CN107576277B - 一种3d空间扫描成像系统及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于扫描技术领域，特别是涉及一种3D空间扫描成像系统及其成像方法。本发明提出一种3D空间扫描成像系统及其成像方法，根据光的干涉原理测量出被测物体各点到光源的3D空间距离，并根据这些点的坐标生成3D图像，即利用测量装置向被测物体发射两束相同频率的单色光源，该两束光源在相遇时会产生明亮相间的干涉条纹，同时以一定的角度转动，在被测物体表面会产生干涉条纹亮度远大于非物体表面亮度，检测到亮度大于一定阀值时，此时记录下两束光源的角度，因为两束光源的距离是固定已知的，根据三角函数即可计算出被测物体与测量装置的距离，最终形成物体的3D图像。
Description
技术领域
本发明属于扫描技术领域，特别是涉及一种3D空间扫描成像系统及其成像方法。
背景技术
三维扫描的基本定义是通过一定方法获取被扫描物体的几何构造和表面图像。目前三维扫描的方法较多，而三维扫描应用的领域有：（1）逆向工程。通过三维扫描获取物品三维信息，然后输入到软件中进行修改，完善，最后得到精确的三维模型。（2）产品检测。三维扫描被应用于生产线上，检测产品的形状，控制产品的质量。（3）生物医疗领域。例如牙齿矫正，器官复制等。（4）考古领域。例如文物复制。
三维扫描的发展，使得之前从草稿画起的三维建模过程大大加速，缩短了对现实物品建模的周期，简化了工业，医疗以及其他相关产业的设计开发过程。三维扫描技术在近几年来逐渐从工业设计、生物医药、数字文物典藏等领域走入日常生活中,利用简单设备获取较高质量三维模型的三维扫描系统不断涌现。
目前3D空间扫描成像方法采用一种三维结构光扫描技术，即利用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时通过光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个照相机公共视区内像素点的三维坐标。其具有以下缺陷与不足：精度不高：测量精度在1mm以上；测量距离短：测量的距离短，小于3m；测量范围小：测量的物体体积小于：长宽高1m*1m*1m；测量效率低：成像时间为5s/m2；成本高：由于采用了线阵相机，价格昂贵。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种3D空间扫描成像系统及其成像方法，根据光的干涉原理测量出被测物体各点到光源的3D空间距离，并根据这些点的坐标生成3D图像，即利用测量装置向被测物体发射两束相同频率的单色光源，该两束光源在相遇时会产生明亮相间的干涉条纹，同时以一定的角度转动，在被测物体表面会产生干涉条纹亮度远大于非物体表面亮度，检测到亮度大于一定阀值时，此时记录下两束光源的角度，因为两束光源的距离是固定已知的，根据三角函数即可计算出被测物体与测量装置的距离，最终形成物体的3D图像。
本发明的具体技术方案为：
一种3D空间扫描成像系统，所述的3D空间扫描成像系统包括单色激光发射装置、同频光源分光装置、光束方向扫描装置、光强检测装置、实时计算处理单元，其中：
所述的单色激光发射装置采用单线性、高精度的线性光源，其线体光束直径为0.1mm；
所述的同频光源分光装置设置在单色激光发射装置的发射端前方，将单色线性激光一分为二，得到两束同频光束；
所述的光束方向扫描装置设置在分离原始光束前方20MM处，与原始光斑成75度平角，约93MM距离处，使分出的同频光束以设定的频率在1-90度之间来回谐波摆动；
所述的光强检测装置设置在两个同频光束扫描中间处，与原始光束约18MM-25MM处，其对物体表面出现的强光斑（光强≥500LUX）进行光强检测；
所述的实时计算处理单元与光强检测装置相连，对光强检测装置检测到的数据进行处理。
作为优选，进一步，所述的单色激光发射装置采用单色绿光或红光。
作为优选，进一步，所述的同频光源分光装置分离得到两束同频光束的距离为180mm。理论上这个距离越大越精确，但由于现代制造工艺与精度的综合考虑，这里选取180MM。
作为优选，进一步，所述的光强检测装置过滤的光斑强度为500LUX
作为优选，进一步，所述的实时计算处理单元采用FPGA或ARM或DSP处理器，其具体处理步骤为：
设Dc为两束同频激光线性光束距离；A1、A2为两束同频激光线在光束方向扫描装置的偏转角α1,α2，由此得出距离d1，d2：
d12=d2*Dc*cos(A2)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
d22=d1*Dc*cos(A1)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
Dc,A1,A2已知，可求出d1,d2的值，由此可以解出光束离被测物体的坐标。
利用上述3D空间扫描成像系统对被测物体进行3D扫描，其具体步骤为：
1）利用光束离被测物体的坐标获取光束离被测物体的坐标采样点；
2）利用步骤1）采集空间一条直线上不同时刻的采样点，由时间轴构成第三维，不同时刻采集的数据组合起来就形成了整个三D空间的数据。
有益效果
与传统的3D空间扫描成像系统相比，本发明的技术方案具有以下优点，具体表现在：
1.精度更高：测量精度在0.05mm以上(测量距离在2m以内)；
2.测量距离范围更大：0.001m-1000m；
3.测量范围更大：长宽高1000m*1000m*1000m；
4.测量效率更高：成像时间为5ms/m
5.设备成本低：由于不采用了线阵相机，且结构简单，设备造价便宜。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明的结构框图；
图3为基于车载装饰品区域图像稀疏编码的车辆检索方法流程图，
1-单色激光发射装置、2-同频光源分光装置、3-光束方向扫描装置、4-光强检测装置、5-实时计算处理单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的3D空间扫描成像系统包括单色激光发射源（线性激光发生器），同频光源分光装置，光束方向扫描装置，光强检测装置，实时计算处理单元等部件，如图1所示
1）单色激光发射源：为系统提供单线性，高精度的线性光源，光斑约为0.1毫米大小的线体光束，聚集性好，20米以内光斑扩散率在1%以内。可采用单色绿光或红光，能量要小，不能高能量以免烧坏被测物体。
2）同频光源分光装置：将单色线性激光一分为二，并相距一定的距离，理论上两束分离的光的距离任意距离都可以，但考虑到实际加工精度与误差，距离宜适当大此。建议180mm左右。同时分出来的同频率光需要传输到合适的距离在这里为180mm。这里记为Dc(Dc=180.00mm).
