一种三维采集装置及三维扫描系统的制作方法
【专利摘要】本公开涉及一种三维采集装置及三维扫描系统，所述三维采集装置投射的无毒无污染散斑；使用的散斑片，散斑图案绘制精细，有利于提高扫描数据采集精度；使用一个单独的控制单元来控制触发散斑投射器投射散斑，并控制相应的散斑采集和彩色图像采集，使得图像采集时间短、速度快，能有效避免被扫对象的移动误差。所述三维扫描系统应用了具有上述特点的三维采集装置，提供了一种三维光学非接触式三维扫描方式，具有对生物体伤害小、扫描速度快、精度高的特点。
【专利说明】
一种三维采集装置及三维扫描系统
技术领域
[0001]本公开涉及三维扫描领域，具体地讲，涉及一种三维采集装置及三维扫描系统。
【背景技术】
[0002]三维扫描即获取人体表面三维坐标信息的过程，广泛应用于3D打印、激光内雕、医疗整形等领域。人体三维非接触式扫描可以分为激光扫描和结构光扫描，因激光对人体具有一定伤害，故主要采用结构光进行人体扫描。现有人体面部扫描主要伴随在人体全尺寸扫描过程中完成，同时人体面部作为个体差异的重要标识，获取特征的人体面部三维数据，对身份辨识、个性化产品定制等具有重要意义。
[0003]现有三维扫描系统或装置，具有如下特点:扫描用时较长(几秒)，人体很难长时间保持同一表情或静止姿态，增加了点云配准的难度;人体面部点云数据精度有限，以至于重要特征退化或缺失;如采用激光作为投射光源，会对人体尤其眼睛造成一定伤害;扫描过程较复杂，对操作人员专业水平具有较高要求。
[0004]综上所述，现有三维扫描装置，特别是人体面部三维扫描，具有扫描精度低、扫描用时长、人体扫描体验感不足等改进之处。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本公开提出了一种三维采集装置及三维扫描系统，所述三维采集装置可以应用于人体面部及人体以外的对象的三维扫描对象的数据采集，所述三维扫描系统可以实现对人体及人体以外的对象的三维扫描对象的重建。
[0006]一种三维采集装置:所述三维采集装置包括测头、标定板;所述标定板用于对测头进行标定;所述测头包括散斑投射器、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元;所述散斑投射器包括闪光灯、菲涅尔透镜、散斑片、散斑镜头;所述菲涅尔透镜将闪光灯的发散光转换为平行光;所述平行光射向散斑片，将所述散斑片上的散斑图案经散斑镜头投射到三维扫描对象上;所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集三维扫描对象上的散斑图像;所述彩色相机单元用于采集三维扫描对象的彩色图像。
[0007]进一步地，所述菲尼尔透镜和散斑片使用环形基板固定;所述环形基板内设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述菲涅尔透镜嵌设于所述第一环形凹槽内，所述散斑片嵌设于所述第二环形凹槽内；所述环形基板通过连接件与镜头盖板固定。
[0008]更进一步地，所述镜头盖板一侧与闪光灯连接，另一侧与镜头立柱固定;所述镜头立柱呈倒L形，包括基座和支架;所述基座用于支撑散斑投射器;所述支架一侧与镜头盖板固定，另一侧与镜头底座的一端固定;在镜头底座的另一端通过螺纹与镜头转接环连接;在镜头转接环上通过螺纹与散斑镜头连接;通过旋转所述镜头转接环能够改变散斑镜头与镜头底座之间的距离。
[0009]优选地，所述散斑片使用数字化设计软件绘制散斑位图图案，然后采用激光雕刻法在玻璃上雕刻而成，用于提供投影所用散斑图案。
[0010]更优地，所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器使用控制单元控制触发;所述控制单元在触发散斑投射器的同时，触发第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集散斑图像;所述控制单元在散斑投射器投射结束时，触发彩色相机单元采集彩色图像。
[0011 ]特别地，所述控制单元控制散斑投射器的投斑时间为0.05S-0.2s。
[0012]本公开中的散斑投射器投射的散斑图案，替代了传统的喷漆制斑方法，无毒无污染，非常适用于采集人体散斑，特别是用于采集人体面部散斑，并且散斑投射器采用普通白光，在用于人体面部三维扫描时，可避免对人体面部的伤害。所述散斑投射器使用的散斑片采用数字化设计软件绘制散斑位图图案，图案可以被精细绘制，进而提高了扫描精度。
[0013]进一步地，在采集图像时，所述第一黑白相机单元与第二黑白相机单元与散斑图案投射器同步触发，大大降低了投斑时间，缩短了扫描时间，而在应用于人体时，可以减少人体站立时间。而且，所述三维扫描装置使用控制单元控制触发第一黑白相机单元与第二黑白相机单元与散斑图案投射器，因而应用操作简单、扫描快。
[0014]一种上述三维采集装置的三维扫描系统:所述系统包括三维采集装置、数据处理设备;所述数据处理设备利用三维采集装置采集的图像数据重建出三维扫描对象。
