[发明专利]一种激光三维扫描仪系统及使用方法

权利要求书

1.一种激光三维扫描仪系统，其特征在于：包括扫描仪支架、摄像头组件、背板，所述扫描仪支架上安装有摄像头组件，所述背板前方放置有待扫描物体，所述摄像头组件通过USB接口与电脑连接，所述电脑内安装有激光三维扫描仪软件，所述摄像头组件对准待扫描物体。

2.根据权利要求1所述的激光三维扫描仪系统，其特征在于：所述摄像头组件包括扫描仪基座、支架、扫描仪外壳、电控主板、步进电机、激光器、相机镜头，所述扫描仪基座上设有支架，所述支架侧面设有安装板，所述安装板上设有步进电机，所述步进电机背面设有电控主板，所述支架上固定有相机镜头，所述支架一侧开设有激光器安装槽，所述激光器安装槽内设有激光器，所述支架上方设有扫描仪外壳，所述电控主板与所述步进电机、激光器信号连接，所述激光器与所述相机镜头信号连接。

3.根据权利要求1所述的激光三维扫描仪系统，其特征在于：所述背板上设有定位贴纸，两块背板之间通过合页活动连接，打开背板约120度左右，将载物台放到背板前，靠近背板的角落；将物体放置到载物台上，摆放稳定，对于底部不平的物体，可以斜靠到背板上以保持稳定，物体摆放时，其左右边缘距离背板左右边缘的距离尽量相等，以得到最佳扫描效果。

4.根据权利要求2所述的激光三维扫描仪，其特征在于：所述扫描仪外壳上部设有圆孔，所述圆孔内放置有相机镜头，所述扫描仪外壳一侧设有卡槽，所述卡槽卡在所述支架上。

5.根据权利要求2所述的激光三维扫描仪，其特征在于：所述扫描仪外壳形状为圆柱形。

6.根据权利要求1所述的激光三维扫描仪系统，其特征在于：所述激光三维扫描仪软件包括软件界面；所述软件界面包括1)快捷工具栏，提供最常用的按钮，以方便操作；2)Ribbon工具栏，包含所有的软件功能和操作，分为“通用”、“扫描”和“显示”三个标签，点击标签可以显示其中的内容；图中显示的是“通用”标签，它包含“文件”、“导出”和“视图”三个面板，每个面板里面又包含多个按钮；双击标签可以隐藏/显示整个Ribbon工具栏；3)“关于”按钮，点击它显示“关于”对话框，显示软件的版本、版权等信息；4)监视窗口，输出软件运行过程中的各种反馈信息；5)输出窗口，输出软件运行过程中的计算结果，目前仅供内部调试使用，正式版软件将不输出任何信息；6)状态栏，返回用户操作的基本反馈信息；7)信息栏，显示扫描数据的基本统计信息；“面：”后的三个数据依次为扫描片的个数、被选择的扫描片数和当前扫描片的编号(从0开始计数)；“点：”后的两个数据依次为所有扫描片的点数之和，以及当前扫描片的点数。

7.一种激光三维扫描仪使用方法，其特征在于，包括扫描前的准备工作、扫描、清除、拼接、导出、图片；

所述扫描前的准备工作包括如下步骤：

1)打开背板约120度左右；

2)将载物台放到背板前，靠近背板的角落；

3)将物体放置到载物台上，摆放稳定，对于底部不平的物体，可以斜靠到背板上以保持稳定，物体摆放时，其左右边缘距离背板左右边缘的距离尽量相等，以得到最佳扫描效果；将摄像头固定到扫描仪的支架上；

4)连接扫描仪电源，此时应观察到激光器自动转至水平位置；

5)将加密狗插入电脑USB接口；

6)将摄像头插入电脑USB接口；

7)运行扫描激光三维扫描仪软件，激光三维扫描仪软件启动后会自动识别加密狗，并在监视窗口的第二行显示加密狗信息；

(1)扫描

连接摄像头：点击“扫描->扫描->连接”(表示“扫描”标签下的“扫描”面板下的“连接”按钮，以下同)，连接摄像头。如果摄像头连接成功，在软件的右下角将会出现一个视频窗口，同时“连接”按钮上的文字变成“断开”；

