[发明专利]一种于获取物体表面三维形貌的无线手持式三维扫描设备

说明书

技术领域

本发明属于物体表面几何形状的三维扫描领域，尤其是一种具有数据前端处理功能的无线手持三维扫描设备。

背景技术

物体表面的何形状的三维扫描和数字化技术现在被普遍地应用于很多工业和服务中，它的应用领域是非常广泛的。这些应用领域的一些例子如下：工业生产系统中的外形一致性检查和测量；工业造型设计中的设计模型和样件的数字化；具有复杂几何形状的零部件的逆向工程；多媒体和游戏应用中的交互式虚拟现实技术；文物，艺术品等高价值物品的非接触三维数字化。

测距传感器可以测量传感器和物体表面上一组点之间的距离，从而获得目标表面上各点在传感器坐标系上的三维坐标。但此时获得的三维坐标集合仅仅是表面可见部分的距离测量。为了完整的获得整个物体的数字化形状，传感器必须移动视角以覆盖整个物体表面。根据各个视角在全球公用坐标系统上的方位以及对应视角传感器坐标系上的局部三维坐标，旋转平移组合全部的局部坐标集合，即可以获得整个目标物的完整数字化外部形状。

关于测距传感器发展了很多不同的理论，其中，干涉度量法(interferometry)，飞行时间(TOF)和多视角摄影测量法的原理是公知的理论，根据精度要求、传感器和物体之间的距离以及景深要求，每一种理论都有其适用的范围。

我们特别关注基于多视角摄影测量原理的测距传感器，此类传感器通常适用于近距离测量，尤其是分米～米长度级别的距离测量。此类方法模拟生物的立体双目视觉，人们必须从两个不同视角收集同一目标的两个观测值，这两个视角相对位置固定。综合视角顶点的连线和两个光线方向，可以获知被观测点的相对位置，即使用三角形中的一条边长和两个角求解三角形顶点。进一步的，如果用在己知方向上发射一组光线的光线投影器来替代光线检测器，那么使用投影器的方向线替代双目方案的其中一个视角，也可以检测光线求解三角形。

光线投影器的使用替代了图像目标物的复杂检测，同时可以提供密集的表面点测量集。典型的光源有投射点光线、光照平面或其他简单几何图案排布的激光光源。CCD和CMOS数码相机是最常用的光线检测器。

扫描一个物体的就是要收集物体表面上点的信息，并将其构造成曲线(轮廓)或深度图像的形式。为了扫描物体的整个表面，需要移动传感器实现全方位覆盖。一般来说，传感器通常至少包含一个光线检测器和一个投影器，且光线检测器和投影器是刚性集成的。通过利用机械系统带动或手持围绕物体转动扫描，非常适合快速扫描物体或物体必须在现场扫描的情况。

以上步骤获得了物体在设备坐标系下的扫描数据，扫描整体轮廓需要将数据转换到相对于物体来说是固定的全球公用坐标系统，这需要连续评估仪器的位置和方向。一类方法是通过使用与测距传感器相耦合的定位装置来完成，但存在增加仪器的复杂度和成本以及可能限制集成数据质量的问题。另一种替代方案是使用在刚性物体上收集到的测量结果来计算仪器和物体之间相对位置和方向，但是这种系统完全依赖于物体的几何形状并且对所保持姿势的准确评估较为困难。

为了改进上述的方法，可以使用从场景中的提取的固定点及特征，通过多视角特征匹配，就可以使用照相测量法理论。但这种场景中的自然点存在密度或质量是不充分的问题，进一步的，使用人工设置的固定目标，可以较好的解决特征点不足或难以精确检测的问题。使用这种类型的系统，一般首先测量和建立特征目标的框架，使用扫描图像中的目标信息，实现当前位置检测数据和整体目标数据的拼合。

通过利用机械系统带动或手持围绕物体转动扫描，非常适合快速扫描物体或物体必须在现场扫描的情况。现有的手持设备受到电源和数据线长度的限制，扫描大型或表面结构较复杂的目标时，操作受限或非常不便，为了改进上述的方法，可以使用无线传输和电池供电的模式，同时为了解决附加高数据传输量的问题，采用前端处理+无线的方式可以获得更好的使用体验。

然而，前端图像处理需要的大量计算和无线设备功耗，如何提高设备的续航能力；高帧速原始图像的数据量大于有效带宽的条件下，如何稳定传输大量的检测数据；前端处理和无线传输带来的设备重量变化和便携性的冲突如何协调，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在世界坐标系内获得物体表面空间坐标点的便携式手持3D激光测量设备。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：