[0015]优选地，所述控制单元控制三维采集装置将采集的图像数据经交换机输出给数据处理设备。
[0016]优选地，所述彩色相机单元、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、交换机使用电源单元提供12V直流电源。
[0017]优选地，所述测头还包括基架和外壳;所述基架在外壳内；在所述基架上，用于放置彩色相机单元、第一黑白相机单元、散斑投射器、第二黑白相机单元、交换机。
[0018]在采用了上述三维采集装置的三维扫描系统，应用于人体扫描时，伤害小;应用数据处理设备重建三维对象，应用操作简单、扫描快;具有良好地实用性，能满足3D打印、激光内雕、生物医学等领域需求。
【附图说明】
[0019]图1为本公开一个实施例中环形基板上固定菲涅尔透镜与散斑片后的俯视图；
[0020]图2为本公开一个实施例中的散斑投射器结构不意图；
[0021 ]图3为本公开一个实施例中的测头结构示意图；
[0022]图4为本公开一个实施例中的三维扫描系统结构不意图。
【具体实施方式】
[0023]在一个实施例中，揭示一种三维采集装置:所述三维采集装置包括测头、标定板；所述标定板用于对测头进行标定;所述测头包括散斑投射器、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元;所述散斑投射器包括闪光灯、菲涅尔透镜、散斑片、散斑镜头;所述菲涅尔透镜将闪光灯的发散光转换为平行光;所述平行光射向散斑片，将所述散斑片上的散斑图案经散斑镜头投射到三维扫描对象上;所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集三维扫描对象上的散斑图像;所述彩色相机单元用于采集三维扫描对象的彩色图像。
[0024]所述三维采集装置可对任意物体进行三维数据采集。本公开中的散斑投射器投射的散斑图案，替代了传统的喷漆制斑方法，无毒无污染，非常适用于采集人体散斑，特别是用于采集人体面部散斑。其中，闪光灯采用普通白光，以及非接触投斑方式，在用于人体面部三维扫描数据采集时，可避免对人体面部的伤害。由于闪光灯瞬时光强高，可以抵消环境光对投射散斑的影响，所述菲涅尔透镜用于将闪光灯发出的束光源调整为平行光，可以提高整体亮度的均匀性。
[0025]在一个实施例中使用了菲涅尔透镜与散斑片的一种固定方式，S卩:所述菲尼尔透镜和散斑片使用环形基板固定;所述环形基板内设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述菲涅尔透镜嵌设于所述第一环形凹槽内，所述散斑片嵌设于所述第二环形凹槽内，图1示意了菲涅尔透镜与散斑片在环形基板上固定后的俯视图。所述环形基板通过连接件与镜头盖板固定。在一种优选方式中，所述环形基板上有4个螺纹孔，在镜头盖板上有4个对应的通孔，所述环形基板与镜头盖板通过螺钉连接。在另一种优选方式中，所述镜头盖板和环形基板直接通过螺纹连接。
[0026]在一个实施例中介绍了散斑投射器的一种结构方式。所述镜头盖板一侧与闪光灯连接，另一侧与镜头立柱的支架的一侧固定;在镜头立柱的支架的另一侧与镜头底座的一端固定;镜头立柱的支架位于镜头立柱的基座上;在镜头底座的另一端通过螺纹与镜头转接环连接;在镜头转接环上通过螺纹与散斑镜头连接;通过旋转所述镜头转接环能够改变散斑镜头与镜头底座之间的距离。其中，所述镜头盖板、闪光灯、镜头立柱、镜头底座、镜头转接环以及散斑投射器的连接方式如图2所示。
[0027]在这个实施例中，提供了方便使用散斑投射器的闪光灯、菲涅尔透镜、散斑片、散斑镜头的一种组装方式，组装件的基板、镜头盖板、镜头立柱以及镜头底座不影响散斑投射器的散斑投射。各部分之间的固定方式可以是卡接、扣接、还可以是通过螺钉螺母的配合连接等方便拆卸的方式。所述镜头转接环能够旋转改变散斑镜头与镜头底座之间的距离，进而调节菲涅尔透镜与散斑镜头之间的距离，使经菲涅尔透镜的散斑图像成像在散斑透镜的景深范围内。所述散斑镜头通过调节快门可以使散斑图像具有合适的亮度，而通过调节散斑镜头的焦距可以使散斑图像成像清晰。
[0028]优选地，所述散斑片使用数字化设计软件绘制散斑位图图案，然后采用激光雕刻法在玻璃上雕刻而成，用于提供投影所用散斑图案。通过数字化设计软件绘制的散斑位图图案精细，可以提高人体面部扫描精度。在一个实施例中，采用Photoshop进行散斑位图绘制。
[0029]进一步地，所述彩色相机单元包括一个镜头和一台彩色相机;所述第一黑白相机单元包括一个镜头和一台黑白相机;所述第二黑白相机单元包括一个镜头和一台黑白相机。所述彩色相机、黑白相机为工业相机。
[0030]这里第一黑白相机单元和第二黑白相机单元的黑白相机参数相同。在应用时，若在采集散斑过程中，需要改变采集对象的位置，为避免重新标定，所述彩色相机单元可以根据需要增加，所述第一黑白相机单元和第二黑白相机单元也均可根据需要增加。
