三頻彩色正弦條紋到被測物表面，控制器來控制相機觸發(fā)拍攝，經(jīng)相機單幀 曝光拍攝彩色變形條紋圖。一方面，變形條紋圖采用三頻相位展方法計算出高頻載頻展開 相位，由系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)得到被測物的三維點云。另一方面，變形條紋圖采用頻域最小化方 法得到三頻正弦條紋分量，從彩色變形條紋圖減去三頻正弦條紋分量恢復(fù)被測物表面的 紋理圖。相鄰兩幀紋理圖用SIFT交點提取的方法可以獲得兩兩對應(yīng)的稀疏角點，用這些 角點所對應(yīng)的空間點計算出相鄰兩巾貞測量點云之間的初始坐標(biāo)變換矩陣P1，通過坐標(biāo)變 換將兩個三維點云統(tǒng)一到前一個點云坐標(biāo)系下；每幀測量的被測物三維點云進(jìn)行三角面 片劃分，并計算每個三角面片的曲率和法線，將統(tǒng)一坐標(biāo)系后的三維曲面采用全局曲率最 大相關(guān)和法線方向最大相關(guān)求解出將兩個點云進(jìn)一步拼接的坐標(biāo)變換矩陣P2,并進(jìn)行坐 標(biāo)變換；坐標(biāo)變換后的兩個點云采用ICP(Iterative Closest Point)方法進(jìn)行迭代，找 到兩個點云更準(zhǔn)確拼接在一起的坐標(biāo)變換矩陣p3 ;所以，第i+1幀所測得三維點云左乘矩 陣pi = ρ? · ρ2 · p3,就完成了將其與第i巾貞曝光所測得三維點云拼接到一起，左乘氏= P1 · P2 · P3.....Pi將其第1幀測量結(jié)果拼接在一起，所有測量的點云都與第1幀測 量結(jié)果拼在一起，就完成了本次測量的完整拼接。
[0007] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一 種手持式3d實時掃描儀，其特征在于，相機曝光可根據(jù)條紋調(diào)制度自動調(diào)節(jié)。具體的，采用 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂投S希爾伯特變換得到三頻彩色條紋的高頻分量，采用二維希爾伯特提取 高頻分量的二維振幅，計算二維振幅的最大值和最小值，計算最大值和最小與設(shè)置值的差 值，調(diào)節(jié)曝光時間使得差值為最小。從而達(dá)到調(diào)節(jié)曝光的目的。
[0008] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，只有在標(biāo)定 的測量距離內(nèi)掃描儀才可以被觸發(fā)，操作者要合理控制掃描儀到被測物之間的距離，指示 燈1、2分別表示測量距離是否在測量范圍內(nèi)。同時，測量可分為點動測量和連續(xù)測量。
[0009] (1)點動測量按鈕，即每按一次按鈕，完成一次測量，如果多次測量結(jié)果需要拼接， 則操作者需要保證被測物相鄰兩次測量有60%以上的重合率。
[0010] (2)連續(xù)測量，控制器連續(xù)觸發(fā)相機，操作者將掃描儀連續(xù)運動，即可以實現(xiàn)連續(xù) 測量；可根據(jù)視場大小，移動者速度來調(diào)節(jié)幀速率，以保證60%以上的重合率。例如，對于 0. 5mX0. 5m的視場大小，假設(shè)操作者的移動速度為lm/s，信號發(fā)生器觸發(fā)速度為4幀/s， 即可保證相鄰兩次測量之間的重合率為60%以上。為了避免重合部分過多，造成數(shù)據(jù)量過 大，人手持測量時，觸發(fā)速度設(shè)為5?10幀/s即可。
[0011] (3)只有在標(biāo)定的測量距離內(nèi)才可以觸發(fā)，操作者要合理控制掃描儀到被測物之 間的距離，
[0012] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，本發(fā)明可以 實現(xiàn)動態(tài)物體的測量，被測物在測量范圍內(nèi)，固定掃描儀，設(shè)置幀速率，使用連續(xù)測量模式， 就可以記錄被測曲面的每一時刻的位置和形狀，這些數(shù)據(jù)可以用于運動狀態(tài)分析和運動變 形分析。
[0013] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，投影設(shè)備投 影三頻彩色條紋圖，彩色條紋圖由計算機生成，其RGB三個顏色通道分別由低、中、高三種 載頻的正弦條紋生成，三頻彩色正弦條紋的頻率比為1 : 4 : 12。
