本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種三維輪廓的光學(xué)檢測(cè)方法，特別是一種大景深、大視場(chǎng)的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

三維掃描在逆向工程、工業(yè)檢測(cè)、文物保護(hù)等方面已有重要的應(yīng)用，隨著3D打印的普及，三維掃描在逆向設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)等行業(yè)的應(yīng)用更為廣泛。已有三維掃描儀主要針對(duì)工業(yè)檢測(cè)等專業(yè)領(lǐng)域，面向廣大逆向設(shè)計(jì)、3D打印教育等產(chǎn)業(yè)的普通消費(fèi)者的掃描儀較少。

目前，三維掃描通常采用激光線掃描、白光結(jié)構(gòu)光、立體視覺(jué)等方法。激光線掃描發(fā)展最為成熟，測(cè)量景深大，但是其效率低、拼接精度低，對(duì)運(yùn)動(dòng)裝置精度要求高，成本高。白光結(jié)構(gòu)光效率高，但是其系統(tǒng)標(biāo)定困難。立體視覺(jué)技術(shù)存在立體匹配的不確定性是測(cè)量精度低。把白光結(jié)構(gòu)光中的相移輪廓術(shù)與雙目立體視覺(jué)的方法相結(jié)合，克服了相移輪廓術(shù)標(biāo)定難的問(wèn)題和立體視覺(jué)匹配難的問(wèn)題。但是此方法需要通過(guò)DLP投影裝置編碼光，其測(cè)量景深受投影景深的限制；同時(shí)測(cè)量視場(chǎng)受雙目視覺(jué)的三角關(guān)系夾角的影響。在實(shí)際使用中，物體的大小和形狀各異，景深不足導(dǎo)致測(cè)量失效等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種桌面式三維掃描裝置，該裝置采用激光MEMS振鏡投影裝置來(lái)提高投影景深；采用多組相機(jī)來(lái)捕捉不同的視場(chǎng)范圍內(nèi)的變形條紋圖，提高測(cè)量范圍；用精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定多個(gè)角度模型之間的位置關(guān)系拼接成完整模型。本發(fā)明可以覆蓋從較小體積到大體積物體的三維掃描，同時(shí)被測(cè)物體越小，測(cè)量精度越高；本方法可以實(shí)現(xiàn)一鍵式掃描，得到比較好的360度完整模型。

本發(fā)明的目的為提供一種桌面式大視場(chǎng)桌三維掃描裝置。

其技術(shù)方案為：

由4到10個(gè)相機(jī)、1個(gè)激光MEMS振鏡投影裝置和精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成；激光MEMS振鏡投影裝置布置在中間，用于投影結(jié)構(gòu)光,相機(jī)兩兩對(duì)稱放置在激光MEMS振鏡投影裝置兩側(cè)，對(duì)稱放置的相機(jī)之間的距離為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5，其中L1<L2<L3<L4<L5；轉(zhuǎn)臺(tái)放置在上述相機(jī)的一個(gè)或多個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)臺(tái)放置在上述相機(jī)的一個(gè)或多個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)。

激光MEMS振鏡掃描投影裝置作為三維掃描的投影光源，激光MEMS振鏡掃描投影系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的DLP、LCD等投影系統(tǒng)，沒(méi)有投影鏡頭，其原理是激光通過(guò)MEMS振鏡反射投影到物體表面，MEMS振鏡做二維振動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間的二維圖像掃描，同時(shí)電流調(diào)制激光器光強(qiáng)，生成灰度變化的圖像。由于其光源為激光，大大提升了投影深度范圍。

多組相機(jī)分別用于拍攝不同視場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)光以匹配投影裝置景深，提高掃描儀的測(cè)量范圍。由于相機(jī)成本比投影裝置低很多，設(shè)備成本并沒(méi)有增加很多，但是大幅提高了測(cè)量范圍和性能。同時(shí)，滿足雙目立體視覺(jué)的基本條件，每組相機(jī)視場(chǎng)盡可能重合，夾角一般為10°到60°，優(yōu)選為15°到45°。

裝置在三維掃描時(shí)，物體放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)N次，每次旋轉(zhuǎn)α度，N＝360/α次，N為整數(shù)。每轉(zhuǎn)一次，用激光MEMS振鏡投影一組光柵圖案或線狀圖案到物體表面，用上述相機(jī)拍攝物體表面的圖案，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行三維點(diǎn)云計(jì)算；