禁用内部摄像头：如果视频图像不是扫描仪摄像头的图像，则是由于电脑上存在多个摄像头设备所致；为了确保能找到正确的摄像头，在点击“连接”之前，需先禁用电脑上的其他摄像头，这种情况在使用笔记本电脑时尤为常见，因为现在的笔记本电脑一般都在显示屏上方内置了摄像头；具体操作是：在Windows系统的控制面板中找到“系统”图标，双击它，点击“硬件”标签下的“设备管理器”，找到“图像处理设备”下的摄像头条目，右键点击它，选择禁用；

(2)调整位置：调整扫描仪的位置和摄像头的仰角，使得背板图案的左右边缘刚好靠近图像的左右边界；上下边缘距离图像的上下边界尚有少许空白；

(3)调整光照：视频图像中的红色虚线区域表示曝光过渡；被扫描物体和背板上尽量不要出现曝光过渡的区域，否则会影响扫描精度，严重时甚至会导致扫描失败；如果出现曝光过渡，可以通过改变背板朝向和调整灯光来消除它；

(4)视频窗口大小：连接摄像头之前，可以通过“扫描->扫描->全副”复选框来设置视频窗口的大小；勾选该复选框，则视频以实际尺寸640X480显示，否则以1/2的尺寸320X240显示；

(5)背板方格尺寸：连接摄像头之前，可以通过“扫描->扫描->缩放”复选框和其下方的组合框来设置背板方格的尺寸；

激光三维扫描仪软件内部设定的方格尺寸与A4背板相符，为12.7mm，因此使用A4背板扫描时无需勾选该复选框；若使用其他尺寸的背板，则需要勾选该复选框，并在下方的组合框中手工输入方格尺寸值；背板的方格尺寸值会在产品的说明书中给出，如果没有，也可以用量尺通过实际测量得到；为了避免每次扫描前都需要手动设定方格尺寸值，可以在扫描软件TScan.exe所在目录下建立一个名为rear.txt的文本文件，在文件中写入方格尺寸值，这样扫描软件每次启动时会从该文件中自动获取方格尺寸值，从而省去手工设定；

(6)启动扫描

点击“扫描->扫描->扫描”，或者按空格键，启动扫描。启动扫描成功的话，视频图像上将出现两个围绕背板图案的白色方框，同时“扫描”按钮的文字变成“结束”；

(7)扫描

将遥控器对准扫描仪的红外接收口，按下按键开始扫描。此时激光器点亮，射出一条水平激光线，并在电机的带动下从下至上缓慢扫过物体表面，当转至最大角度后，激光器关闭，并快速转回初始位置，整个过程约20秒；

(8)误差线

扫描过程中，视频窗口除了显示红色的激光线外，还显示一条绿色的误差线和黄色的参考线；误差线表示扫描过程中的误差，低于黄色参考线的为优，高于黄色线的为一般；探底至图像底部的表示误差过大而被忽略，从点云上看，会发现一行点云的缺失；

(9)环境亮度

由于激光器的输出功率固定为10mw，因此背板和物体的远近会导致图像中激光亮度的变化，背板离扫描仪越近则激光越亮，反之越暗，而激光过亮或过暗都会影响扫描精度；一般室内工作环境的灯光亮度刚好适合A4尺寸的背板，小尺寸的背板由于离扫描仪更近，因此需要提高环境光亮度以弥补；而大尺寸的背板则需要降低环境光亮度；

