一种3D打印移动扫描装置的制作方法

本发明属于3D打移动扫描技术领域，尤其是涉及一种3D打印移动扫描装置。

背景技术：

目前3D打印机与人们生活越来越接近，很多企业，个人用户对3D打印的需求也越来越广泛。而目前对于3D应用上，在模型扫描上还存在诸多不便，制约着3D打印的发展。目前的3D打印扫描仪大多为固定的扫描仪，无法携带，使用户无法按照自己的想法去实现随时随地扫描。

技术实现要素：

述为了弥补上述3D打印中个人用户不能及时扫描，扫描设备不便携带的缺陷，本发明提出一种3D打印移动扫描装置。

实现上述有益效果的技术方案为，一种3D打印移动扫描装置，包括本体，与所述本体连接的腕带，与所述本体安装到一起的扫描组件，所述本体设有可旋转的外圈、电路板、分别与所述电路板电连接的液晶显示模块、输入模块，所述扫描组件包括与所述电路板设置到一起的处理模块和与所述外圈设置到一起的扫描模块，所述处理模块与分别与所述扫描模块、液晶显示模块通过所述电路板电连接；还包括输出模块，所述输出模块通过所述电路板与所述处理模块连接；还包括时间模块，所述时间模块设置在电路板上并与所述液晶显示模块、输入模块电连接。

本技术方案中，采用类似IWAICH的技术手段，将3D扫描仪集成到可以计时的手表上，由于目前电子表的集成电路十分发达，其时间模块体积可以做的非常小，给扫描仪，尤其是一些要求精度高的3D扫描带来足够的安装空间。本发明中，将扫描部分设置到可旋转的外圈上，在扫描过程中可以旋转角度，根据使用者个人爱好选定角度，同时也可以实现在一个点对周围环境进行圆周扫描，如扫描房间内的家具，内饰，构建房间内部模型，或者对一个物体进行多角度扫描，如选定一个小物体作为圆心，构建一条扫描圆周线，将本体放到圆周线上对圆心内的物体进行多角度或360度扫描，构建扫描模型，而液晶显示模块则将及时的扫描结果显示出来，提示扫描步骤，同时输入模块可以根据需要设定扫描过程，同时实现手表和扫描仪之间的切换。

可选的，所述本体还包括外壳，所述外壳内设有安装电路板的卡槽，所述外壳顶部设有与所述外圈对应安装的座圈，所述座圈上设有触点，所述外圈上设有与所述触点电连接的环形触片，所述触点通过所述电路板与所述处理模块连接，所述触片与所述扫描模块连接，所述扫描模块通过所述触点和触片与所述处理模块电连接。本技术方案中，外圈与座圈之间的安装方式使其可以完成360度扫描，同时触点、触片电连接方式保证其任何角度都有电连接。

可选的，所述触片包括内环触片和外环触片，所述触点包括与内环触片接触的第一触点和与外环触片接触的第二触点，所述扫描模设有两个摄像头，分别连接到内环触片和外环触片上。本技术方案中，由于3D扫描大多需要双扫描头交叉计算角度成像，采用内外触片，保证处理模块分别收到两个摄像头的数据，使所有的计算过程都在处理模块完成，扫描模块基本不承担后期计算，使其体积尽量减小，进而减小外圈体积，有效提高设置在外圈中央的高液晶显示模块的面积，更加有利于使用者的观测。

可选的，还包括副体，所述副体内设有储存卡接口和数据接口，所述副体通过柔性电路板与所述本体电连接。本技术方案中，将一些接口集成到副体中，减小本体体积，同时副体也设置到绑带上，提高美观同时增加本发明的用途。

可选的，所述绑带由多个节带连接而成，所述节带包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体通过转动轴相连接，所述第一壳体和第二壳体之间形成一用于贯穿所述柔性电路板的空间。本技术方案中，将柔性电路板集成到绑带内部专门预留的空间，增加其宽度，提高其寿命，避免外界对其的损坏。

可选的，所述副体内还设有无线通讯模块，所述无线通讯模块通过所述柔性电路板与所述本体连接。本技术方案中，采用无线通讯的方式，使本发明具有远程通讯能力，做到边扫描边传输的效果，即使在本体内部储存空间剩余不多的情况下依然可以完成扫描任务。

