一體化三維掃描建模系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，主要由密閉的掃描箱體、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)、白光三維測(cè)量裝置以及一鍵式三維掃描建模軟件平臺(tái)構(gòu)成。密閉的掃描箱體，使得掃描不會(huì)產(chǎn)生多余的數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)處理難度；自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)提高了掃描的數(shù)據(jù)完整性且完全自動(dòng)化；白光三維測(cè)量裝置搭配一鍵式三維掃描建模軟件平臺(tái)將三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖等復(fù)雜的流程高度集成，大大簡(jiǎn)化了工作流程。
【專利說(shuō)明】
一體化三維掃描建模系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對(duì)物體進(jìn)行自動(dòng)化三維掃描建模系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的接觸數(shù)字化成像技術(shù)，通過(guò)攝像機(jī)、照相機(jī)、熱影像儀等設(shè)備獲取物體的信息，但是這些設(shè)備獲取的一般都是二維的圖形圖像。然而在很多的領(lǐng)域，比如機(jī)械制造、三維打印、文物保存、工程檢測(cè)等，往往需要獲取物體的三維數(shù)字信息，這就需要通過(guò)三維掃描技術(shù)來(lái)獲取物體的三維數(shù)據(jù)。
[0003]三維掃描集光、電、機(jī)與進(jìn)算計(jì)技術(shù)于一體，可以獲取被掃描物體的空間結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)以及色彩紋理，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信息，并且在三維軟件中還原顯示為三維模型。這一技術(shù)打通了真實(shí)世界與虛擬世界的通道，使得真實(shí)物體可以虛擬再現(xiàn)，或者虛擬模型通過(guò)設(shè)計(jì)加工之后，在運(yùn)用三維雕刻、3D打印等三維成型技術(shù)生產(chǎn)出新的物體。如今影視、游戲、建筑、制造、測(cè)繪等領(lǐng)域都形成了從二維升級(jí)到三維的態(tài)勢(shì)，因而三維掃描建模技術(shù)被越來(lái)越多的使用。就拿測(cè)繪行業(yè)來(lái)說(shuō)，以前對(duì)物體的表面位置坐標(biāo)只能用全站儀進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，現(xiàn)在三維掃描儀卻可以在一秒鐘之內(nèi)獲得物體表面成千上萬(wàn)點(diǎn)的坐標(biāo)，這種變革可以說(shuō)是顛覆性的。
[0004]然而目前從三維掃描到三維建模，仍然存在著諸多的不足，各環(huán)節(jié)之間的自動(dòng)化程度不夠高，需要大量的人工介入，不僅浪費(fèi)了大量的人工成本和時(shí)間成本，而且很多環(huán)節(jié)還會(huì)帶來(lái)人為誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)不足之處，使三維掃描和三維建模實(shí)現(xiàn)一體化、自動(dòng)化、流程化，本發(fā)明專利創(chuàng)建一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，主要由一個(gè)密閉的掃描環(huán)境、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)、白光三維測(cè)量裝置和一鍵式掃描建模軟件平臺(tái)四個(gè)模塊組成。
[0006]密閉的掃描環(huán)境的為三維掃描提供一個(gè)無(wú)噪點(diǎn)、雜點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)的環(huán)境，從而不但提高了數(shù)據(jù)獲取的精度，同時(shí)不再需要數(shù)據(jù)處理人員來(lái)手動(dòng)刪除無(wú)用數(shù)據(jù)，為后續(xù)自動(dòng)化建模提供了保證。
[0007]自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)，可以使放在其上的物體，三維數(shù)據(jù)最大限度的被獲取。一般來(lái)說(shuō)，目前我們要得到一個(gè)物體完整的掃描數(shù)據(jù)，需要掃描人員移動(dòng)物體或者三維掃描儀，從不同的角度來(lái)掃描物體，這個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)事，同時(shí)也影響了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和精確度。
[0008]白光三維測(cè)量裝置可以已拍照的速度快速獲取物體表面三維數(shù)據(jù)，并且當(dāng)環(huán)境物體為黑色是他將不會(huì)采集到數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)上述密閉的環(huán)境物體全部為黑色時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)就只有被測(cè)物體，因此可以獲得純凈的數(shù)據(jù)，無(wú)需后續(xù)再處理。