[0014] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手持式3d實時掃描儀，其特征在于，分解高、中、低三 頻分量是通過，將變形彩色條紋圖中含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減 以消減背景光強，得到高、低頻復(fù)合的條紋圖。繼而用傅里葉變換分離高、中載頻分量。同 理，分解得到中、低載頻分量。變形條紋圖分解得到的高、中、低三載頻分量，以二維短時傅 立葉變換解調(diào)得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，最后以變精度去包裹算法按低、中、高 載頻分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位。由此展開相位根據(jù)標(biāo)定結(jié) 果可恢復(fù)物體高度。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0016] 1)用投影三頻彩色正弦條紋圖的方法實現(xiàn)單幀曝光即可完成三維點云測量，測量 結(jié)果點云密集，精度高；
[0017] 2)根據(jù)被測物的顏色、紋理、反射率等信息自動調(diào)節(jié)相機曝光時間；
[0018] 3)可以實現(xiàn)點動測量和連續(xù)測量兩種測量模式，在連續(xù)測量模式下，掃描儀會以 一定的幀速率連續(xù)曝光，實現(xiàn)連續(xù)測量；
[0019] 4)可以實現(xiàn)運動曲面的單角度三維測量；
[0020] 5)用頻域最小化方法得到三頻正弦條紋分量，從彩色變形條紋圖減去三頻正弦條 紋分量，以恢復(fù)被測物表面的紋理圖；
[0021] 6)根據(jù)從變形條紋圖中恢復(fù)的紋理圖，、曲面的曲率和法線方向等信息，實現(xiàn)多角 度、多幀曝光測量的拼接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1示出手持式三維掃描方法技術(shù)路線圖；
[0023] 圖2示例出投影彩色正弦條紋圖（R : G : B = 1 : 4 : 12);
[0024] 圖3示例出三頻彩色正弦條紋輪廓術(shù)及彩色紋理恢復(fù)技術(shù)路線；
[0025] 圖4示例出相鄰兩角度測量結(jié)果拼接方法；
[0026] 圖5示出多角度掃描結(jié)果拼接方法；
[0027] 圖6示例出人臉6角度掃描模型；
[0028] 圖7示例出拼接后模型的多角度展示。

【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0030] 1.總技術(shù)路線圖
[0031] 本專利描述的手持式三維掃描方法是一種應(yīng)用于移動、手持式、便攜的三維掃描 儀的方法，掃描儀對被測物多角度進(jìn)行掃描后拼接，生成完整的三維模型。本專利所描述的 手持式三維掃描方法有兩種測量模式，點動測量測量和連續(xù)測量。在兩種測量方式下，測量 過程和技術(shù)方案相同，總技術(shù)路線如附圖1所示。
[0032] (1)選擇測量模式，點動測量或連續(xù)測量；其中，點動測量，選擇好測量角度，每觸 發(fā)一次，進(jìn)行測量一次；連續(xù)測量，相機連續(xù)曝光，連續(xù)移動掃描儀，實現(xiàn)連續(xù)測量，例如，對 于0. 5m*0. 5m的視場大小，假設(shè)操作者的移動速度為，信號發(fā)生器觸發(fā)速度為4幀/s，即可 保證相鄰兩次測量之間的重合率為60%以上。為了避免重合部分過多，造成數(shù)據(jù)量過大，人 手持測量時，觸發(fā)速度設(shè)為5?10幀/s即可。
[0033] (2)選擇被測物的測量角度，相鄰角度重合率大于60% ;
[0034] (3)相機根據(jù)不同角度的光照、反射率等信息自動調(diào)整曝光時間，調(diào)節(jié)方法在下面 2中詳細(xì)描述；
[0035] (4)在（1)中選擇好的角度進(jìn)行掃描測量，采用三頻彩色相移輪廓術(shù)和彩色條紋 解耦的方法獲得各角度的三維點云和紋理圖，詳細(xì)步驟如附圖3所示；
[0036] (5)將⑵中獲得的不同角度三維點云拼接成一個完整的模型，拼接方法如附圖4 和附圖5所示。
[0037] 2.曝光自動調(diào)節(jié)