可选的，所述扫描模块设有一个摄像头，与所述触片连接到一起。

可选的，所述副体还包设有备用电池接口。本技术方案中，加装备用电池电池，提高其使用时间，避免了因为集成到腕带上的本体续航能力差的缺陷。

可选的，所述副体还设有照明组件，所述照明组件与所述电路板电连接到一起。本技术方案中，采用照明组件，方便其光纤不足情况下的实用。

可选的，所述本体还设有照明组件，所述照明组件与所述电路板电连接到一起。本技术方案中，采用照明组件，方便其光纤不足情况下的实用。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的结构框意图；

图2为本发明本体的结构框型示意图；

图3为本发明的本体、副体连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1、图2，本发明的一种实施方式。一种3D打印移动扫描装置，包括本体，与所述本体连接的腕带2，与所述本体安装到一起的扫描组件，所述本体设有可旋转的外圈11、电路板12、分别与所述电路板电连接的液晶显示模块13、输入模块，所述扫描组件包括与所述电路板设置到一起的处理模块31和与所述外圈设置到一起的扫描模块32，所述处理模块与所述扫描模块通过所述电路板电连接；还包括输出模块14，所述输出模块与所述电路板连接；还包括时间模块，所述时间模块设置在电路板上并与所述液晶显示模块、输入模块电连接。本实施例中，采用手表形式的扫描仪，提高其便携性，在实用的时候通过输入模块切换到扫描状态，将扫描模块对准被扫描物体，根据实际扫描需要调整外圈角度，扫描的结果在处理模块建立模型后由液晶显示模块中显示出来，使用者根据显示结果决定是否扫描结束。本发明将扫描、建模、显示一体化，便携化，提高使用的便捷性，方便以后3D打印市场的推广。

结合图1所述本体还包括外壳1，所述外壳内设有安装电路板的卡槽，所述外壳顶部设有与所述外圈对应安装的座圈15，所述座圈上设有触点，所述外圈上设有与所述触点电连接的环形触片，所述触点通过所述电路板与所述处理模块连接，所述触片与所述扫描模块连接，所述扫描模块通过所述触点和触片与所述处理模块电连接。本实施例中，触点和环形触片保证其360°无死角扫描，方便多种情况的实用需要。结合图1，本实施例中，外圈通过滚珠轴承4安装到本体的外壳上，在座圈与外圈之间设有防止外圈偏移的卡环5，卡环与外圈之间滑动连接，卡环一端连接在座圈上，另一端卡入外圈内。卡环和滚珠轴承共同作用，保证外圈在可以移动的同时，不会产生圆心的偏移导致毁坏。同时液晶显示模块与外圈之间还可以设置轴承6，减少外圈转动的时候给液晶屏幕带来的摩擦，提高整体的使用寿命。

所述触片包括内环触片161和外环触片162，所述触点包括与内环触片接触的第一触点171和与外环触片接触的第二触点172，所述扫描模设有两个摄像头，分别连接到内环触片和外环触片上。本实施例中，双头成像的3D扫描技术成熟，降低后期数据处理难度，同时拍摄过程简单，方便使用。

结合图3，还包括副体7，所述副体内设有储存卡接口和数据接口，所述副体通过柔性电路板21与所述本体电连接。本实施例中，为了进一步减少本体体积，将储存卡和数据结构重新集成到副体上，加装作为辅助单元的副体，将一些配件集成到副体上，在减少本体体积的同时，完善本发明的功能。腕带可以采用柔性皮质外层也可以采用金属链板空心外层，只要其内部留有柔性电路板的通过空间即可。

所述绑带由多个节带连接而成，所述节带包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体通过转动轴相连接，所述第一壳体和第二壳体之间形成一用于贯穿所述柔性电路板的空间。本实施例中，采用金属链板作为节带的绑带，多个链板转轴连接到一起，金属链板保护力度更好，进一步提高了柔性电路板的安全性。

