[发明专利]一种手持式快速三维扫描系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维建模领域，尤其涉及一种手持式快速三维扫描系统及方法。

背景技术

三维模型是物体的三维多边形表示方式，通常有可以用电脑或影片展示的电子版和用于直观展示实物大小、触感的实物两种。生成三维模型的方法有许多种，大体分为手动和自动两大类型。手动建模有精度高，自由度高的特点，但是由于建模软件的复杂性与耗时大的缺点，适用的场景局限。而自动建模则通过摄像头、超声波等方式大量采集物体的三维信息，并经过一系列算法后自动生成三维模型。该方法由于完全不需要人为介入，所以大量地应用在机器人上，比如SLAM(即时定位与地图构建)。随着三维模型越来越广泛地应用在自动驾驶、无人机避障、人机交互、虚拟现实等领域，通过扫描并采集物体/场景图像从而建模的这一算法流程也越来越重要。

采集物体三维坐标点的方法主要有两种：接触式与非接触式，而后者有可分为主动扫描与被动扫描两种。前者大量应用于早期工业快速反求工程中，但由于接触式扫描会在一定程度上对原物体造成损坏，因此并不适用与贵重物体或脆弱物体的扫描。另外相对与别的方式，接触式方法要求扫描周期更长。

非接触被动式扫描，并不投射额外能量到物体上，取而代之的是通过采集被测物体表面反射的自然光的方法已达到测量的目的。实际采集过程中，手持摄像机缓慢地环绕物体进行拍摄，通过特征点、多视图几何或者镜头姿态解算等方法对实际物体进行建模。现有技术中，通过提取清晰轮廓的方法来解决单目环绕扫描时会出现的环缺失问题(Loop closure problem)和累计误差，从而得到精度较高、质量较好的三维模型。由于整个算法都是基于累计误差较小的前提下，也就是说摄像头移动范围小，速度慢的限制条件，所以该算法也只使用于较小物体的扫描。

而立体视觉法也是非接触式被动扫描方法中研究的重要内容之一，其方式是通过双目系统采集多幅图像，并根据同一时间拍摄的两帧图像中同一物体的位置差计算出深度图从而进行三维重构。该方法由于只用到两个摄像头，结构模型也相对简单而成本也低，所以立体算法是在视觉算法中最被常用的方法。但是由于其原理是在左右画面中寻找同一特征点的位置差，因此在纹理简单或者物体遮挡区域完全失效。

现有的双目扫描方案通常使用额外再被扫描物体上粘贴用于辅助识别的标记点或者向被扫描物体上投射线激光等方式来提高扫描精度和降低算法复杂度。

另外由于激光条纹对于双目采集图像的影响，该方法也无法准确还原出物体的色彩。该方法较之主动式扫描方法精度差，但由于其受自然光照影响较小的原因，更适用于自然光照条件下高纹理的户外环境建模。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种可实现快速、无粘贴标记且带色彩还原的三维建模效果的手持式快速三维扫描系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种手持式快速三维扫描系统，包括手持主体、按设定距离设置在所述手持主体上的深度相机和色彩相机、获取所述手持主体实时姿态数据的姿态获取模块、以及融合模块；

所述深度相机用于采集被测物体的实时深度图像数据；所述色彩相机用于采集被测物体的实时色彩图像数据；

所述融合模块与所述深度相机、色彩相机和姿态获取模块连接，用于融合同一时刻的所述实时深度图像数据、实时色彩图像数据和实时姿态数据，以得到三维图像数据。

优选的，所述手持主体包括上部空腔、以及连接支撑所述上部空腔的手柄；

所述深度相机和色彩相机并排紧邻设置在所述上部空腔中，以基本消除所述深度相机和色彩相机采集的图像视差。

优选的，所述姿态获取模块包括设置在所述手柄中的第一感测单元、和/或设置在所述上部空腔中的第二感测单元；所述第一感测单元和/或第二感测单元包括陀螺仪、加速度传感器、地磁仪中的一个或多个；或者

所述姿态获取模块包括姿态运算单元，用于计算相邻帧图像的移动以获取所述实时姿态数据。

优选的，所述融合模块包括超像素还原单元，用于将所述实时深度图像数据与所述实时色彩图像数据建立关联，为所述实时色彩图像数据的每个像素赋予对应的所述实时深度图像数据，以得到三维色彩点云。

优选的，所述融合模块还包括姿态解算单元，用于计算光流场，并结合所述实时姿态数据进行姿态解算，以得到每一时刻的图像对应的实时姿态数据和相邻帧图像之间的变换矩阵。

优选的，所述姿态解算单元包括光流场传感器，用于实时计算光流场；或者，