扫描设备及用于定位扫描设备的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于扫描对象，尤其是用于扫描对象的3D表面的扫描设备。
[0002]此外，本发明涉及一种用于关于要被扫描的对象定位扫描设备的方法。
【背景技术】
[0003]扫描设备通常利用图像传感器收集从对象反射的光，以生成对象的图像。图像传感器将光能转换为电荷，并且最后转换为表示光的颜色和强度的比特组。得到的数字图像例如是诸如纸的相对平坦对象的二维图像，所述相对平坦对象例如被放置在平台式扫描器上。
[0004]3D扫描是将对象的几何形状或形式转换为数据点集的技术。每个点可以表示被扫描的对象的表面在三维空间中的实际点。收集到的数据能够用于构建数字、三维模型。收集到的3D数据可广泛用于各种应用。例如，娱乐行业在制作电影和数字游戏中广泛使用3D扫描技术。该技术的其他常见应用包括工业设计、矫形和假体、逆向工程和成型技术、质量控制/检查以及文化产品的记录。
[0005]尤其是，能够收集人脸的3D数据。捕获到的面部轮廓和几何结构能够用于设计面罩，所述面罩应用于包括CPAP (持续气道正压通气)的许多医学领域中。对面部轮廓的精准3D建模使得对避免空气泄漏问题的合适的面罩的制造容易，空气泄漏能够导致眼部刺激。
[0006]存在能够用于建立3D扫描设备的许多不同技术。一种公知的分类方法将所述扫描技术划分为两种类型:接触式3D扫描和非接触式3D扫描。
[0007]接触式3D扫描器通过物理接触来探查对象，同时对象与精确平坦表面板接触或静止在精确平坦表面板上。该类型的扫描技术主要用在制造中并且能够非常精确。接触式扫描的缺点是其需要与被扫描的对象接触。因此，对象在扫描过程期间可能会被改变或被损伤。此外，相比于其他扫描方法，该扫描技术通常很慢。此外，不期望使用这样的3D接触式扫描器来扫描人脸的面部轮廓。
[0008]3D扫描技术的另一种常见种类是有源非接触式扫描。有源意味着各自的扫描器发出特定类型的编码的、结构化的或非编码的能量(例如，光)，并且检测所述能量在被扫描的对象处的反射，以便探查对象并且捕获对应的3D表示。
[0009]有源非接触型3D扫描器最常基于对三角测量法的使用。在该情况下，扫描器例如将激光射束引导在对象上，并且使用相机来寻找激光点的位置。取决于激光多么远地撞击对象的表面，激光点出现在相机的视场中的不同位置处。基础技术因为激光点、相机及激光发出器形成三角形而被称为三角测量法。
[0010]代替于单个激光点，光的图样能够被投射在对象上。该类型的扫描器被称为结构化的光扫描器，并且能够被视为有源非接触式扫描器。图样可以是诸如线的一维图样或诸如网格的二维图样或线条纹图样。例如使用LCD投影器将光图样投射到对象上。从图样投影器稍微偏移的相机捕获从相机视角查看到的结构化的光。此外，分析捕获到的图像并且评估图样失真。借助于基于三角测量法的算法，来计算到图样的每个点的距离。通过在对象的表面上扫描光图样，能够得到对象的3D表示。结构化的光3D扫描器提供非常快速的扫描。代替于同时扫描一个点或一条线，结构化的光扫描器能够一次扫描多个点或多条线或整个视场。
[0011]然而，为了采集合适的扫描，扫描器应当被定位于距对象特定的距离和/或角处。为了适当地对齐扫描器，公知地，例如使用静态目标图样，所述静态目标图样包含需要通过移动及旋转手持扫描器来与面部特征对齐的标记物。作为范例，患者的面部的眼睛需要与所投射的圆对齐，而十字需要与鼻尖对齐。然而该对齐流程仅提供相当不准确的结果，并且已被发现对于使用这样的扫描器的睡眠技师而言并不足够直观。此外，如果对象和扫描器能够自由移动(例如，借助于手持扫描器在没有颏支撑器的情况下扫描人的头部)，则用户在评估合适的扫描位置中可能会有困难。因此，需要特定形式的反馈或辅助，来关于要被扫描的对象正确地定位扫描设备。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的目的是提供辅助用户来找到扫描设备的关于被扫描的对象的正确位置和/或取向的扫描设备和方法。
[0013]在本发明的第一方面中，提供了一种用于扫描对象的扫描设备，所述扫描设备包括:投射单元，其用于将对齐图像投射到所述对象上，所述对齐图像包括主图样；图像捕获单元，其用于捕获所述对象的实况相机图像，所述实况相机图像包括所述主图样的衍生图样，所述衍生图样表示从所述图像捕获单元视角查看到的所投射的所述对齐图像；以及对齐单元，其用于基于捕获到的实况相机图像来提供对所述扫描设备的关于被扫描的对象的正确位置和/或取向的指示。
[0014]在本发明的又一方面中，提供了一种用于关于要被扫描的对象定位扫描设备的方法，其中，所述方法包括:将对齐图像投射到所述对象上，所述对齐图像包括主图样；捕获所述对象的实况相机图像，所述实况相机图像包括所述主图样的衍生图样，所述衍生图样表示从图像捕获视角查看到的所投射的所述对齐图像；基于捕获到的实况相机图像来提供对所述扫描设备的关于被扫描的对象的正确位置和/或取向的指示；并且基于所提供的指示来改变所述扫描设备的位置和/或取向，使得当重复前面的步骤时，所述扫描设备基本上占据所述正确位置和/或取向。