[0009]—鍵式掃描建模軟件解決了從掃描到建模目前需要多個(gè)軟件、多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、多個(gè)工作流程的問(wèn)題，大大縮短掃描建模的周期。
[0010]具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明專利所述一體化三維掃描建模系統(tǒng)通過(guò)以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0011]A、搭建密閉的掃描環(huán)境。搭建過(guò)程和原則如下:
[0012]密閉掃描環(huán)境為箱體，箱體前面為門(mén)，為放置、取出、移動(dòng)被掃描物體的入口 ；右面有白光三維測(cè)量裝置的開(kāi)孔，需做到無(wú)縫對(duì)接；下面安置一個(gè)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)，為放置掃描物體之用。
[0013]除了白光三維測(cè)量裝置之外，箱體內(nèi)部所有內(nèi)部構(gòu)件和面為黑色，且表面有一定的粗糙度，不出現(xiàn)反光的效果。
[0014]B、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)。
[0015]自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)，由掃描物體放置平臺(tái)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可以將掃描物體放置在平臺(tái)上，然后進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)和上下升降，確保物體能從各個(gè)方向上被掃描，保證數(shù)據(jù)采集的完整性。
[0016]1、掃描物體放置平臺(tái):用于放置被掃描物體，具有適應(yīng)放置不同物體的穩(wěn)定性，且外表面為黑色不反光。
[0017]2、傳動(dòng)系統(tǒng):需兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)水平360度旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)物體上下移動(dòng)。
[0018]3、控制系統(tǒng):控制傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的角度大小，以及在旋轉(zhuǎn)一周之后，需要變換高度位置時(shí)，控制上升的高度。這些參數(shù)的設(shè)定都集成在一鍵式掃描建模軟件中。
[0019]C、白光三維測(cè)量裝置。
[0020]白光三維測(cè)量裝置由白光投影模塊、圖像采集模塊和圖像處理模塊構(gòu)成。
[0021]1、白光投影模塊:由一個(gè)白光投光儀將面結(jié)構(gòu)光的光柵投影到被掃描物體的表面，將物體劃分為不同的區(qū)域。
[0022]2、圖像采集模塊:由兩個(gè)工業(yè)相機(jī)構(gòu)成，當(dāng)白光投光儀將光柵投射到物體表面時(shí)，它們會(huì)同時(shí)將物體的圖像采集下來(lái)。
[0023]3、數(shù)據(jù)處理模塊:這一模塊集成在一鍵式掃描建模軟件中，可以對(duì)采集的圖像進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)光學(xué)三角法測(cè)量原理，通過(guò)識(shí)別光柵在物體表面發(fā)生的畸變，重現(xiàn)物體表面的三維輪廓。
[0024]D、一鍵式掃描建模軟件。
[0025]—鍵式三維掃描建模軟件能實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到建模貼圖的全套流程，包括了數(shù)據(jù)采集模塊、自動(dòng)編輯模塊，擬合建模模塊，紋理貼圖模塊。
[0026]1、一鍵采集模塊:只需要點(diǎn)擊“一鍵掃描”就可以執(zhí)行自動(dòng)掃描，如果中間不打斷后續(xù)的數(shù)據(jù)編輯、你和建模、紋理貼圖都可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。為了確保掃描質(zhì)量，掃描之前具有掃描參數(shù)設(shè)置功能，如對(duì)不同的掃描物體可設(shè)置“自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)”的每次旋轉(zhuǎn)角度和升降高度；具有預(yù)掃描功能，快速查看物體的掃描質(zhì)量。等到調(diào)整到最佳的掃描狀態(tài)的時(shí)候，再執(zhí)行一鍵掃描操作。
[0027]2、自動(dòng)編輯模塊:自動(dòng)對(duì)掃描的各站三角網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、識(shí)別并去除無(wú)用數(shù)據(jù)，以及將各站數(shù)據(jù)拼接起來(lái)，并執(zhí)行整體配準(zhǔn)，降低各站拼接所帶來(lái)的誤差。