[0038] 采用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂投S希爾伯特變換得到三頻彩色條紋的高頻分量，采用二維 希爾伯特提取高頻分量的二維振幅，計算二維振幅的最大值和最小值，計算最大值和最小 與設(shè)置值的差值，調(diào)節(jié)曝光時間使得該差值為最小。從而達(dá)到調(diào)節(jié)曝光的目的。
[0039] 3.三頻彩色相移輪廓術(shù)和紋理恢復(fù)
[0040] 本專利所描述的手持式三維掃描方法，采用彩色光柵投影技術(shù)，投影如附圖2所 示的三頻彩色正弦條紋圖到被測物表面，RGB三通道頻率比為1 : 4 : 12，，用彩色相機 拍攝投影在物體表面的變形條紋圖，用傅里葉變換分離出高中低三個載頻，接著將三頻相 位分別展開，進(jìn)行相位解包裹，恢復(fù)出高頻載頻相位，最后通過系統(tǒng)標(biāo)定的參數(shù)得到三維點 云。變形條紋圖采用頻域最小化方法得到三頻正弦條紋分量，從彩色變形條紋圖減去三頻 正弦條紋分量恢復(fù)被測物表面的紋理圖。獲得三維點云的具體步驟如附圖3所示：
[0041] (1)投影設(shè)備投影彩色三頻彩色條紋到被測物表面，如附圖2所示；
[0042] (2)彩色相機拍攝被測物表面的變形條紋圖；
[0043] (3)采用傅立葉變化分離高中低三載頻，得到高、中、低三幅變形條紋圖；
[0044] (4)采用HHT(希爾伯特-黃變換）進(jìn)行條紋自適應(yīng)分析和相位提取，得到高、中、 低二頻的包裹相位；
[0045] (5)通過時域變精度去包裹的方法得到高精度的絕對相位；
[0046] (6)步驟（5)得到的絕對相位，由系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)得到被測物的三維點云。
[0047] 獲得紋理圖的步驟為：
[0048] (7)以上步驟（2)所得的彩色變形條紋圖減去上述步驟（3)所得的高中低三頻分 量得到背景分量；
[0049] 步驟（7)所得的背景分量通過紋理光照分離恢復(fù)得到被測物原本的紋理圖。
[0050] 4.自動拼接的實施方案
[0051] 本發(fā)明描述的手持式三維掃描方法可以實現(xiàn)無標(biāo)志點的自動無縫拼接，其拼接主 要依靠從變形條紋圖中恢復(fù)的紋理信息，測得點云劃分曲面的曲率和法線方向為約束，尋 找相鄰兩幀測量結(jié)果之間的位置關(guān)系，最終實現(xiàn)全局拼接。
[0052] 每個角度掃描的點云的坐標(biāo)系與當(dāng)時掃描位置的相機坐標(biāo)系重合，所以，不同角 度掃描的點云坐標(biāo)不在同一個坐標(biāo)系下，將不同坐標(biāo)系下的點云轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下 的過程，就是點云的拼接。假設(shè)世界坐標(biāo)系與第1個角度下的相機坐標(biāo)系重合，將每次測量 的η個角度所得點云豆轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，就實現(xiàn)了多角度的拼接。世界坐標(biāo)系表示為 〇(^'2'(/)，每個角度下相機坐標(biāo)系表示為〇^，夂^的，同時 〇('^1，2'(/) = 〇(1，^， Ζ1，01);點云的表示為

【權(quán)利要求】
1. 一種自由移動式三維掃描方法，包括一個彩色相機、一個彩色投影設(shè)備，控制器等， 其特征在于，相機和投影設(shè)備呈銳角夾角布置，由控制按鈕控制發(fā)開始和停止測量，投影設(shè) 備投影三頻彩色正弦條紋到被測物表面，控制器來控制相機觸發(fā)拍攝，經(jīng)相機單幀曝光拍 攝彩色變形條紋圖。一方面，變形條紋圖采用三頻相位展方法計算出高頻載頻展開相位，由 系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)得到被測物的三維點云。另一方面，變形條紋圖采用頻域最小化方法得到三 頻正弦條紋分量，從彩色變形條紋圖減去三頻正弦條紋分量恢復(fù)被測物表面的紋理圖。