3）光束方向扫描装置：分出的同频光束，需要以一定的频率在1-90度之间来回谐波摆动，具体的角度范围与测量的距离有光，当两束光的角度平行时，永远不会有光的干涉，角度越小测的最大距离越长，角度越大，测的最大距离越短。角度依次记为α1,α2.
4）光强检测装置：当光束在空中（非物体表面）干涉时也会出现光斑，但光强不及在物体表面，这为干涉项，光强检测装置应当将其过滤掉。只有在物体表面出现的强光斑才作为光强检测到的条件，记为B=1，其它干涉时记B=0
5）实时计算处理单元：采用微处理器（FPGA或ARM或DSP处理器）以K的频率采集光强检测装置数据，如果转动频率=1KHz，转动扫描装置的角度范围为0.5-30.5度，采样度为0.01度，则K=(30.5-0.5)/0.01*2*1000=6000000的处理速度，结果处理法如图2所示：
Dc为两束同频激光线性光束距离；
A1A2为α1,α2.由此得出距离d1，d2；
d12=d2*Dc*cos(A2)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
d22=d1*Dc*cos(A1)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
Dc,A1,A2已知，可求出d1,d2的值；由此可以解出光束离被测物体的坐标。
本发明是利用光的干涉原理测量出被测物体各点到光源的3D空间距离，并根据这些点的坐标生成3D图像。即利用测量装置向被测物体发射两束相同频率的单色光源（利用分光装置分离同一频率的光束），该两束光源在相遇时会产生明亮相间的干涉条纹（光斑）。然后，，同时又以一定的角度转动，在被测物体表面会产生干涉条纹（光斑）亮度远大于非物体表面亮度，检测到亮度大于一定阀值时，此时记录下两束光源的角度，因为两束光源的距离是固定已知的，根据三角函数即可计算出被测物体与测量装置的距离，以1KHz-100KHz的频率转动光束，则可以连续扫出周围的物体3D距离。通过这些距离的坐标可以形成物体的3D图像，利用上述3D空间扫描成像系统对被测物体进行3D扫描，其具体步骤为：由前述5得道空间一条直线上的采样点，由时间轴构成第三维，不同时刻采集的数据组合起来就形成了整个三D空间的数据。
与传统的3D空间扫描成像系统相比，本发明的技术方案具有以下优点，具体表现在：精度更高：测量精度在0.05mm以上(测量距离在2m以内)；测量距离范围更大：0.001m-1000m；测量范围更大：长宽高1000m*1000m*1000m；测量效率更高：成像时间为5ms/m；设备成本低：由于不采用了线阵相机，且结构简单，设备造价便宜。
最终，以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种3D空间扫描成像系统，其特征在于，所述的3D空间扫描成像系统包括单色激光发射装置、同频光源分光装置、光束方向扫描装置、光强检测装置、实时计算处理单元，其中：
所述的单色激光发射装置采用单线性的线性光源，其线体光束直径为0.1mm；
所述的同频光源分光装置设置在单色激光发射装置的发射端前方，将单色线性激光一分为二，得到两束同频光束；
所述的光束方向扫描装置设置在分离原始光束前方20MM处，与原始光斑成75度平角，使分出的同频光束以设定的频率在1-90度之间来回谐波摆动；
所述的光强检测装置设置在两个同频光束扫描中间处，距原始光束18MM-25MM处，其对物体表面出现的亮度高于500LUX的光斑进行光强检测；
所述的实时计算处理单元与光强检测装置相连，对光强检测装置检测到的数据进行处理；
所述3D空间扫描成像系统的工作过程如下：向被测物体发射两束相同频率的光束，该两束光束在相遇时会产生明亮相间的干涉条纹，在被测物体表面产生的干涉条纹亮度远大于非物体表面亮度，检测到亮度大于一定阈值时，此时记录下两束光束的角度，因为两束光束的距离是固定已知的，根据三角函数即可计算出被测物体与测量装置的距离，以1KHz-100KHz的频率转动光束，则可以连续扫出周围的物体3D距离，通过这些距离的坐标可以形成物体的3D图像。
2.根据权利要求1所述的一种3D空间扫描成像系统，其特征在于：所述的单色激光发射装置采用单色绿光或红光。
3.根据权利要求1所述的一种3D空间扫描成像系统，其特征在于：所述的同频光源分光装置分离得到两束同频光束的距离为180mm。
4.根据权利要求1所述的一种3D空间扫描成像系统，其特征在于：所述的光强检测装置过滤的光斑强度为高于500LUX的强度。
5.根据权利要求1所述的一种3D空间扫描成像系统，其特征在于：所述的实时计算处理单元采用FPGA或ARM或DSP处理器，其具体处理步骤为：
设Dc为两束同频激光线性光束距离；A1、A2为两束同频激光线在光束方向扫描装置的偏转角α1,α2，由此得出距离d1，d2：
d12=d2*Dc*cos(A2)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
d22=d1*Dc*cos(A1)+d1*d2*cos(180-A1-A2)；
Dc,A1,A2已知，可求出d1,d2的值，由此可以解出光束离被测物体的坐标。
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