桌面式3d掃描儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及一種3D掃描儀，具體設及一種桌面式3D掃描儀，用于一定尺寸物品的 3D模型的構(gòu)建和相關(guān)參數(shù)的測量，屬于逆向工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D掃描技術(shù)是通過相關(guān)掃描設備獲取一個實物的3D模型的一種新型技術(shù)。隨著技 術(shù)的進步，W3D打印為代表的3D技術(shù)正蓬勃發(fā)展，并逐步走進我們的生活。3D掃描作為與之 相關(guān)且一定程度上為之提供基礎的一種技術(shù)，在未來必將有著廣闊的前景。
[0003] 目前市面上存在的3D掃描設備面向的客戶一般是企業(yè)或?qū)W校，雖然精度高，但成 本和造價也非常高，運必然會影響3D掃描運一本應造福于人類的技術(shù)的推廣。
[0004] 隨著家用級3D打印機的問世，社會對與之對應的家用級3D掃描儀必將有強烈的需 求。
[0005] 目前市場上盡管有一些適合家用的利用景深像機來實現(xiàn)3D掃描的設備，例如基于 微軟Kinect的3D掃描設備，但此種3D掃描設備存在著掃描精度較低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種桌面式3D掃描儀，其不僅掃 描精度高，而且成本低。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[000引一種桌面式3D掃描儀，包括:信息采集部和信息處理部，其特征在于，
[0009] 前述信息采集部包括:底座（11)、CM0S圖像采集器（14)、電動轉(zhuǎn)臺（15)和兩個線性 激光器(12、13 )，前述CMOS圖像采集器(14)通過立支撐(16)安裝在底座（11)上，前述電動轉(zhuǎn) 臺（15)位于CMOS圖像采集器（14)的正前方，通過轉(zhuǎn)臺支撐（17)安裝在底座（11)上，并由步 進電機（18巧區(qū)動在水平面上轉(zhuǎn)動，前述線性激光器（12、13)與CMOS圖像采集器（14)位于同 一水平面上，并且對稱分布在CMOS圖像采集器(14)的軸線的兩側(cè)，兩個線性激光器(12、13) 打出的紅外一字線相交叉，交叉線與電動轉(zhuǎn)臺（15)的軸線重合；
[0010] 線性激光器（12、13)打出的紅外一字線標定待掃描物體上的點，信號經(jīng)過850nm窄 帶濾光片由CMOS圖像采集器（14)進行信息采集，在電動轉(zhuǎn)臺（15)旋轉(zhuǎn)一周的過程中，CMOS 圖像采集器(14)恰好能夠完成物體表面所有點的信息采集工作，采集到的全部圖像信號由 USB接口傳輸?shù)叫畔⑻幚聿窟M行儲存等待處理。
[0011] 前述的桌面式3D掃描儀，其特征在于，前述信息處理部利用虛擬坐標將采集到的 圖像信號轉(zhuǎn)換為3D模型，具體的轉(zhuǎn)換過程為：
[0012] -、構(gòu)建直角S角形ABC:
[001 ；3 ] (1)將CMO姻像采集器(14)的鏡頭中屯、記為點C;
[0014] (2)在電動轉(zhuǎn)臺（15)的軸線上取一點并記為點A，點A與點C等高，直線AC方向的光 線垂直入射CMOS圖像采集器(14);
[0015] (3)在水平面上過點C作直線AC的垂線BC，垂線BC與線性激光器（12)打出的紅外一 字線或紅外一字線的反向延長線相交于點B;
[0016] (4)點A、點B、點C構(gòu)成直角S角形ABC;
[0017] 二、構(gòu)建參考面；
[0018] (1)在線段AB處于CMOS圖像采集器（14)視場內(nèi)的部分上取除點A外任意一點并記 為點E，經(jīng)過點E做直線AC的垂線EF，垂線EF與直線AC相交于點F;
[0019] (2)經(jīng)過線段EF取垂直于平面ABC的平面作為參考面；
[0020] S、確定相關(guān)參數(shù)：
[0021] (1)測量EF距離、邸距離、BC距離、AB距離；
[0022] (2)計算放大倍數(shù)n，前述放大倍數(shù)n是指實物在參考面上的實際物理長度與所成 像的像素點數(shù)目的比值；
[0023] 四、計算物點的相對高度h、相對水平距離lb。：
[0024] (1)標記點E所對應的像點為點E'，實物表面的物點點0'所對應的像點為點0"，點 爐相對點E'的相對坐標為(X，y);
[0025] (2)令點0'在平面ABC上的投影為點0,根據(jù)S角形0抓與S角形OBC相似，計算OB距 罔 IbD :
[0027] (3)連接點0'與點C，線段O'C交參考面于點D'，線段O'C在水平面ABC的投影交線段 EF于點D，連接點D '與點D，根據(jù)S角形D ' DC與S角形0 ' OC相似，求線段0 ' 0的長度h:
[0029] 五、建立柱坐標系并確定柱坐標參數(shù)：
[0030] (1似點A為原點，過點A做垂直于平面ABC的直線，記該直線為Z軸，W直線AC為X軸 建立柱坐標系；
[0031] (2)柱坐標參數(shù)r、0、z分別為：
