三维扫描仪

技术领域

本公开的示例实施例总体上涉及一种三维扫描仪。

背景技术

三维扫描仪是一种科学仪器，可以利用三维扫描技术侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据。三维扫描技术能够实现对物体的非接触测量，将实物立体信息转换为计算机能够识别和直接处理的数字信号。三维扫描仪所采集到的数据常被用来进行三维重建计算，以在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。三维扫描仪的用途之一是创建物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集，创建的模型越精确。如果扫描仪能够取得物体的表面颜色，则可进一步在重建的表面上贴上材质贴图，亦即所谓的材质印射。

三维扫描仪可以包括相机和激光雷达，以形成光学探测部分。相机用于获取图像数据，激光雷达用于获取深度信息。三维扫描仪目前也越来越多地应用于建筑物构造的测量和扫描上。例如，在扫描室内环境时，三维扫描仪通常被放置在被扫描的建筑物内部的固定位置，其光学探测部分被驱动部件驱动旋转一周来完成房间构造的扫描。

发明内容

在本公开的一个方面，提供了一种三维扫描仪。该三维扫描仪包括：安装支架，包括基座以及设置在基座上的相机安装架和雷达安装架，相机安装架的面朝雷达安装架的一侧设置有安装部；转动云台，转动连接至基座，并且适于驱动基座绕旋转轴转动；多个图像采集装置，沿安装部的周向布置，并且适于采集相应的相机视场内的对象的图像数据，每个相机视场以相应的相机法线为中心，多个图像采集装置的相机法线处于相同的法线面内并且相交于法线交点，旋转轴穿过法线交点；以及激光雷达，布置在雷达安装架的面朝相机安装架的一侧上，并且适于采集雷达视场内的对象的点云数据，雷达视场以雷达法线为中心。

根据本公开的实施例的三维扫描仪的图像采集装置的布局更加合理，使得图像采集装置在获取图像数据时只需要绕纵向轴线旋转半周就能够得到全空间的全景图像，显著提升扫描效率。此外，通过使旋转轴穿过法线交点，能够有效地减轻或者消除图像采集装置在绕旋转轴旋转的过程中可能出现的视差，由此来减轻后续的数据处理工作量，并提升模型的创建效果。此外，通过将激光雷达布置在雷达安装架的面朝相机安装架的一侧上，可以使得激光雷达的光心尽可能地靠近法线交点，从而减小深度信息的标定误差，根据深度信息更好地优化图像拼接效果。

在一些实施例中，多个图像采集装置的相机法线所在的法线面为平面，并且雷达法线垂直于法线面。以此布置，能够减小图像采集装置和激光雷达对于彼此视场的影响，由此有利于图像采集装置和激光雷达的紧凑布置，从而促进三维扫描仪的小型化。

在一些实施例中，雷达法线穿过法线交点。这种布置方式使相机视场与雷达视场之间的重叠区域增多，有效地减少或者消除图像采集装置以及激光雷达之间的视差，从而提升数据处理的效果，减少图像数据和点云数据处理的工作量，并由此得到更好的空间模型。

在一些实施例中，多个图像采集装置的相机法线所在的法线面为圆锥面，并且雷达法线与圆锥面的中心线共线。以此布置，在有利于图像采集装置和激光雷达的紧凑布置的同时，还能够促进图像采集装置以及激光雷达的视场重叠以及后续的参数标定，并进而有利于提高数据融合质量。

在一些实施例中，雷达视场与相机视场部分重叠。这种布置方式使得在三维扫描仪标定时，可以利用固定位置所采集的图像数据以及点云数据来对图像采集装置和激光雷达进行标定，用来计算标定参数，从而提升参数的精度，并进而提升图像数据和点云数据融合的效果。

在一些实施例中，多个图像采集装置被周向地布置在安装部的在周向上大于180°的范围内。以此布置，能够大幅降低所需的采集角度数目，并由此降低多次图像拼接所带来的误差，提高扫描效率。

在一些实施例中，相机安装架还包括与基座连接的主体部分，安装部从主体部分朝向雷达安装架凸出，并且在安装部的径向方向上相对于主体部分凹入。以此方式，能够更好地保护多个图像采集装置的镜头模块，以防被磕碰或损坏。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的主视图；

图2示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的左侧视图；

图3示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪沿图1中的A-A截线截取的示意性截面图；

图4示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪沿图2中的B-B截线截取的示意性截面图；以及

图5示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的相机视场和雷达视场的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

