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手持三维扫描技术

2013-09-14

技术背景
 三维扫描技术是为了解决工业领域的设计和制造需求而诞生的,其主流技术从出现到现在,大致可以分为以下四代。
 第一代是接触式测量技术,它使用探针对物体表面进行接触式测量。代表产品是三坐标测量机,俗称打点机。
 第二代是线激光扫描技术,它向物体表面投射一条激光线,再用呈一定偏角的摄像机拍摄之,图像中的激光线受物体表面形状的影响而弯曲,由此可计算出三维数据。代表产品是激光三维扫描仪。
 第三代是结构光扫描技术,它向物体表面投射一组特定的光图案,再用呈一定偏角的摄像机拍摄之,并由此计算三维数据,最常用的图案是黑白条纹。该技术是目前国内的主流技术,相应产品俗称拍照式三维白光扫描仪。
第四代是手持式扫描技术,它使用线激光来获取物体表面点云,用视觉标记来确定扫描仪在工作过程中的空间位置。手持扫描具有灵活、高效、易用的优点,代表今后的发展方向。
第一代和第二代技术由于存在效率低、成本高、难于使用和维护的缺点,目前仅在一些非常高端和专业的领域内使用,属于小众产品,有市场越来越窄的趋势。
 

手持式三维扫描仪

第三代技术与前两代相比,在效率、成本和使用方面有了明显提高,因而很快在世界范围内获得了推广。但是,时至今日,随着用户对三维扫描的效率和易用性等指标要求的进一步提高,该技术的固有缺陷已使之渐显过时,从而催生了第四代三维扫描技术 —— 手持式三维扫描。

手持扫描具有最大的灵活性,但由于手的运动是随意的,因此如何精确、实时的确定任意时刻手的空间位置便成为该技术的核心问题。基于视觉标记点的空间定位技术是解决该问题的关键,目前全球范围内掌握该技术的只有两家,一家在中国(华朗三维),另一家是国外公司。
技术优势
  一般三维手持扫描仪系列使用传统的圆点标记来实现视觉定位。由于视觉定位需要的是一个“理想点” —— 即没有大小,因此实际使用的是圆点的圆心,圆心的坐标通过提取圆点边界来拟合。然而,由于透视投影和镜头畸变的存在,导致图像中的圆点边界即不是圆,也不是椭圆,而是一个不规则的自由形体,因此拟合圆心与真实圆心之间必定存在偏差。
 与其他手持式三维扫描仪不同的是,我们舍弃了传统的圆点标记,使用一种新的不会导致偏差的视觉标记 —— 角点标记。角点标记的角点类似黑白棋盘格的交叉点,它满足“理想点”的要求 —— 即没有大小。在提取的时候,我们直接得到角点的坐标,而不是通过拟合来得到它,因此和真实角点之间不会存在偏差。这不仅提高了定位精度,也保证了后续摄影测量的精度和可靠性。
 与圆点标记相比,角点标记的提取要复杂得多,若仅靠软件实现,则难以实现实时流畅的扫描。为此,我们将角点提取算法做入了硬件芯片,这样不仅保证了扫描的流畅性,也大大降低了对电脑配置的要求。我们的手持扫描仪使用普通的电脑即可正常工作,使用的接口是USB接口,详情请见电脑配置。而其他公司的手持扫描仪通过软件来进行视觉定位计算,因此对电脑配置的要求较高,且必须使用1394接口以满足其大数据量的传输。

手持式三维扫描仪


双相机摄影测量
技术背景
在对大型物体进行三维扫描时,由于误差的积累,会导致整体误差难以控制。三维摄影测量技术可以消除误差积累,得到高精度的整体框架,从而保证点云的整体精度。
与其它扫描方法相比,手持扫描更易受到累积误差的影响,因此摄影测量的使用就变得更加不可或缺。目前,国内外已有不少公司能提供摄影测量技术,但它们都是以独立的解决方案存在,未能与三维扫描整合为一体。
技术优势
 华朗三维研发了基于角点标记的双相机摄影测量技术,并内置在我们的扫描软件中。
传统的摄影测量使用单相机,我们的摄影测量使用双相机。使用双相机可以自动定位和区分不同的标志点,因此无需使用编码标志点。
 华朗三维所有的手持扫描产品都集成了摄影测量,包括基础型号。
自动校准
技术背景
任何三维扫描仪在出厂前都需要对内部参数进行测定,这便是校准。扫描仪在使用过程中,其内部结构不可能保持完全稳定,随着时间的推移,内部参数会发生缓慢变化。当变化超出一定范围时,就会导致扫描精度达不到厂家的标称值,严重的还会无法工作,这时就需要对扫描仪进行重新校准。
 校准工作需要一定的专业知识,对用户的操作也有一定要求,这不仅增加了产品的使用难度,也使得校准的质量难以得到保证。
技术优势
在用摄影测量优化标志点的同时,也得到了扫描仪的内部参数,从而实现了自动校准。
利用自动校准的结果,对点云进行优化,可以提高点云的整体精度,并消除分层。
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