標(biāo)定精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心與相機(jī)之間的位置關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，對(duì)各角度重建的三維模型進(jìn)行剛性變換，得到粗拼接的完整模型；用ICP進(jìn)行優(yōu)化拼接，得到360度三維數(shù)字模型。

有益效果

本發(fā)明利用激光MEMS振鏡投影裝置作為三維結(jié)構(gòu)光測(cè)量的投影光源，大大提高了投影景深；采用多組相機(jī)設(shè)計(jì)，以匹配投影視場(chǎng)；相較于傳統(tǒng)的三維掃描儀掃面范圍提高3～5；不同尺寸的測(cè)量精度不同，小物體精度更好；采用精密轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行匹配，匹配魯棒性高，效果好，降低用戶的使用難度；轉(zhuǎn)臺(tái)的便攜式設(shè)計(jì)減少產(chǎn)品的體積和重量。

附圖說(shuō)明

圖1激光高斯光束傳播圖；

圖2三維掃描儀結(jié)構(gòu)布置示意圖；

圖3相機(jī)坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系示意圖；

其中：21——激光MEMS振鏡投影裝置；22——相機(jī)；A——小尺寸物體范圍；B——中等尺寸物體范圍；C——大尺寸物體范圍。

具體實(shí)施方式：

掃描儀測(cè)量范圍計(jì)算主要由投影裝置決定，采用多組相機(jī)匹配其測(cè)量范圍，掃描儀系統(tǒng)配置參數(shù)計(jì)算如下：

第一步，確定激光MEMSA振鏡投影系統(tǒng)景深計(jì)算：

如圖1，激光器11發(fā)出的高斯激光光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡12后，入射到MEMS掃描振鏡13上，再反射到物體表面。高斯光束的聚焦面在L₀處，景深為ΔL。根據(jù)ABCD矩陣計(jì)算可得光束在穿過(guò)透鏡后的光斑大小，最大工作距離L₂處光斑大小ω₂，最小工作距離L₁處光斑大小為ω₁，通過(guò)下式1－1約束，最終確定L₁和L₂。

可以根據(jù)測(cè)量范圍需求，確定激光MEMS振鏡投影裝置的景深。第二步，設(shè)計(jì)相機(jī)數(shù)量匹配投影景深

典型光學(xué)成像系統(tǒng)，其景深計(jì)算公式為

式中：ΔL——相機(jī)景深；ΔL₁、ΔL₂——成像系統(tǒng)的前景深和后景深；δ——容許的彌散圓直徑，一般取像元大小的2倍；F——鏡頭的F數(shù)；L——物距。例如，f＝20mm、F＝2.0、L＝500mm；像元大小7.5μm，因此δ＝0.015mm。由3-2式計(jì)算得到景深ΔL_C1＝75mm。

選取不同的相機(jī)和鏡頭，若一組相機(jī)景深不能覆蓋投影景深范圍，同時(shí)使用多組相機(jī)，使得其景深范圍與投影景深相匹配。如圖2所示為三組相機(jī)布置結(jié)構(gòu)，三組相機(jī)分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量視場(chǎng)為A、B、C，并分別對(duì)應(yīng)不同大小尺寸的被測(cè)物體。△L為投影景深，也是系統(tǒng)的測(cè)量景深，相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光掃描儀，測(cè)量范圍大大提高。同時(shí)，本系統(tǒng)兼容不同大小的測(cè)量對(duì)象，同時(shí)對(duì)于A組小物體，測(cè)量精度更高。每組相機(jī)之間光軸如下圖所示，在測(cè)量視場(chǎng)中心相交，其夾角一般為10度到60度之間，優(yōu)選為15°到45°。