三维扫描仪，也可以称为三维相机或者虚拟现实相机，能够用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。用于扫描房间构造的三维扫描仪通常包括两个部分，第一部分，也被称为驱动部件固定部分，用于固定诸如步进电机等的驱动部件；以及第二部分，也被称为感知部分，通常包括诸如相机的图像采集装置以及激光雷达。感知部分能够在驱动部件的驱动下相对于第一部分绕旋转轴转动。在进行房间内部构造扫描时，三维扫描仪通常通过诸如三脚架等支撑装置而被固定在待扫描的房间内的预定位置，通过驱动部件驱动感知部分转动预定角度，来完成整个房间内部结构的扫描，从而得到关于房间内部构造的图像数据和点云数据等。

三维扫描仪的图像采集装置能够用来获取环境中的对象的图像数据，图像采集装置的一个重要参数是视场角(FOV)。视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视场范围。相机的视场通常是以法线为中心并以相机的原点为顶点的锥形区域，该锥形区域的顶角即为视场角。每个相机的视场角在横向方向上和纵向方向上测量时可能是不同的。例如，有的相机的纵向视场角为100°左右，而横向视场角可能在80°左右。

激光雷达，也可以称为LiDAR，是Light Detection and Ranging的缩写。LiDAR是一种利用传感技术的雷达系统，可发射低功率、人眼安全的激光进行脉冲测量，并测量激光完成在传感器与目标之间往返所需的时间。所得的聚合数据用于生成3D点云图像，同时提供空间位置和深度信息以识别、分类和跟踪运动对象。与相机类似的，激光雷达也有视场角，即，传感器所覆盖的角度。激光雷达的视场角也以雷达法线为中心。

对于传统的三维扫描仪而言，大多采用图像采集装置的相机法线与激光雷达的雷达法线同轴或者平行布置的方式，以使得两种传感器所采集的数据便于标定和整合。然而，这种布置方式使得相机和激光雷达的扫描范围受限。此外，目前传统的三维扫描仪扫描效率和像素密度都较低，不能满足对高效全空间扫描的要求。

根据本公开的实施例提供了一种三维扫描仪，以解决或者至少部分地解决传统的三维扫描仪的上述或者其他潜在问题。根据本公开的实施例的三维扫描仪的图像采集装置的布局更加合理，使得图像采集装置在获取图像数据时只需要绕纵向轴线(即，下文中提到的旋转轴)旋转半周就能够得到全空间的全景图像。此外，根据本公开的实施例的三维扫描仪的激光雷达还提升了扫描范围并改进了扫描方式。通过图像采集装置和激光雷达的布置方式以及诸如视场角等参数及扫描范围和扫描方式的各种改进，根据本公开的实施例的三维扫描仪能够减少深度信息误差、根据深度信息更好地优化图像拼接效果、显著提升扫描效率。

下面将结合附图来描述根据本公开的实施例的三维扫描仪的具体结构和改进。图1示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的主视图，图2示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的左侧视图，图3示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪沿图1中的A-A截线截取的示意性截面图，图4示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪沿图2中的B-B截线截取的示意性截面图，图5示出了根据本公开的实施例的三维扫描仪的相机视场和雷达视场的示意图。如图1至图5所示，总体上，根据本公开的实施例的三维扫描仪包括安装支架10、多个图像采集装置20、激光雷达30以及转动云台40。

安装支架10用来安装多个图像采集装置20、激光雷达30和转动云台40。如图1至图5所示，安装支架10包括基座11以及设置在基座11上的相机安装架12和雷达安装架13。基座11用来支撑相机安装架12和雷达安装架13，并且转动连接至转动云台40。相机安装架12的面朝雷达安装架13的一侧设置有安装部121，安装部121用来安装多个图像采集装置20。雷达安装架13用来安装激光雷达30。转动云台40能够驱动基座11绕旋转轴101转动，从而带动多个图像采集装置20和激光雷达30绕旋转轴101转动。

如图1和图3所示，多个图像采集装置20沿周向布置在安装部121上。安装部121的外表面可以大致呈柱状。在安装部121上可以设置有沿周向间隔开布置的多个相机窗口。多个相机窗口与布置在安装部121中的多个图像采集装置20的位置相对应。多个图像采集装置20沿安装部121的周向布置，并且多个图像采集装置20中的每个图像采集装置20能够通过对应的相机窗口获取相机视场21内的对象的图像数据。多个图像采集装置20可以通过任何适当的方式固定在安装部121中，例如通过螺栓、卡扣或其他类型的紧固件，本公开的实施例对此不做限制。