[0028]3、合成建模模塊:將配準(zhǔn)過(guò)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，合成一個(gè)單一整體數(shù)據(jù)，并且將點(diǎn)云封裝成三角網(wǎng)模型；接著對(duì)合成的三角網(wǎng)模型進(jìn)行補(bǔ)洞，成為一個(gè)封閉的實(shí)體模型；然后軟件會(huì)識(shí)別模型中的自相交、折射邊、非流形邊、釘狀物、小組件、小通道等錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修復(fù)；最后軟件對(duì)模型進(jìn)行光順處理和簡(jiǎn)化網(wǎng)格，讓模型變的更為光滑，以及在保留模型特征的情況下，減少模型的數(shù)據(jù)量。
[0029]4、紋理貼圖模塊:軟件對(duì)前面建成的模型執(zhí)行紋理貼圖，還原模型具有的真實(shí)紋理和色彩。
[0030]一體化三維掃描建模系統(tǒng)的有益效果是:
[0031]簡(jiǎn)化流程:一體化三維掃描建模系統(tǒng)將三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖等復(fù)雜的流程高度集成在一起，使得以前需要多名工程師甚至多個(gè)公司配合完成的工作，集成在一個(gè)系統(tǒng)中來(lái)完成。
[0032]操作簡(jiǎn)單:一體化三維掃描建模系統(tǒng)傻瓜式的操作，大大降低體了技術(shù)門(mén)檻，使得一個(gè)沒(méi)有掃描建模基礎(chǔ)的人簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)即可使用。
[0033]掃描速度快:將被掃描物體置于自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降的平臺(tái)上，通過(guò)掃描軟件的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與白光三維測(cè)量裝置同步協(xié)同工作，這使得掃描的速度和效率大大提高，而不像以往掃描需要多次人工移動(dòng)掃描物體或者掃描儀的位置才能完成整體物體的掃描。
[0034]解決環(huán)境無(wú)用數(shù)據(jù)處理難題:將掃描物體置于密閉箱體環(huán)境之中，且箱體內(nèi)表面和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為黑色不反光，使得環(huán)境數(shù)據(jù)不會(huì)被采集，從而避免了后續(xù)需要手動(dòng)刪除環(huán)境數(shù)據(jù)的冗余過(guò)程，更利于數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接和建模。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為一體化三維掃描建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖2為工作流程圖；
[0037]圖3為三維掃描原理圖；
[0038]圖4為花瓶的點(diǎn)云圖；
[0039]圖5為花瓶三角網(wǎng)模型圖；
[0040]圖6為花瓶帶紋理模型圖；
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面我們結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0042]如圖1所示，為一體化三維掃描建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其構(gòu)成如下:
[0043]①是為掃描物體創(chuàng)造密閉掃描環(huán)境的箱體是放置掃描物體的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)；③④⑤是白光三維測(cè)量裝置，其中③為白光投光儀，④⑤是進(jìn)行圖像采集的工業(yè)相機(jī)；⑥為搭載一鍵式掃描建模軟件的計(jì)算機(jī)。
[0044]—體化三維掃描建模系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，下面我們從一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的工作流程和工作原理。
[0045]實(shí)例:
[0046]本實(shí)例以用一體化三維掃描建模系統(tǒng)掃描一個(gè)花瓶為例，具體過(guò)程如下:
[0047]1、放置掃描物體:將花瓶放置在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)之上，花瓶高為340mm，最寬處為 170mmo
[0048]2、設(shè)置掃描參數(shù)并預(yù)掃描:自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)每拍攝次的旋轉(zhuǎn)角度為30°，這樣旋轉(zhuǎn)一周需要拍攝12張。設(shè)置花瓶的掃描位置為Omm和340mm高度處。設(shè)置后執(zhí)行預(yù)掃描，參看掃描效果。
[0049]3、啟動(dòng)一鍵掃描:預(yù)掃描獲得滿意的效果之后，執(zhí)行一鍵掃描操作。
[0050]4、采集數(shù)據(jù):一體化三維掃描建模系統(tǒng)首先啟動(dòng)白光投光儀將光柵打在花瓶上。光柵穩(wěn)定后兩個(gè)工業(yè)照相機(jī)同時(shí)拍下花瓶。這時(shí)候，如圖3所示，系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)三角法測(cè)量原理，將光柵的二維坐標(biāo)和光柵在物體表面發(fā)生的畸變進(jìn)行計(jì)算，建立物體表面的三維坐標(biāo)，和顏色信息一并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
