本發(fā)明屬于三維掃描及三維建模領(lǐng)域，特別涉及一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著三維掃描技術(shù)的出現(xiàn)，給物體的三維信息獲取提供了強有力的技術(shù)支持，尤其是在文物保護、考古研究、建筑設(shè)計、地址勘探方面，三維掃描技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。

然而三維掃描技術(shù)自產(chǎn)生以來，其重點的應(yīng)用范圍主要限定在宏觀的實際物體領(lǐng)域，對于微觀的三維結(jié)構(gòu)，例如古字畫、油畫、絹繡品等表面的三維信息采集，近幾年才逐漸受到重視。目前，市場上專門針對這類微觀結(jié)構(gòu)表面三維信息采集的技術(shù)和設(shè)備屈指可數(shù)，主要是因為技術(shù)非常熟的探針掃描會對掃描文物造成一定程度的破壞，而三維激光輪廓儀價格非常昂貴，維護費用高。因此，本發(fā)明提出了一種利用二維激光輪廓儀結(jié)合二維平移臺的實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集的方法及系統(tǒng)，使用該方法可以對于紙張、卡片等物體表面的三維信息采集，特別是油畫等珍貴文物的信息采集、還原、保存都具有重要的實踐意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法及系統(tǒng)，可以實現(xiàn)利用二維激光輪廓儀結(jié)合二維平移臺實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)表面三維信息采集，對于油畫等珍貴文物的信息采集、還原、保存等都具有重要的實踐意義。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法，該方法包括：

控制X-Y二維平移臺平移，使X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向運動的位移為預(yù)設(shè)掃描長度，在每次間隔長度為預(yù)設(shè)掃描分辨率時，控制X-Z二維激光輪廓儀采樣獲取一行掃描數(shù)據(jù)，從而得到多行掃描數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集；

控制所述X-Y二維平移臺平移，使所述X-Z二維激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸方向每次平移預(yù)設(shè)偏移長度，完成一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集，直至完成所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集；

合并所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)，建模得出待測物體的三維輪廓圖。

進一步地，所述“控制X-Y二維平移臺平移”之前包括根據(jù)預(yù)設(shè)掃描寬度與所述X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度確定待測物體需要分解矩形掃描面的個數(shù)。

進一步地，所述預(yù)設(shè)偏移長度小于所述X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度。

進一步地，所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)保存在txt文件中，不同的矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)保存在不同的txt文件中。

進一步地，所述“實現(xiàn)一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集”包括：根據(jù)X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度與采樣個數(shù)確定相鄰掃描點X軸坐標(biāo)偏移量，根據(jù)所述掃描分辨率確定Y軸坐標(biāo)偏移量，根據(jù)X-Z二維激光輪廓儀提供的數(shù)據(jù)獲取接口獲取高程Z坐標(biāo)信息。

進一步地，所述X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向保持勻速直線運動，以預(yù)設(shè)采樣頻率控制所述X-Z二維激光輪廓儀采樣。

進一步地，所述合并是將多個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)去除掃描的重復(fù)點，得到一份表征待測物體表面全貌信息的三維數(shù)據(jù)。

進一步地，所述建模是利用OpenGL編寫三維模型的顯示程序，利用三維云數(shù)據(jù)坐標(biāo)進行統(tǒng)一坐標(biāo)系的三維顯示或通過Crust算法進行三維云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的曲面重建。

進一步地，所述待測物體的表面曲線滿足函數(shù)Z＝F(X,Y)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集系統(tǒng)，包括：X-Z二維激光輪廓儀、控制設(shè)備和X-Y二維平移臺。

所述X-Y二維平移臺用于放置待測物體與安裝所述X-Z二維激光輪廓儀，在所述控制設(shè)備的控制下，實現(xiàn)所述X-Z二維激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸或Y軸發(fā)生平移。