在一些实施例中，如图1至图5所示，相机安装架12还包括与基座11连接的主体部分122。安装部121从主体部分122朝向雷达安装架13凸出，并且在安装部121的径向方向上相对于主体部分122凹入一定距离。以此方式，能够更好地保护多个图像采集装置20的镜头模块，以防被磕碰或损坏。在一些实施例中，安装部121上用于供图像采集装置20的相机视场21穿过的相机窗口处可以设置有诸如玻璃或塑料材料制成的透明覆盖物，从而能够更好地保护图像采集装置20的镜头模块。

在图3中，每个相机视场21由实线三角形指示，并且每个图像采集装置20的相机法线22由虚线指示。每个相机视场21以相应的相机法线22为中心，大致呈锥形分布。多个图像采集装置20中的相机法线22布置在同一个平面中，该平面在下文中将被称为法线面。法线面基本沿纵向方向延伸。当然，应当理解的是，多个相机法线22也可以不是位于同一平面中，而是位于一个圆锥面中。也就是说，在一些实施例中，多个相机法线22所在的法线面也可以是一个圆锥面。

从图3可以看出，多个图像采集装置20的相机视场21是相互重叠的。在一些实施例中，相邻的两个图像采集装置20的相机视场21的重叠度在10°以上。多个图像采集装置20相互重叠的相机视场21一方面能够便于各个图像采集装置20的参数的标定，从而提高标定精度。以此方式，三维扫描仪的控制单元可以利用重叠视场来可靠地标定图像采集装置20的参数，从而提高后续数据处理的处理效果。另一方面，图像采集装置20的视场重叠能够减轻或消除图像采集装置20在边缘处可能存在的图像畸变的情况，从而能够显著提升最终所得到的全景图像的成像效果。

图3中还示出了多个图像采集装置20的相机法线22相交于一点，即，法线交点23。在图3所示出的具有6个图像采集装置20的实施例中，6个图像采集装置20的6个相机法线22相交于法线交点23。这种布置方式能够消除多个图像采集装置20可能存在的视差，从而降低全景图像的拼接难度，并由此提高全景图像的成像效果。

应当注意，上述以及本公开其他地方可能提及的数字、数值、数目等，都是示例性的，无意以任何方式限制本公开的范围。任何其他适当的数字、数值、数目都是可能的。

如图3所示，旋转轴101也在法线面内。例如，在一些实施例中，旋转轴101可以穿过法线交点23。以此方式，能够有效地减轻或者消除图像采集装置20在绕旋转轴101旋转的过程中可能出现的视差，由此来减轻后续的数据处理工作量，并提升模型的创建效果。

激光雷达30用于测量环境的深度信息。如图1、图4和图5所示，激光雷达30布置在雷达安装架13的面朝相机安装架12的一侧上，以用于采集雷达视场31内的对象的点云数据。图5示出了激光雷达30的雷达视场31以雷达法线为中心，大致呈环锥形区域。所谓的环锥形表示在顶角较大(例如接近或大于180°)的锥形减去同轴的顶角较小的锥形所形成的形状。图5所显示的激光雷达30的雷达视场31只是一个截面形状。应当理解的是，雷达视场31的实际形状是以雷达法线32为中心将图示的截面形状旋转一周所得到的环锥形形状。激光雷达30能够获取雷达视场31内的所有对象的点云数据。以此方式，能够进一步提高全空间扫描效率以及点云数据的可靠度。此外，通过将激光雷达30布置在雷达安装架13的面朝相机安装架12的一侧上，可以使得激光雷达30的光心尽可能地靠近法线交点23，从而减小深度信息的标定误差，根据深度信息更好地优化图像拼接效果。

应当理解，图5所示的激光雷达30的雷达视场31只是示意性的，并不旨在限制本公开的保护范围。根据本公开的实施例的三维扫描仪，可以采用具有任意其他视场范围和扫描方式的激光雷达30。例如，在一些实施例中，激光雷达30也可以采用线扫描雷达或者其他任意适当的雷达。

根据本公开的实施例的三维扫描仪的激光雷达30的雷达法线32与图像采集装置20的相机法线22所在的法线面是呈非零角度。如在图4和图5所示的实施例中，在法线面是平面的情况下，雷达法线32垂直于法线面。这种布置方式能够减小图像采集装置20和激光雷达30对于彼此视场的影响，由此有利于图像采集装置20和激光雷达30的紧凑布置，从而促进三维扫描仪的小型化。