相 鄰兩幀紋理圖用SIFT交點提取的方法可以獲得兩兩對應(yīng)的稀疏角點，用這些角點所對應(yīng) 的空間點計算出相鄰兩幀測量點云之間的初始坐標(biāo)變換矩陣pl，通過坐標(biāo)變換將兩個三維 點云統(tǒng)一到前一個點云坐標(biāo)系下；每幀測量的被測物三維點云進(jìn)行三角面片劃分，并計算 每個三角面片的曲率和法線，將統(tǒng)一坐標(biāo)系后的三維曲面采用全局曲率最大相關(guān)和法線方 向最大相關(guān)求解出將兩個點云進(jìn)一步拼接的坐標(biāo)變換矩陣P2,并進(jìn)行坐標(biāo)變換；坐標(biāo)變換 后的兩個點云采用ICP(Iterative Closest Point)方法進(jìn)行迭代，找到兩個點云更準(zhǔn)確拼 接在一起的坐標(biāo)變換矩陣p3 ;所以，第i+Ι巾貞所測得三維點云左乘矩陣Pi = ρ? · ρ2 · p3, 就完成了將其與第i幀曝光所測得三維點云拼接到一起，左乘& = PI · P2 · P3……Pi將 其第1幀測量結(jié)果拼接在一起，所有測量的點云都與第1幀測量結(jié)果拼在一起，就完成了本 次測量的完整拼接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法,根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種 手持式3d實時掃描儀，其特征在于，相機曝光可根據(jù)條紋調(diào)制度自動調(diào)節(jié)。具體的，采用 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂投S希爾伯特變換得到三頻彩色條紋的高頻分量，采用二維希爾伯特提取 高頻分量的二維振幅，計算二維振幅的最大值和最小值，計算最大值和最小與設(shè)置值的差 值，調(diào)節(jié)曝光時間使得該差值為最小。從而達(dá)到調(diào)節(jié)曝光的目的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，只有在標(biāo)定的 測量距離內(nèi)掃描儀才可以被觸發(fā)，操作者要合理控制掃描儀到被測物之間的距離，指示燈 1、2分別表示測量距離是否在測量范圍內(nèi)。同時，測量可分為點動測量和連續(xù)測量。 (1) 點動測量按鈕，即每按一次按鈕，完成一次測量，如果多次測量結(jié)果需要拼接，則操 作者需要保證被測物相鄰兩次測量有60%以上的重合率。 (2) 連續(xù)測量，控制器連續(xù)觸發(fā)相機，操作者將掃描儀連續(xù)運動，即可以實現(xiàn)連續(xù)測 量；可根據(jù)視場大小，移動者速度來調(diào)節(jié)幀速率，以保證60%以上的重合率。例如，對于 0. 5mX0. 5m的視場大小，假設(shè)操作者的移動速度為lm/s，信號發(fā)生器觸發(fā)速度為4幀/s， 即可保證相鄰兩次測量之間的重合率為60%以上。為了避免重合部分過多，造成數(shù)據(jù)量過 大，人手持測量時，觸發(fā)速度設(shè)為5?10幀/s即可。 (3) 只有在標(biāo)定的測量距離內(nèi)才可以觸發(fā)，操作者要合理控制掃描儀到被測物之間的 距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，本發(fā)明可以實 現(xiàn)動態(tài)物體的測量，被測物在測量范圍內(nèi)，固定掃描儀，設(shè)置幀速率，使用連續(xù)測量模式， 就可以記錄被測曲面的每一時刻的位置和形狀，這些數(shù)據(jù)可以用于運動狀態(tài)分析和運動變 形分析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由移動式三維掃描方法，其特征在于，投影設(shè)備投影 三頻彩色條紋圖，彩色條紋圖由計算機生成，其RGB三個顏色通道分別由低、中、高三種載 頻的正弦條紋生成，三頻彩色正弦條紋的頻率比為1 : 4 : 12。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手持式3d實時掃描儀，其特征在于，分解高、中、低三頻 分量是通過，將變形彩色條紋圖中含高頻條紋的顏色通道與含中頻條紋的顏色通道相減以 消減背景光強，得到高、低頻復(fù)合的條紋圖。繼而用傅里葉變換分離高、中載頻分量。同理， 分解得到中、低載頻分量。變形條紋圖分解得到的高、中、低三載頻分量，以二維短時傅立葉 變換解調(diào)得到的高、中、低各載頻分量包裹相位，最后以變精度去包裹算法按低、中、高載頻 分量依次完成包裹相位展開，得到高頻載頻項的展開相位。由此展開相位根據(jù)標(biāo)定結(jié)果可 恢復(fù)物體高度。
【文檔編號】G06T15/00GK104299211SQ201410494897
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】周翔, 李歡歡, 郭家玉, 李玉勤, 王超, 趙磊, 楊濤 申請人:周翔