工作方式和數(shù)據(jù)處理

本發(fā)明設(shè)計(jì)的桌面三維掃描儀掃描方式如下，如系統(tǒng)包含三組相機(jī)：

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

根據(jù)被測(cè)物大小選擇測(cè)量相機(jī)組，如A組，B組，C組；每組相機(jī)對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量范圍，即不同大小被測(cè)對(duì)象。

a)根據(jù)上述公式確定激光MEMS振鏡投影裝置的測(cè)量范圍，即深度范圍；

b)計(jì)算選用相機(jī)的景深，即深度范圍；

c)根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容中的方法，選擇合適的相機(jī)組。

2、旋轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定

如下圖所示，我們以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，設(shè)點(diǎn)P_w(x_w,y_w,z_w)為被測(cè)物體上任意一點(diǎn)，點(diǎn)P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)為當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ時(shí)P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，則它們滿足關(guān)系：

p＝R_zp_θ

其中，p_w(x_w,y_w,z_w，1)^T和p_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ,1)^T為P_w(x_w,y_w,z_w)和P_θ(x_wθ,y_wθ,z_wθ)在轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，R_z為旋轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線旋轉(zhuǎn)角度θ時(shí)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，

實(shí)際我們重建得到的模型點(diǎn)坐標(biāo)P_c(x_c,y_c,z_c)是在相機(jī)坐標(biāo)系下的，其與世界坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)點(diǎn)P_w(x_w,y_w,z_w)滿足：P_c＝RP_w+T。

由上式可得相機(jī)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)之間的坐標(biāo)變換可以通過(guò)R＝R(α，β，γ)和T＝(t_x,t_y,t_z)^T中的六個(gè)參數(shù)來(lái)描述，α，β，γ分別為繞x，y，z軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角，當(dāng)先后以x，y，z旋轉(zhuǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，

設(shè)P_c(x_c,y_c,z_c)和P_w(x_w,y_w,z_w)對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)為p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_w(x_w,y_w,z_w,1)，則p_c＝Mp_w。

其中，由與在旋轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系點(diǎn)云拼接對(duì)x，y軸方向無(wú)要求，所以可設(shè)γ＝0，則轉(zhuǎn)換矩陣M可以簡(jiǎn)化為：

因此，對(duì)于我們重建得到的相機(jī)坐標(biāo)系下的已知點(diǎn)P_c(x_c,y_c,z_c)轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ對(duì)應(yīng)點(diǎn)P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)，它們滿足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ \*MERGEFORMAT(3-7)

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)為P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ)對(duì)應(yīng)的齊次形式。

正確放置旋轉(zhuǎn)臺(tái)位置，將棋盤(pán)格標(biāo)定板放置的旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，使得物體在一組相機(jī)的兩個(gè)圖像中心；計(jì)算標(biāo)定板上的角點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P_c(x_c,y_c,z_c)，在±60°之間，每旋轉(zhuǎn)10°，拍攝兩張標(biāo)定板圖片，并計(jì)算其世界坐標(biāo)。

由此，我們得到一系列p_c(x_c,y_c,z_c,1)和p_cθ(x_cθ,y_cθ,z_cθ,1)，其中

根據(jù)上式求得M。

3、被測(cè)物體放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，掃描一圈，即轉(zhuǎn)臺(tái)每次旋轉(zhuǎn)α度后，靜止一段時(shí)間，掃描儀完成一個(gè)角度的模型掃描，共進(jìn)行N次旋轉(zhuǎn)測(cè)量，N＝360/α次(N為整數(shù))；例如，α＝45°，N＝8。

4、根據(jù)標(biāo)定的旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心結(jié)果，對(duì)各角度進(jìn)行剛性變換,即使用，得到粗拼接的完整模型；

重建得到的相機(jī)坐標(biāo)系下的已知點(diǎn)P_c(x_c,y_c,z_c)轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度α對(duì)應(yīng)點(diǎn)P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)，它們滿足：

p_c＝MR_zM^-1p_cθ

其中p_c(x_c,y_c,z_c,1)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα,1)為P_c(x_c,y_c,z_c)和P_cα(x_cα,y_cα,z_cα)對(duì)應(yīng)的齊次形式。矩陣M由步驟2轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定可得，

R_z為旋轉(zhuǎn)臺(tái)繞軸線旋轉(zhuǎn)角度α?xí)r對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，α即3步中人為設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度。

因此，我們對(duì)相應(yīng)模型使用Pose＝MR_zM^-1結(jié)果矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換便可以完成點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)的粗拼接。

5、用ICP(Iterative Closed Point)進(jìn)行精確拼接；

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。