在图5所示的实施例中，激光雷达30的雷达视场31与图像采集装置20的相机视场21也是部分重叠的。这种布置方式使得在三维扫描仪标定时，可以利用固定位置所采集的图像数据以及点云数据来对图像采集装置20和激光雷达30进行标定，用来计算标定参数，从而提升参数的精度，并进而提升图像数据和点云数据融合的效果。此外，这种布置方式使得三维扫描仪的激光雷达30和图像采集装置20同时(同一时刻)对空间进行同时扫描，从而在同一时刻至少获取空间中某一区域的点云数据和图像数据。点云数据和图像数据可以立即被同时处理以进行融合从而生成关于该区域的具有深度信息的虚拟现实图像。以此方式，与传统方案中雷达需要边扫描边获取某一区域的点云数据的方案相比，根据本公开实施的三维扫描仪能够进一步提高数据采集效率以及数据融合质量。

在一些实施例中，在法线面是平面的情况下，雷达法线32不但垂直于法线面，还穿过法线交点23，使得雷达法线32垂直于旋转轴101。这种布置方式使相机视场21与雷达视场31之间的重叠区域增多，有效地减少或者消除图像采集装置20以及激光雷达30之间的视差，使得转动云台40旋转不到一圈即可采集所有图像和深度信息，从而提升数据处理的效果，减少图像数据和点云数据处理的工作量，并由此得到更好的空间模型。

如前文中所描述的，多条相机法线22所在的法线面也可以是一个圆锥面。在这种情况下，雷达法线32可以被布置为与圆锥面的中心线共线。这样布置方式也同样有利于图像采集装置20和激光雷达30的紧凑布置，并进一步促进图像采集装置20以及激光雷达30的视场重叠以及后续的参数标定，并进而有利于提高数据融合质量。

在一些实施例中，图像采集装置20的视场角也可以根据图像采集装置20的数量而做出调整或选择。例如，如果采用6个图像采集装置20，每个图像采集装置20的视场角可以设置成60°。如果采用四个图像采集装置20，每个图像采集装置20的视场角可以设置成99.43°。如果设置三个图像采集装置20，每个图像采集装置20的视场角可以设置成大于或等于120°。如果设置成5个图像采集装置20，每个图像采集装置20的视场角可以设置成77°至80°。

图像采集装置20的视场角可以在出厂时就设置成所需的角度。在一些实施例中，图像采集装置20的视场角也可以根据算法来调整。在算法调整视场角时，可以将边缘畸变比较严重的地方裁切掉，从而能够进一步提高成像质量。

在一些实施例中，多个图像采集装置20的相机法线22可以分布在周向上的预定角度范围内。例如，预定角度范围可以为180°至240°的范围。例如，在一些实施例中，多个图像采集装置20的相机法线22可以分布在周向上的约220°的角度内。多个图像采集装置20的法线可以均分或者不均分该角度，但是多个图像采集装置20的以相机法线22为中心的视场可以至少部分地重叠。以此方式，有利于多个图像采集装置20所获取的图像数据的拼接和标定。

在采用视场角约为60°的六个图像采集装置20的情况下，除了底部的部分盲区外，六个图像采集装置20能够采集周向上大约320°范围内的图像数据。也就是说，在三维扫描仪处于某一固定位置时，六个图像采集装置20能够采集从前向后基本整个一周的图像数据。在这种情况下，要想采集整个空间范围内的图像数据，只需要使六个图像采集装置20绕旋转轴101旋转半周(180°)即可。与传统的三维扫描仪只能朝向一个方向进行图像采集相比，根据本公开的实施例的三维扫描仪能够大幅降低所需的采集角度数目，并由此降低多次图像拼接所带来的误差，提高扫描效率。

在一些实施例中，如图3和图4所示，转动云台40设置在基座11的底部处，以用于驱动安装支架10以及其上的部件绕旋转轴101转动。在转动云台40的驱动下，安装支架10能够带动安装在其上的图像采集装置20和激光雷达30绕旋转轴101转动，从而实现周向全空间扫描的目的。转动云台40可以耦合至用于支撑三维扫描仪的支撑装置上，并且能够在诸如电机等动力部件的驱动下使安装支架10绕旋转轴101旋转，并带动其上的图像采集装置20和激光雷达30绕旋转轴101转动。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。