(10)结束扫描

当激光线扫完物体表面后，无需等待激光线的后续运动，可点击Scan->Scan->Stop，或者按空格键，结束扫描；

(11)继续扫描

每次扫描只能得到物体的一个侧面，要得到物体的完整外形，需要改变物体的位置进行多次扫描，得到物体不同角度的多个扫描片；

所述清除：

(1)删除扫描片

选择要删除的扫描片，点击“扫描->扫描->删除”，或者按Delete键，即可将它删除；被删除的扫描片无法恢复，如果拿不定注意是否删除，则将它们隐藏即可；

(2)清除扫描片中杂点

扫描过程中，有时会将背板扫描进去，或者由于物体表面颜色或反光的干扰，产生错误的扫描数据，这些统称为杂点；激光三维扫描仪软件提供了手工清除杂点的功能，要使用这些功能，需要先选择待清除杂点的扫描片，然后进入杂点清除模式，手动选择杂点并删除，清除完毕后，再退出杂点清除模式；在杂点清除模式中，如果不小心误删了好的点，可以随时取消删除，一旦退出杂点清除模式，则被删除的点被永久删除，不可恢复；

(3)进入杂点清除模式

选择要清除杂点的扫描片，然后点击“扫描->清除->开始”，或者按E键，即可进入杂点清除模式，此时“开始”按钮的文字变为“结束”；要退出杂点清除模式，点击“扫描->清除->结束”，或者按E键；进入杂点清除模式后，仅以单色方式显示点云，而箭头和包围盒等将不再显示；

(4)选择杂点

1)自动选择

进入杂点清除模式后，点击“扫描->清除->选择”，或者按N键，则软件根据点云的法线信息自动选择与视线角度过大的点作为杂点，被选择的点为红色；

2)手动选择

有两种手动选择杂点的方法，一种是方框选择：按住鼠标左键，从左上方往右下方拉框，框内的点被选择为杂点；另一种是套索选择：按住Shift键，按下鼠标左键，围绕杂点画套索，套索内的点被选择为杂点；

3)取消选择

反向拉框即可取消选择，按住鼠标左键，从右下方往左上方拉框，则框内的点被取消选择；

4)删除杂点

点击“扫描->清除->删除”(或按Backspace键)

5)取消删除

点击“扫描->清除->恢复”(或按Ctrl+Z键)

6)退出杂点清除模式

点击“扫描->清除->结束”(或按E键)在退出杂点清除模式之前，可随时用Ctrl+Z取消删除，一旦退出清除模式，则杂点被永久删除，不可恢复；

所述拼接：

1)拼接：拼接是将两个分离的扫描片或扫描片组合并到一起的过程；

2)扫描片组：拼接在一起的多个扫描片构成一个扫描片组，扫描片组可继续和其他扫描片或扫描片组拼接，构成更大的扫描片组，其中的扫描片以多色模式显示，以便区分；

3)对应点：两个扫描片(或扫描片组)上对应物体同一位置的点称为对应点，每对对应点构成一个对应点对；

4)拼接：设待拼接的两个扫描片(或扫描片组)为A和B，拼接的操作是：按住Alt和Shift键，依次点击A和B上的3组对应点，激光三维扫描仪软件通过3点定位原则实现A和B的粗拼接，自动再用配准算法实现精确拼接；步骤如下：

按住Alt和Shift键，点击A上对应点1；

按住Alt和Shift键，点击B上对应点1’，此时完成一组对应点，显示一条连接对应点的连线；

按住Alt和Shift键，点击A上对应点2；

按住Alt和Shift键，点击B上对应点2’，完成第二组对应点；

按住Alt和Shift键，点击A上对应点3；

按住Alt和Shift键，点击B上对应点3’，完成第三组对应点；点击完毕后，软件立即进行自动拼接；如果拼接成功，则B移动到A上与之合并；如果拼接失败，则A和B保持不动，之前选择的对应点消失；

5)准则

对应点的选择是任意的，而且点击的时候不需要很精确，在后续精确配准时会自动消除该误差；但是为了提高拼接的成功率，需要注意以下几个准则：1)对应点的选择要避免共线或接近共线，因为共线的3点会导致定位不唯一；2) 对应点之间的距离应尽可能大，这样3点定位时的误差就越小，拼接的成功率就越高；