所述副体内还设有无线通讯模块，所述无线通讯模块通过所述柔性电路板与所述本体连接。

所述扫描模块设有一个摄像头，与所述触片连接到一起。采用单摄像头，拍摄二维图像进行建模，减少扫描模块的体积，进而减小外圈体积，有效提高设置在外圈中央的高液晶显示模块的面积，更加有利于使用者的观测。如何利用图像中的视觉信息对现实世界中的场景进行三维重建一直以来都是计算机视觉领域中的研究热点。通过二维投影恢复物体三维信息的过程称为三维重建。常被用于视觉导航、虚拟增强、SLAM、辅助手术等领域。三维重建是成像过程的逆过程，由二维图像逆推目标物体的几何特征，表面性质以及摄像参数等多个因素的过程。近十几年来，国内外学者在对基于计算机视觉的三维重建理论的研究中，已经取得了一些重要的研宄成果。在场景的三维重建中，一般需要将摄像机在场景中进行移动拍摄，从而获取整个场景各个局部的图像，利用这些图像序列对场景进行三维重建，这种基于图像序列的场景三维重建问题也被称为SFM问题。图像特征点检测及其匹配是整个三维重建的基础，只有选择合适的特征点检测器，检测出精确并且数目多的特征点，才能在后续的特征匹配，空间点计算中计算出准确的场景点云。另外，它也是计算机视觉领域，模式识别，以及跟踪，目标识别等领域的重要基础，获得稳定准确的特征点是匹配的前提。目前使用的较多特征点检测器是Harris、Susan检测器，但是他们都不具有尺度不变性，如果检测特征点无法适应尺度的变化，对不同尺度的图像，在匹配中很难建立起对应关系，即在后续的匹配中会出现严重的错误匹配，使后续的重建工作无法进行。所以需要特征点不会随着图像的旋转、缩放、投影、仿射等操作而改变。2004年，Lowe提出的SIFT特征点检测器，该种算法鲁棒性好，对尺度具有不变性，但缺点是该算法的计算复杂度大，效率低。该特征点检测器的主要包括四个步骤：输入图像、多尺度空间极值点检测、关键点精确定位、关键点主方向计算、描述子构造、得出特征向量。例如，对于一幅二维图像构造高斯差分尺度空间，在高斯差分尺度空间以及相隔两层的26个附近区域取最值，精准定位极值点位置，然后，为保证算子旋转不变性，每一个关键特征点都要有一个独立的方向，使关键点方向与坐标相同，确保旋转不变性，以关键点为中心，按8*8选择区域为采样窗口，通过高斯加权方法采样特征点与相对方向，把特征点及其方向集中在具有八个方向的直方图，最后获得32个2*2*8的特征描述子，求解特征位置和特征描述进行对比，得出匹配对，即两幅图表达相同对象的点对，根据匹配的点对来进行计算。基本矩阵是对极几何的一种代数表示。给定一对图像,对于一幅图像上的每点X,在另一幅图像中存在一条对应的对极线l’。在第二幅图像上,任何与该点X匹配的点X'必然在对极线l’上。该对极线是过点X与第一个摄像机中心C的射线在第二幅图像上的投影。因此,存在一个从一幅图像上的点到另一幅图像上与之对应的对极线的映射。这个映射的本质是一个对射,即是由称为基本矩阵的矩阵F表示的从点到直线的射影映射。基本矩阵都满足如下条件:x'^Fx＝0，其中,x<->x'是两幅图像的任意一对匹配点。给定足够多的匹配点x<->x'(至少7对),方程x'^Fx＝0可用来计算未知的矩阵F。具体的说对应于一对点的方程是:

x′xf₁₁+x′yf₁₂+x′f₁₃+y′xf₂₁+y′yf₂₂+y′f₂₃+xf₃₁+yf₃₂+f₃₃＝0

本质矩阵是归一化图像坐标下的基本矩阵。我们首先考虑分解为P＝K[R|t]的摄像机矩阵,并令x＝PX为图像上的一点。如果已知摄像机内参数矩阵K,则用它的逆矩阵作用于点则其中是图像上的点在归一化坐标下的表示。它可以被视为空间点X在摄像机[R|t]的标定矩阵等于代为矩阵I情形下的像。摄像机矩阵K^-1P＝[R|t]成为归一化摄像机矩阵。现在考虑一对归一化的摄像机矩阵P＝[I|0]和P'＝[R|t]。与归一化摄像机矩阵对应的基本矩阵称为本质矩阵。本质矩阵具有如下形式:E＝[t]xR＝R[R^T t]x。采用归一化图像坐标表示对应点x<->x时,本质矩阵的定义方程如下:

基本矩阵与本质矩阵之间关系为：

E＝K′^TFK.