[0031]在一个实施例中，所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器使用控制单元控制触发。进一步地，对散斑投射器的触发控制为对闪光灯的触发控制。
[0032]采用控制单元控制触发，可以保证第一黑白相机单元、第二黑白相机单元与散斑投射器同时触发，在第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集完散斑后，又能快速触发彩色相机单元采集彩色图像，有效缩短扫描时间，避免因人体晃动而带来的投影误差。
[0033]对于所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器与控制单元之间的连接方式，在一个实施例中，所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器通过控制线与控制单元连接。在另一个实施例中，所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器通过无线方式与控制单元相互通信。特别地，在一个实施例中，闪光灯提供触发接口，将闪光灯通过控制线与控制单元连接。在另一个实施例中，闪光灯的触发接口具有无线通信功能，能够与控制单元相互通信。
[0034]为了能精准控制所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器的触发时间，优选地，所述控制单元控制散斑投射器的投斑时间为0.05s-0.2s，并在散斑投射器投斑结束时，触发彩色相机单元。在一个实施例中，所述散斑投射器与第一黑白相机单元、第二黑白相机单元同步触发;所述散斑投射器投斑时间0.1s;在所述第一黑白相机单元触发后0.1s，所述彩色相机单元触发。所述散斑投射器投斑时间0.1s，人体反映时间约0.2s，可以避免因人体晃动而带来的投影误差。
[0035]下面实施例介绍应用上述三维采集装置的三维扫描系统。
[0036]在一个实施例中，将上述三维采集装置应用在一种三维扫描系统中，所述系统包括三维采集装置、数据处理设备;所述数据处理设备利用三维采集装置采集的图像数据重建出三维扫描对象。所述三维扫描系统可应对任意物体进行三维扫描，本实施例中以对人体面部进行三维扫描为例说明本系统的具体结构及原理。
[0037]在这个实施例中，具体地，所述三维采集装置包括测头、标定板;所述标定板用于对测头进行标定;所述测头包括散斑投射器、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元;所述散斑投射器包括闪光灯、菲涅尔透镜、散斑片、散斑镜头;所述菲涅尔透镜将闪光灯的发散光转换为平行光;所述平行光射向散斑片，将所述散斑片上的散斑图案经散斑镜头投射到人体面部;所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集人体面部散斑图像;所述彩色相机单元用于采集人体面部彩色图像。由于利用标定好的测头向人体面部投射散斑图案，替代了传统的喷漆制斑方法，对人体无毒。散斑投射器采用普通白光，可以避免对人体面部的伤害。所述数据处理设备利用第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集的人体面部散斑图像以及所述彩色相机单元的人体面部彩色图像重建出人体面部三维点云数据。
[0038]由于所述彩色相机单元、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、交换机使用12V直流电源，需要单独提供电源，优选地，在三维采集装置中或者在三维扫描系统中使用一个电源单元提供12V直流电源。为方便管理装置，在一个实施例中，将所述电源单元和控制单元封装在控制箱中。
[0039]为便于装卸使用，优选地，在三维采集装置中或者在三维扫描系统中所述测头还包括基架和外壳。对于三维采集装置，所述基架在外壳内；在所述基架上，用于放置彩色相机单元、第一黑白相机单元、散斑投射器、第二黑白相机单元。对于三维扫描系统，还可以将交换机也放置在基架上，如图3所示。
[0040]下面实施例结合图4进行说明。在这个实施例中，选择计算机作为数据处理设备，所述三维扫描系统包括所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、交换机、电源单元、控制单元、散斑投射器、标定板。其中，所述标定板用于对第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元进行标定。所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、交换机与电源单元相连，所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元以及散斑投射器通过控制线与控制单元相连;所述控制单元通过USB线与计算机相连;所述交换机通过网线与所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、计算机相连。