[0015]所述扫描设备的所述投射单元能够例如是能够将包括所述主图样的所述对齐图像投射到所述对象上的LCD投影器或者任何其他稳定光源。通常，电荷耦合器件或CMOS传感器用作所述图像捕获单元，以用于捕获所述实况相机图像。由于所述扫描设备是基于结构化的光原理的，因而所述投射单元将光的图样投射到所述对象上并且评估在所述对象上的所述图样的变形，以便得到被扫描的对象的3D表示。为了采集精确扫描并且为了确保要被扫描的对象在扫描器的操作范围内，必须关于所述对象对齐所述扫描设备的位置和/或取向，即，所述扫描设备必须被定位于距所述对象的特定距离/角范围处。用户能够通过基于所提供的指示而仅相对于所述对象移动所述扫描设备，来非常容易地对齐所述位置和/或取向。为了提供所述指示，所述扫描设备可以评估捕获到的实况相机图像，并且可以基于所述评估来确定所述扫描设备的可能的未对齐。在该情况下，所述指示包括与所确定的未对齐有关的信息。备选地，由所述扫描设备的操作者基于所述指示来评估所述扫描设备从所述正确位置和/或取向的偏离，其中，在提供所述指示之前，所述扫描设备并不评估所述扫描设备的对齐。由于低复杂性，所述扫描设备的提出的对齐能够非常快速地被执行。
[0016]从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。
[0017]在第一实施例中，所述投射单元被配置为投射静态主图样，其中，所述对齐单元是叠加单元，所述叠加单元被配置为通过将捕获到的实况相机图像与所述静态主图样叠合，来更新所述对齐图像，如果所述静态主图样与所述衍生图样在经更新的对齐图像中基本上符合，则所述经更新的对齐图像指示所述扫描设备的关于所述被扫描的对象的所述正确位置和/或取向。换言之，所述扫描器的用户直观地理解，一旦所述静态主图样与所述衍生图样在所述经更新的对齐图像中基本上符合，所述扫描设备就被合适地对齐。在该实施例中，不必将复杂算法实施在所述扫描设备中来评估所述扫描设备的正确对齐。相比于自动对齐流程(其例如能够由于面部毛发以及造成模糊的相机图像的扫描器或对象的移动而失灵)，所提出的使用用户的潜意识视觉反馈的对所述扫描设备的人工对齐被视为非常鲁棒的解决方案。
[0018]在又一个实施例中，所述投射单元被配置为投射包括基本图样的主图样，其中，所述正确位置和/或取向是所述扫描设备的关于所述被扫描的对象的正确距离。所述基本图样例如能够包括圆以及相交在所述圆的中心处的两条线。从所述投射单元稍微偏移的所述图像捕获单元从图像捕获单元视角捕获所述基本图样。如果所述静态主图样与所述衍生图样在经更新的对齐图像中不符合，则到所述对象的距离没有被正确地设置。因此，用户必须将所述扫描设备移动为更接近或更远离所述对象。借助于叠合的图样，能够非常快速地并且以简单、直观且更加鲁棒的方式对齐所述扫描设备到要被扫描的对象的距离。
[0019]在又一个实施例中，所述投射单元被配置为投射包括所述基本图样以及补充图样的主图样，其中，所述正确位置和/或取向是所述扫描设备的关于所述对象的正确角度。除所述基本图样之外，所述主图样还能够包括所述补充图样，所述补充图样例如由被布置在所述基本图样的圆外部的两个不同侧上的两条额外的线构成。所述主图样，如该实施例中指定的，使所述扫描设备的关于所述被扫描的对象的位置和/或取向的对齐容易。所以，如果所述静态主图样与所述衍生图样在经更新的对齐图像中不符合，则用户也能够必须相对于所述对象旋转所述扫描设备。由所述对齐图像包括的所述静态主图样和所述衍生图样的视觉反馈实现所述扫描设备的角位置的快速、容易、直观并且更加鲁棒的对齐。
[0020]在另一个实施例中，所述扫描设备还包括处理单元，所述处理单元用于处理捕获到的实况相机图像，并且被配置为将经处理的实况相机图像提供到所述叠加单元。借助于所述处理单元，所述实况相机图像在其由所述主图样叠合之前，能够被调整。这实现经更新的对齐图像的改进的质量，并且因此方便所述扫描设备的关于所述对象的更加精确的对齐。
[0021]在又一个实施例中，所述处理单元被配置为缩放所述实况相机图像。所述缩放功能用于匹配所述图像捕获单元的纵横比与所述投射单元的纵横比。由于所述处理单元可以用于将所述投射单元的图形特性与所述图像捕获单元的图形特性同步，因而实现了所述投射单元与所述图像捕获单元的非常灵活的组合。此外，改进了静态主图样和实况相机图像的对齐的质量，从而方便所述扫描设备的更加精确的对齐。备选地，能够进一步增加缩放率，以改进视觉反馈的敏感度并且降低纹理鬼影。
[0022]在另一个实施例中，所述处理单元被配置为变换所述实况相机图像，使得当所述扫描设备被合适地对齐到校准对象时，所述主图样与所述衍生图样在经更新的对齐图像中基本上符合。在该实施例中，所述扫描设备提供首先关于校准对象对齐所述扫描设备的选项。针对该对齐对象，所述合适的距离和角是用户已知的。这意味着，如果所述扫描设备被定位于已知距离和角处，则所述静态主图样与所述衍生图样在经更新的对齐图像中理论上应当符合。如果所述图样不符合，那么所述处理单元被编程为变换所述实况相机图像，使得所述主图样与所述衍生图样最终在经更新的对齐图像中符合。找到的变换被存储并且被应用在视觉反馈回路中。该措施改进了视觉反馈。
[0023]在又一个实施例中，所述叠加单元被配置为:与应用到所述主图案相比，将不同亮度和/或颜色应用到捕获到的实况相机图像。不同亮度和/或颜色允许更