由于在相差一个3D射影变换下,F唯一确定摄像机对。当给定F，我们将推导出具有规范形式摄像机对的具体公式。首先可以得到如下结论：一个非零矩阵F是对应于一对摄像机矩阵和P和P’的基本矩阵的充要条件是是P'^TFP是反对称称矩阵。我们假设S为任意反对称矩阵,则可以定义摄像机矩阵对为

P＝[I|0],P'＝[SF|e']

其中,e'是满足e'^TF＝0的对极点。并假设所定义的P'是有效的摄像机矩阵(秩为3),则F是对应于(P,P')的基本矩阵。反对称矩阵S的一个合适

的选择是S＝[e']x,因为e'^Te'≠0,由此可以推导出以下结论:

基本矩阵厂的摄像机矩阵可以选择为P＝[I|0]和P'＝[[[e']xFe']。因此,我们已经可以通过所求解的双视图的基本矩阵F来获取双视图对应的摄像机矩阵。根据得到的特征点匹配对,利用对极几何原理由两幅图像的特征点匹配得到基础矩阵F,然后己知扣机内参的情况下得到木质矩阵E,然后再对E进行奇异值分解得到相机运动参数,同时利用三角定位法从图像匹配对中通过投影关系恢复这些匹配点对应的三维场景结构。SFM方法可以分为迭代式的和非迭代式的。迭代式的方法主要通过匹配点对数最多的两张图像中恢复初始和机参数,并利用三角定位法恢复三维结构,然后加入新的图像,与先前的图像进行特征点匹配,进行捆扎调整,迭代上面的计算过程。非迭代式的方法首先通过各个视图件的匹配关系,全局考虑所有相机的旋转一致性关系得到一个更加稳健的相机参数估计,然后再进行少量的捆扎调整。捆集调整将一系列三维结构和每个相机参数进行非线性优化,使其满足重投影误差最小化估计,即在假设给定一系列图像中观测到的一组对应点集和相应的三维坐标的初始估计,以及关于每张图像的相机参数的初始估计下,同时对三维坐标点和相机的内外参数进行迭代优化,以此获得一个最优化的重建结果,消除观察的误差和ffl关噪声的影响。设3D空间中的一组点X_j被矩阵为P'的一组摄像机所拍摄。如果图像测量有噪声,则方程将不会完全地被满足。在这种情况下,我们将寻求极大似然解,并假设测量噪声服从高斯分布。我们希望估计射影矩阵Pⁱ和真正地投射到图像点的3D点Xj,即并且在这些3D点出现的每

幅视图中最小化重投影点和被测量的图像点之间的图像距离,即

其中,d(x,y)是齐次点x和y之间的几何距离。这种涉及最小化重投影误差的估计被称为捆集调整(Bundle Adjustment)。它涉及到调整每个摄像机中心和这些3D点之间的射线丛。

捆集调整一般应该在任何重构算法的最后一部使用。这个算法的好处是能够容忍数据的丢失,提供真正的极大似然估计。同时它允许对每一个测量值指派单个协方差并且可以扩展到先验估计和摄像机参数或点的位置的约束。简而言之,它称得上是一个非常理想的算法,但是也有以下不足:(1)它需要被提供一个好的初始值；(2)由于涉及大量参数,它可能成为一个非常大的最小化问题。下面我们将简要的对这两个问题进行讨论。

稠密点云重建

多视图立体视觉方法,作为重建的方法与传统的非接触式扫描方法相比具有使用方便,成本低等特点。多视图立体视觉利用不同角度的多幅图像,通过计算图像之间的特征或区域E配计算出密集的三维点云。该方法根据数据模型的不同大致可以分成四类:基于素(voxel)的方法基于变形网格的算法基于深度图像融合的方法129113"]和基于表面面片(patch)的方法其中基于表面面片的方法,无需先验的包围盒,不需要深度图,并且适合基

于点的稠密扩散。我们将把基于面片的多视图立体视觉(Patchbased Multi-view Stereo简称PMVS)方法作用于SFM生成的稀疏点云,从而获得稠密的三维点云。