所述X-Z二維激光輪廓儀用于在所述控制設(shè)備的控制下采集所述待測物體的X-Z二維輪廓信息。

所述控制設(shè)備包括：

數(shù)據(jù)處理單元：用于合并所有矩形掃描面的掃描數(shù)據(jù)，建模得出待測物體的三維輪廓圖。

掃描控制單元：用于控制所述X-Y二維平移臺平移和所述X-Z二維激光輪廓采樣實現(xiàn)三維掃描功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明提供的一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法，所述方法包括：控制X-Y二維平移臺平移，使X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向運動的位移為預(yù)設(shè)掃描長度，在每次間隔長度為預(yù)設(shè)掃描分辨率時，控制X-Z二維激光輪廓儀采樣獲取一行掃描數(shù)據(jù)，從而得到多行掃描數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集；控制所述X-Y二維平移臺平移，使所述X-Z二維激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸方向每次平移預(yù)設(shè)偏移長度，完成一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集，直至完成所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集；合并所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)，建模得出待測物體的三維輪廓圖。通過使用該三維信息采集方法可以對珍貴文物的信息采集、還原、保存等都具有重要的實踐意義通過。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提出的一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提出的掃描一個幅面的空間三維坐標(biāo)獲取原理；

圖3為本發(fā)明實施例提出的掃描一個幅面的空間三維坐標(biāo)獲取原理；

圖4為本發(fā)明實施例提出的一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明：

1、三維信息采集系統(tǒng)；10、X-Z二維激光輪廓儀；20、X-Y二維平移臺；30、控制設(shè)備；301、掃描控制單元；302、數(shù)據(jù)處理單元。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對發(fā)明進行更清楚、完整地描述。附圖中給出的優(yōu)選實施例，可以通過許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提出了一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集方法，如圖1所示，包括以下步驟：

S101：控制X-Y二維平移臺平移，使X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向運動的位移為預(yù)設(shè)掃描長度，在每次間隔長度為預(yù)設(shè)掃描分辨率時，控制X-Z二維激光輪廓儀采樣獲取一行掃描數(shù)據(jù)，從而得到多行掃描數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集。

所述“控制X-Y二維平移臺平移”之前包括根據(jù)預(yù)設(shè)掃描寬度與所述X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度確定待測物體需要分解矩形掃描面的個數(shù)。

矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)保存在txt文件中，不同的矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)保存在不同的txt文件中。

所述“實現(xiàn)一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集”包括：根據(jù)X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度與采樣個數(shù)確定相鄰掃描點X軸坐標(biāo)偏移量，根據(jù)所述掃描分辨率確定Y軸坐標(biāo)偏移量，根據(jù)X-Z二維激光輪廓儀提供的數(shù)據(jù)獲取接口獲取高程Z坐標(biāo)信息。

X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向可以保持勻速直線運動，這樣可以保證以固定采樣周期控制激光輪廓儀采樣。由于X-Z二維激光輪廓儀采樣時，X-Z二維激光輪廓儀與被測物體還發(fā)生，當(dāng)選擇較小的分辨率參數(shù)時，同時需要選擇較小的掃描速度，這樣才可以忽略在采樣過程中，在Y軸上產(chǎn)生的偏移量。

S102：控制所述X-Y二維平移臺平移，使所述X-Z二維激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸方向每次平移預(yù)設(shè)偏移長度，完成一個矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集，直至完成所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)采集。

每個矩形掃描面都選用相同的掃描參數(shù)，以保證每個矩形掃描面的掃描點沿X軸向的最小偏移量相同以及沿Y軸向的最小偏移量也是相同。

預(yù)設(shè)偏移長度需要小于所述X-Z二維激光輪廓儀的最大掃描寬度。這是因為待測物體具有一定的厚度，X-Z二維激光輪廓儀發(fā)出的激光為中心投影，隨著其厚度的增加，激光器的掃描范圍會減小，為了保證二維激光輪廓儀能夠全面采集到待測物體的三維數(shù)據(jù)，不會出現(xiàn)掃描盲區(qū)，三維數(shù)據(jù)合并時允許存在一定寬度的重疊區(qū)域。

S103：合并所有所述矩形掃描面的三維數(shù)據(jù)，建模得出待測物體的三維輪廓圖。

合并是在三維點云數(shù)據(jù)保存時去除掃描重復(fù)點，或在三維點云數(shù)據(jù)保存完畢后在進行掃描重復(fù)點去除，然后直接利用掃描起點和掃描終點位置的一致性來進行三維云數(shù)據(jù)合并。

建模是利用OpenGL編寫三維模型的顯示程序，利用三維云數(shù)據(jù)坐標(biāo)進行統(tǒng)一坐標(biāo)系的三維顯示或通過Crust算法進行三維云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的曲面重建。

