[发明专利]3D扫描以及定位系统

说明书

技术领域

本发明大体上涉及物体的表面几何形状的三维扫描的领域，并且更确切地说涉及结构光立体视觉。

背景技术

物体的表面几何形状的三维扫描以及数字化通常在许多工业以及服务中使用，并且所述三维扫描以及数字化的应用众多。物体的形状使用测距传感器来扫描并且数字化，所述测距传感器测量传感器与表面上的点集之间的距离。所述传感器从给定视点捕获物体的表面的一个部分。为了扩展经扫描部分或为了扫描整个表面，传感器或物体移动到若干视点中的一者并且获得在传感器与物体之间的所有相对位姿(Pose)之间的空间关系。存在用于测量并且计算这些空间关系的若干方法。这些方法中的一者利用目标，例如逆反射(retro-reflective)目标。美国专利第7,912,673号的系统在使用至少一对相机观察逆反射目标时，同时地在投射结构光的图形之后测量物体的表面形状。所述系统在累积单一模型坐标系中的目标的3D位置的模型时同时构建表面几何形状的模型。简化建模系统以允许利用单一相机进行操作同时保留整个系统的最多功能性将是有用的。

发明内容

根据本发明的一个广义方面，有可能使用单一相机连同投影仪，从单一视点捕获参考目标在表面上的3D位置以及可选地捕获其定向，同时捕获在全视场中的3D表面点。

根据本发明的另一广义方面，提供了具有相机、投影仪以及光源的系统，所述系统同时捕获3D表面以及逆反射目标的位置。

在一个实施例中，此系统用于通过整合每一帧中的3D点以及目标模型来获取物体的表面的3D模型。

在一个实施例中，实时地使用此系统，即所述系统是允许在获取期间运动的单次对焦系统。

根据本发明的另一广义方面，提供了用于获得与具有至少一个参考目标的参考目标集的表面有关的三维信息的系统，所述参考目标各自在靠近物体以及在物体上两者之一的固定位置处提供，所述系统包括：感测装置，所述感测装置具有：用于在表面上提供经投射图形的图形投影仪，以及用于从一个视点获取表面的2D图像的相机，所述相机与所述图形投影仪协作，其中参考目标集中的至少一个目标以及经投射图形的至少一部分在2D图像上是清楚的；存储器，所述存储器用于校准数据，所述校准数据包含相机以及图形投影仪的外部参数以及内部参数；图像处理器，所述图像处理器用于从2D图像提取经投射图形的表面点以及目标轮廓的2D图像坐标；3D表面点计算器，所述3D表面点计算器用于使用校准数据根据表面点的2D图像坐标计算表面点的3D坐标；3D目标计算器，所述3D目标计算器用于使用表面点的3D坐标以及校准数据根据目标轮廓的2D图像坐标计算参考目标的3D位置以及实际定向中的至少一个。

在一个实施例中，参考目标是逆反射目标，其中感测装置进一步包括用于照亮表面的光源，相机与所述光源协作。

在一个实施例中，光源是围绕相机的环形光源。

在一个实施例中，环形光源具有至少两个发光二极管(LED)。

在一个实施例中，图形投影仪是激光图形投影仪以及宽带图形投影仪中的一个。

在一个实施例中，图形投影仪以及相机被同步为同时提供经投射图形以及通过相机获取2D图像。

在一个实施例中，所述系统进一步包括目标模型存储器，所述目标模型存储器用于存储表面的目标的模型；目标匹配器，所述目标匹配器用于将目标与目标的模型的相同目标进行匹配并且产生刚性变换，所述刚性变换将感测装置的坐标系映射到目标模型的坐标系。

在一个实施例中，所述系统进一步包括目标变换器，所述目标变换器用于使用刚性变换将参考目标的3D位置变换成参考目标的经变换3D位置；目标模型构建器，所述目标模型构建器用于使用参考目标的经变换3D位置更新目标模型存储器中的目标的模型。

在一个实施例中，所述系统进一步包括表面点变换器，所述表面点变换器用于使用刚性变换将表面点的3D坐标变换成表面点的经变换3D坐标；表面重建器，所述表面重建器用于使用表面点的经变换3D坐标产生表面的表面模型。

在一个实施例中，所述系统进一步包括用户界面显示器，所述用户界面显示器用于显示表面的表面模型以及目标的模型两者中的至少一者。

在一个实施例中，感测装置适合于移位到多个不同的视点，并且其中相机在所述多个视点中的每一视点处获取2D图像，并且其中3D表面点计算器以及3D目标计算器使用来自2D图像中的至少两者的2D图像坐标。