在计算机中编写程序驱动控制单元工作，将控制命令通过USB线发给控制单元，控制单元再通过控制线控制第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、散斑投射器以及彩色相机单元工作。比如通过计算机下发扫描命令给控制单元，控制单元同步触发第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、散斑投射器，其中，散斑投射器投斑时间为0.1S，这样大大降低了投斑时间，缩短了人体站立扫描时间。在散斑投射器关闭后，将彩色相机单元触发，可在极短时间内获取人体面部彩色图像。采集后的图像通过交换机输出给计算机处理。
[0041 ]在整个过程中，散斑投射器投斑，第一黑白相机单元、第二黑白相机单元以及彩色相机单元采集图像，数字图像传输均通过计算机中编写程序驱动控制单元实现，便于操作人员使用，实现了人体面部三维光学非接触式数字化信息的采集。这里的计算机可以是其它数据处理设备。
[0042]由此可见，本公开三维扫描系统应用简单、扫描精度高、扫描快，应用于人体时，伤害小，能满足3D打印、激光内雕、生物医学等领域需求，具有良好地实用性。
[0043]以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
【主权项】
1.一种三维采集装置，其特征在于: 所述三维采集装置包括测头、标定板； 所述标定板用于对测头进行标定； 所述测头包括散斑投射器、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元； 所述散斑投射器包括闪光灯、菲涅尔透镜、散斑片、散斑镜头； 所述菲涅尔透镜将闪光灯的发散光转换为平行光；所述平行光射向散斑片，将所述散斑片上的散斑图案经散斑镜头投射到三维扫描对象上； 所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集三维扫描对象上的散斑图像； 所述彩色相机单元用于采集三维扫描对象的彩色图像。2.根据权利要求1所述的三维采集装置，其特征在于: 优选的，所述菲尼尔透镜和散斑片使用环形基板固定； 所述环形基板内设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述菲涅尔透镜嵌设于所述第一环形凹槽内，所述散斑片嵌设于所述第二环形凹槽内； 所述环形基板通过连接件与镜头盖板固定。3.根据权利要求2所述的三维采集装置，其特征在于: 所述镜头盖板一侧与闪光灯连接，另一侧与镜头立柱固定； 所述镜头立柱呈倒L形，包括基座和支架； 所述基座用于支撑散斑投射器； 所述支架一侧与镜头盖板固定，另一侧与镜头底座的一端固定； 在镜头底座的另一端通过螺纹与镜头转接环连接； 在镜头转接环上通过螺纹与散斑镜头连接； 通过旋转所述镜头转接环能够改变散斑镜头与镜头底座之间的距离。4.根据权利要求3所述的三维采集装置，其特征在于: 所述散斑片使用数字化设计软件绘制散斑位图图案，然后采用激光雕刻法在玻璃上雕刻而成，用于提供投影所用散斑图案。5.根据权利要求1所述的三维采集装置，其特征在于: 所述第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、彩色相机单元、散斑投射器使用控制单元控制触发； 所述控制单元在触发散斑投射器的同时，触发第一黑白相机单元、第二黑白相机单元采集散斑图像； 所述控制单元在散斑投射器投射结束时，触发彩色相机单元采集彩色图像。6.根据权利要求5所述的三维采集装置，其特征在于: 所述控制单元控制散斑投射器的投斑时间为0.05s-0.2s。7.一种应用权利要求5-6任一所述的三维采集装置的三维扫描系统，其特征在于: 所述系统包括三维采集装置、数据处理设备； 所述数据处理设备利用三维采集装置采集的图像数据重建出三维扫描对象。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于: 所述控制单元控制三维采集装置将采集的图像数据经交换机输出给数据处理设备。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于: 所述彩色相机单元、第一黑白相机单元、第二黑白相机单元、交换机使用电源单元提供12 V直流电源。10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于: 所述测头还包括基架和外壳； 所述基架在外壳内； 在所述基架上，用于放置彩色相机单元、第一黑白相机单元、散斑投射器、第二黑白相机单元、交换机。
【文档编号】G01B11/25GK106091985SQ201610397936
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】王永信, 卢秉恒, 梁晋, 冯超, 刘世凡
【申请人】西安交通大学