在SFM稀疏点云重建的基础下,PMVS密集点云重建过程分为以下三个步骤:一、初始特征点匹配；二、面片扩散；三、面片过滤。初始特征点匹配足通过提取所有图像上特征点和高斯差分法(Difference of Gaussian)特征点,通过三角测量方法用满足对极几何约束的潜在匹配点重建出稀疏的空间面片,并将其作为种子面片。面片扩散是利用相邻面片具有相似的法向量和位置特征,从种了面片幵始向周围逐步扩散,从而得到比较稠密的空间面片或有向点云。面片过滤是对扩展的结果进行优化,主要利用梯度下降法,根据面片的遮挡关系提出过滤算法,去掉不满足灰度和几何一致性的错误面片。通过反复的扩散和过滤可以鲁棒地得到推稠密的空间点云和面片。关于配准问题，当前应用最广且最为经典的配准算法是Bsel和Mckay提出的迭代最近点ICP算法，它通过迭代计算，使得两片点云上对应点或点面距离的均方差误差最小。ICP算法是精细配准的，计算简便直观，但其对初始配准位置依赖性强，要求两个点云的初始位置必须足够接近，且对噪声和异常点的鲁棒性差，容易陷入局部最优，导致算法应用受限。之后，许多研究学者对ICP算法进行了改进，但这些改进的方法都是基于数据点集之间的配准关系，其抗噪性和稳定性仍然受到很大的约束。为了克服ICP算法的局限性，许多学者提出了基于概率统计的配准算法，它们将变换空间离散化，并建立某种配准误差评价函数，使用标准最优化技术来确定两视角点云之间的最优匹配，典型的算法有Martin Magnusson提出的NDT算法和Bing Jian等提出的GMM算法，还有Myronenko和Song提出的CPD算法。在配准过程中会发现一个问题，即点云尺度不统一如下图，传统的ICP、NDT算法不能解决这个为题，最后发现CPD算法可以解决。CPD算法是一种基于概率的点集配准算法，该算法被视为基于速度场运动一致性约束的最大似然估计问题，通过变分的方法表达运动一致性约束并得到规则化最大似然估计。在CPD算法中，将两个点云集合的配准看作是概率密度估计问题，把其中一个点云集合看作是高斯混合模型(GMM)的质心(内核)，将另一个点云集合视为高斯混合模型的数据，利用EM算法对极大似然估计进行优化，从而找出两个点云集合的对应关系以及变换关系，即内核点集向数据点集配准。在含有噪声和异常点的情况下采用CPD算法进行配准有较强的鲁棒性。不仅于此，主要此算法能过应对点云多尺

度问题，即不同尺度的点云也能够配准在一起。

假设两个点集，其中参考点集(数据点集)为X＝(x₁，x₂，…，x_N)^T，模板点集(内核点集)为Y＝(y₁，y₂，…，y_M)^T，点集配准即模板点集通过某种变换使其和数据点集收敛的过程。将数据点集看作是有高斯混合概率密度函数采样得到的数据模型，将模板点集认为是高斯混合模型的质心。高斯混合模型概率密度函数为：

其中，p(x|m)为高斯混合概率密度函数的基函数，D表示点的维数，在三维点云中D＝3,u_m、P(m)分别为第m个高斯基函数的协方差、期望值和权值因子。当m足够大时，高斯混合模型就可用来逼近任意连续的概率密度分布，需要指出的是:高斯混合模型中基函数的个数是高斯混合模型的点集个数；约定每个高斯基函数的协方差矩阵都相同。

考虑到点云数据中存在着噪声点以及外点的情况，所以在高斯混合模型中增加一均匀分布p(x|M+1)＝1/N，均匀分布的权值为α，0≤α≤1，且令P(m)为等概率事件，即P(m)＝1/M，(m＝1，2，…，M)，则由上式可得混合高斯概率密度函数变为：

采用EM算法寻找变换参数θ和δ²，即旋转变换R，平移向量t以及尺度参数s。其中，E－step计算出后验概率，通过后验概率建立点集Y和X 之间的关联度矩阵；M－step将E－step步骤求得的后验概率作为已知条件，使负似然函数的对数最小来求解参数值；最后将E－step和M－step交替迭代直到收敛。

CPD配准算法流程为:首先对参数进行初始化，求得两个点集关联度的后验概率矩阵P(m|xn)；接着将求得的关联度矩阵P(m|xn)作为已知条件，求取变换参数R，s，t，δ²的值；两组交叉迭代直至收敛。公式如下:

所述副体还包设有备用电池接口。备用电池接口，可以放入备用电池，增加续航时间。

所述副体还设有照明组件，所述照明组件与所述电路板电连接到一起。

所述本体还设有照明组件，所述照明组件与所述电路板电连接到一起。

以上所述，为本发明的较佳实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。