[0051]第一個(gè)角度拍攝完成之后，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)旋轉(zhuǎn)30°，依照同樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
[0052]在初始高度位置(Omm)，掃描一周12張圖像采集之后，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)升高到340mm的位置，同前面的方法繼續(xù)采集一周。
[0053]5、數(shù)據(jù)處理:
[0054]掃描之后系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)掃描的各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，去除無(wú)用數(shù)據(jù)，根據(jù)公共部分的紋理信息將24張數(shù)據(jù)拼接起來(lái)，之后執(zhí)行整體配準(zhǔn)，獲得更好的拼接精度。掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4。
[0055]6、合成建模:
[0056]軟件將配準(zhǔn)后的花瓶點(diǎn)云模型合成，并且就近將三個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)，變成三角網(wǎng)模型，如圖5。
[0057]因?yàn)閺狞c(diǎn)云直接連接封裝的三角網(wǎng)模型會(huì)錯(cuò)誤缺陷因此軟件需要對(duì)它進(jìn)行修復(fù)，這時(shí)候會(huì)自動(dòng)的執(zhí)行補(bǔ)洞，修復(fù)數(shù)據(jù)的細(xì)小缺失，并且修復(fù)自相交、折射邊、非流形邊、釘狀物、小組件、小通道等數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；最后軟件對(duì)模型進(jìn)行光順處理和簡(jiǎn)化網(wǎng)格，這一操作是幫助花瓶獲得更好的表面造型，并在保留花瓶曲率特征的情況下，將可以去除和簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，獲得更小的數(shù)據(jù)量。
[0058]7、紋理貼圖:
[0059]這一步驟軟件會(huì)將相機(jī)獲取的顏色紋理映射到模型的表面，還原出花瓶的原有的色彩和紋理，如圖6。
[0060]8、輸出模型:
[0061]最后，軟件花瓶的模型數(shù)據(jù)輸出為obj、stl、ply等格式進(jìn)行保存，完成整個(gè)掃描建模的過(guò)程。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一體化三維掃描建模系統(tǒng)，集成三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、紋理貼圖為一體，其特征在于:包括一個(gè)構(gòu)建掃描環(huán)境的箱體、一個(gè)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)、一套白光三維測(cè)量裝置、一臺(tái)搭載一鍵式三維掃描建模軟件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:所述的構(gòu)建掃描環(huán)境的箱體內(nèi)表面為黑色不反光的材質(zhì)，白光三維測(cè)量裝置不采集除了被掃描物體之外的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:自動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)內(nèi)置兩個(gè)電機(jī)，可按一個(gè)固定的角度作360°水平旋轉(zhuǎn)，以及作上下升降運(yùn)動(dòng)，其控制系統(tǒng)集成在一鍵式三維掃描建模軟件中，與白光三維測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。4.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:白光三維測(cè)量裝置包含一個(gè)投影光柵的白光投光儀和兩個(gè)進(jìn)行圖像采集的工業(yè)相機(jī)，可以對(duì)采集的圖像進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)識(shí)別光柵在物體表面發(fā)生的畸變，重現(xiàn)物體表面的三維輪廓。5.根據(jù)權(quán)利I所述的一體化三維掃描建模系統(tǒng)，其特征在于:所述一鍵式三維掃描建模軟件平臺(tái)具有一鍵采集模塊、自動(dòng)編輯模塊、合成建模模塊、紋理貼圖模塊，能完成自動(dòng)完成掃描到建模的整個(gè)流程。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK105987673SQ201510074034
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日
【發(fā)明人】應(yīng)春莉, 李海雄, 張偉
【申請(qǐng)人】北京易景盈達(dá)科技有限公司