[发明专利]三维扫描自动参考系统和设备

说明书

技术领域

本发明涉及物体表面几何形状的三维扫描技术，更确切地说，涉及可以手持操作的便携式三维扫描设备。

背景技术

物体表面几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：工业生产系统中的形状一致性检查和测量；工业造型设计中的泥塑模型的数字化；已有复杂几何形状部件的反向工程；多媒体应用中的物体的交互式虚拟现实技术；艺术品和人工制品的三维存档；为获得更好矫正适应性或生物统计(orthesis adoption or biometry)的人体扫描。

通过测距传感器扫描和数字化物体的外形，测距传感器测量传感器和表面上一组点之间的距离。通过这些测量，可以获得目标表面上各点在传感器参考系上的三维坐标。从给定的视角，测距传感器仅仅能够进行表面可见部分的距离测量。为了数字化整个物体，传感器必须移动到多个视角以获得能够覆盖整个表面的距离测量值。根据全部距离测量值可以在全球公用坐标系统上建立物体表面几何形状的模型。

关于测距传感器发展了很多不同的理论(参阅F.Blais，“A Reviewof 20 Years of Range Sensor Development”，in proceedings of SPIE-IS&TElectronic Imaging，SPIE Vol.5013，2003，pp.62-76)。其中，干涉度量法(interferometry)，飞行时间(time-of-flight)和基于三角剖分的原理是公知的理论，根据精度要求、传感器和物体之间的相隔距离(standoff)以及景深要求，每一种理论都或多或少是适用的。

我们特别关注基于三角剖分原理的测距传感器，此传感器通常适用于近距离测量，尤其是几米之内的距离。使用这种类型的仪器，人们必须从两个不同视角收集物体上一个相同特征点上的两个观测值，这两个视角相距一个基线距离。从基线和两个光线方向上可以获知被观测点的相对位置。通过使用三角形中的一条边长和两个角的知识求解两条光线的交点。这实际上就是被动立体视觉原理。人们可以用可在已知方向上发射一组光线的光线投影器来替代光线检测器。在这种情况下，使用投影器的方向线和每一条反射在物体表面上的被检测光线求解三角形是可能的。在两种情况下，计算每一个与三角形底边相关的观测特征点的坐标是可能的。尽管可以使用特定的光线检测器，但是CCD和CMOS数码相机是最常用的。

光线投影器的使用方便了物体表面上各个部位反射点的检测，从而可以提供密集的表面点测量集。典型的，光源为投射点光线、光照平面或其他可能的光线形式(如十字光线)的激光光源。这种具有相干光形式类型的投影器可以提供好的景深，但是会受到斑点噪声的影响。当在景深上的损失不是很重要时，还可以使用非相干光形式的投影器来避免斑点噪声的影响。

扫描一个物体的就是要收集物体表面上点的信息。所述点可以被构造成曲线(轮廓)或深度图像的形式。为了扫描物体的整个表面，人们必须移动传感器。尽管可以独立的移动投影器(参阅J.Y.Bouguetand P. Perona，“3D Photography Using Shadows in Dual-SpaceGeometry”，Int.Journal of Computer Vision，vol.35，No.2，November-December 1999，pp.129-149)，传感器通常设计为一个包含光线检测器和投影器的单一部件。光线检测器和投影器可以刚性集成，或者在通常情况下使用光线投影器作为传感器设备内的扫描机构。传感器可以通过利用机械系统围绕物体转动，也可以是多功能手持设备。便携式手持系统对于快速扫描以及物体必须在现场扫描的情况下特别有宜。

应用手持系统的主要挑战在于在相对于物体来说是固定的全球公用坐标系统内连续评估仪器的位置和方向(6个自由度)。这可以通过使用与测距传感器相耦合的定位装置(参阅专利号为No.US6,508,403的美国专利)来完成。使用定位装置显著的增加了仪器的复杂度和成本。在一些情况下，使用定位装置是笨重的并且会造成足以限制集成数据质量的噪音。