[0032] r = Iab-IbD
[0033] 目二 O t
[0034] z = h
[0035] 式中，CO為電動轉(zhuǎn)臺（15)的轉(zhuǎn)動角速度，t為電動轉(zhuǎn)臺（15)的轉(zhuǎn)動時間；
[0036] (3)至此，信息處理部將采集到的圖像信號完全轉(zhuǎn)換成了 3D模型。
[0037] 前述的桌面式3D掃描儀，其特征在于，線性激光器（12、13)的激光線的線寬取為一 個像素寬度。
[0038] 前述的桌面式3D掃描儀，其特征在于，前述信息處理部將采集到的圖像信號轉(zhuǎn)換 為3D模型之前，先將采集到的圖像信號進行二值化處理，并通過濾噪算法進行提純。
[0039] 本發(fā)明的有益之處在于：
[0040] (1)將傳統(tǒng)的S角測距法與現(xiàn)代常見的CMOS相結(jié)合，利用線性激光器和電動轉(zhuǎn)臺 的搭配，通過后期精密的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了在短時間內(nèi)對測量對象的近距離、高精度的激光 測距，相比于景深相機式的掃描儀有著更高的掃描精度，為用戶提供了良好的3D掃描體驗；
[0041] (2)結(jié)構(gòu)簡潔，容易制造，成本較低，易于普及，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明的桌面式3D掃描儀的信息采集部的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖2是圖1中的信息采集部的俯視圖；
[0044] 圖3是傳統(tǒng)的S角法激光測距的原理圖；
[0045] 圖4是本發(fā)明的S角法激光測距的原理圖。
[0046] 圖中附圖標記的含義：11-底座、12-線性激光器、13-線性激光器、14-CM0S圖像采 集器、15-電動轉(zhuǎn)臺、16-立支撐、17-轉(zhuǎn)臺支撐、18-步進電機、19-物體。
【具體實施方式】
[0047] W下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0048] 本發(fā)明的桌面式3D掃描儀包括:信息采集部和信息處理部。
[0049] -、信息采集部
[0050] 參照圖1和圖2,信息采集部包括:底座IUCMOS圖像采集器14、電動轉(zhuǎn)臺15、線性激 光器12和線性激光器13。
[0051] CMOS圖像采集器14通過立支撐16安裝在底座11上。
[0052] 電動轉(zhuǎn)臺15位于CMOS圖像采集器14的正前方，通過轉(zhuǎn)臺支撐17安裝在底座11上， 并由步進電機18驅(qū)動在水平面上轉(zhuǎn)動。
[0053] 線性激光器12和線性激光器13與CMOS圖像采集器14位于同一水平面上，并且對稱 分布在CMOS圖像采集器14的軸線的兩側(cè)，線性激光器12和線性激光器13打出的紅外一字線 相交叉，交叉線與電動轉(zhuǎn)臺15的軸線重合。
[0054] 線性激光器12和線性激光器13打出的紅外一字線標定待掃描物體19上的點，信號 經(jīng)過850nm窄帶濾光片由CMOS圖像采集器14進行信息采集，在電動轉(zhuǎn)臺15旋轉(zhuǎn)一周的過程 中，CMOS圖像采集器14恰好能夠完成物體表面所有點的信息采集工作。
[0化日]二、信息處理部
[0056] CMOS圖像采集器14采集到的全部圖像信號由USB接口傳輸?shù)叫畔⑻幚聿浚尚畔?處理部儲存起來，然后將采集到的圖像信號轉(zhuǎn)換為3D模型。
[0化7]圖3是傳統(tǒng)的S角法激光測距的原理。
[0058] 根據(jù)激光=角法測距的原理，激光線上每個點在CMOS圖像采集器上所成像的位置 與該點距離CMOS圖像采集器的位置成一個固定的函數(shù)關(guān)系。
[0059] 在圖3中，S為在同一平面上的激光器與攝像頭之間的距離，0為激光器發(fā)射的激光 方向與激光器和攝像頭所組成的平面之間的夾角，根據(jù)夾角e和攝像頭焦距f可計算出一個 虛擬點，即圖中虛線與攝像頭的交點，然后根據(jù)相似=角形關(guān)系可得到測量物體相對激光 器和攝像頭所組成的平面之間的距離q:
[0061 ]式中，X表示測量點所對應的像點相對CMOS圖像采集器中屯、點的相對橫坐標。
[0062] 由于低端CMOS圖像采集器具體參數(shù)不確定，所W傳統(tǒng)的=角法激光測距存在測量 結(jié)果隨機性較大、測量精度不夠理想等不足。
[0063] 為了克服上述不足，本發(fā)明采用了一種新的算法，該算法通過增加一個新的參考 面，并確定相關(guān)參數(shù)，可W實現(xiàn)在短時間內(nèi)對測量對象的近距離、高精度的激光測距，相比 于景深相機式的掃描儀有著更高的掃描精度，可W為用戶提供更好的3D掃描體驗。
[0064] 電動轉(zhuǎn)臺15是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，CMOS圖像采集器14采