6)技巧

以下技巧有助于提高拼接的效率：为了方便查看，拼接前可以将其他的无关扫描片隐藏起来，具体操作是：选择要拼接的扫描片(或扫描片组)，按U键；拼接完毕后，用同样的操作可将其他的扫描片显示出来；选择对应点时，应点击点云稠密之处，点云稀疏的地方会导致选择对应点失败；拼接过程中，如果不小心点错对应点，可以点击“扫描->对齐->取消”，或者按ESC键，取消最近选择的对应点，然后重新选择；如果想取消整个拼接操作，则一直按ESC键，直到所有对应点都被取消；

7)拆分

选择要拆分的扫描片，点击“扫描->对齐->打散”，则可以将被选择的扫描片从它们所在的扫描片组中分离出来；如果要打散整个扫描片组，使其中的扫描片都分离出来，则选择整个扫描片组，点击“打散”按钮；

8)整体优化

由于拼接是两两进行的，因此当形成闭合物体时，会由于误差的积累，在最终接合处出现间隙或交叉，这时候就需要用整体优化来消除它；具体操作是：选择要优化的扫描片组，点击“扫描->对齐->全局”，或者按G键；

9)恢复

每次拼接、拆分或者全局优化操作之后，如果想回到操作之前的状态，点击“扫描->对齐->恢复”，或者按R键即可；再次使用该操作，则又回到退回之前的状态；

所述导出：

1)导出模型

扫描数据经过清理杂点，拼接为一个整体之后，可点击“通用->导出->模型”，导出为一个三角网格模型；

2)文件格式

导出模型的默认格式为PLY，如果勾选STL复选框，则同时生成STL文件；

3)精细度

导出模型的精细程度从低到高有四挡可选，依次是“光滑”、“普通”、“精细”和“超精细”；精细度越高，模型的三角面越多，文件也越大；精细程度通过STL复选框下方的组合框来选择；

4)命名规则

导出模型的缺省目录是TScan.exe所在目录下的Output子目录，缺省文件名为“扫描文件名_[1:4]”，[1:4]为1到4中的某个数字，表示模型的精细程度；例如扫描文件名为Dino.msd，精细程度选择为“精细”，则导出模型文件名为Dino_3.ply；

5)其他格式

如果需要其他格式的模型文件，可以安装开源3D编辑软件Meshlab，用该软件读取导出的PLY文件，再保存为你想要的格式即可；

6)导出贴图

原始导出的模型是不带贴图信息的，为了给模型添加贴图信息，可以点击“通用->导出->贴图”，然后在弹出的对话框中选择需要生成贴图的模型，点击确定即可；

7)技巧

导出贴图时选择的原模型可以是导出的原始模型，也可以是原始模型经过简化或编辑之后的模型；

8)命名规则

贴图后的新模型文件的名称为“原始模型文件名_t”，例如原模型为Dino_3.ply，则贴图后的新模型为Dino_3_t.ply；

9)外部贴图

目前所支持的贴图为模型内部贴图，即贴图颜色信息直接记录在模型的顶点数据上，暂不支持外部贴图。外部贴图需要先为模型生成UV坐标，以得到模型顶点和图片空间之间的映射关系。而UV坐标的生成涉及到模型的参数化等复杂处理，且不同的应用有不同的要求，目前尚无成熟的自动UV坐标生成算法和软件，优秀的UV坐标生成都是用专业UV展开软件(如UVLayout)由手工完成；因此暂不支持外部贴图；

所述图片：

扫描片的贴图可以导出为单独的图片文件，以供外部处理，如调整亮度、对比度、修复瑕疵等；处理后的图片可以重新导入扫描片中，并最后合成到导出模型中；

1)导出图片

点击“扫描->图片->导出”，弹出保存文件对话框，默认保存目录为TScan.exe所在目录下的Image子目录，默认文件名为“扫描文件名_#”，#为扫描片编号；

2)导入图片

点击“扫描->图片->导入”，在弹出的对话框中选择需要导入的图片，可以多选。