待測物體的表面曲線滿足函數(shù)Z＝F(X,Y)，即每一個(X,Y)掃描坐標(biāo)面對應(yīng)一個唯一的高程信息Z坐標(biāo)。

在對待測物體進行掃描前，先估算待測物體的尺寸，選擇一個合適的掃描長度與掃描寬度，以便使掃描能夠完整覆蓋待測物體。待測物體不一定非要是矩形，可以是橢圓，三角形等任意形狀。只要掃描長度與掃描寬度能夠完全覆蓋待測物體即可。

掃描長度與掃描寬度可以是用戶輸入的任意值，也可以是系統(tǒng)提供的幾組參考值。

優(yōu)選地，所述掃描長度與掃描寬度是系統(tǒng)提供的幾組參考值，便于掃描控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)。

所述掃描長度和掃描寬度可以參考紙張的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，例如：掃描長度和掃描寬度可以選擇A4、A3、B4、B5等紙張模板，如果選擇A4紙張模板就是選擇掃描長度為297mm，掃描寬度為210mm。

掃描時的掃描分辨率也是一個非常重要的參數(shù)。掃描分辨率可以為5、10、20、50、100、200um。設(shè)置的值越小，掃描的精度越高，但同時掃描需要花費的時間也會越長?？梢愿鶕?jù)待掃描物體的尺寸與需要的精度來決定。該掃描分辨率只是一個軸向的掃描分辨率，它是通過控制平移臺在Y軸向的偏移量來實現(xiàn)掃描分辨率，另一個軸向的分辨率是由所選用的X-Z二維激光輪廓儀自身的特性決定的。

由于X-Z二維激光輪廓儀執(zhí)行二維掃描時，是通過X-Z二維激光輪廓儀中的振鏡偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)二維掃描，由于振鏡的偏轉(zhuǎn)角度有限，所以掃描寬度也是有限的，通常情況下二維激光輪廓儀的最大掃描寬度小于待測物體的寬度。所以需要將待測物體分成多個矩形掃描面來完成。為了減少矩形掃描面的個數(shù)，將掃描寬度設(shè)置為X軸，掃描長度設(shè)置為Y軸。

具體需要分解為幾個相同的掃描矩形面，可以由設(shè)置的掃描寬度與二維激光輪廓儀的最大掃描寬度決定。

待測物體與X-Z二維激光輪廓儀的放置可以是以下3種形式：第一種：二維激光輪廓儀固定不動，待測物體分別沿X軸或Y軸平移；第二種：待測物體固定不動，二維激光輪廓儀分別沿X軸或Y軸平移；第三種：待測物體分別沿Y軸平移，二維激光輪廓儀沿X軸平移。

待測物體與X-Z二維激光輪廓儀保持固定的高度，X-Z二維激光輪廓儀采樣獲取待測物體表面的高程信息。

通過調(diào)用X-Z二維激光輪廓儀提供的數(shù)據(jù)獲取接口獲取高程信息，每次都是獲取固定個數(shù)點的高程信息，掃描長度為在最大掃描寬度時，獲取的所有點的高程信息都是有效值，由于物體厚度不均，當(dāng)掃描長度小于最大掃描寬度時，一行掃描數(shù)據(jù)中首尾的高程信息可以是無效值。但是需要保證每一行采集的點數(shù)總是固定的。在合并相鄰矩形掃面重疊部分的三維掃面數(shù)據(jù)時，選擇(X,Y)相同的重復(fù)坐標(biāo)點，參考2者的高程信息決定該坐標(biāo)點的三維信息，如果2者的高程信息都是有效值，則取2者的平均值，如果其中一個為有效值，一個為無效值，將該有效值作為合并后的高程信息，如果2者都是無效值，說明掃描無法覆蓋該掃面點，需要刪除該坐標(biāo)點。

下面以一個具體的實施例來加以說明：

待測物體是長為380mm，寬為250mm矩形物體。現(xiàn)需要獲取該物體表面的三維信息。激光輪廓儀測量時，使用高度為240mm。

首先根據(jù)待測物體的尺寸，選擇A3紙張模板參數(shù)，則掃描長度為420mm，掃描寬度為297mm。設(shè)置空間分辨率為200um。該分辨率是平移臺控制的Y軸方向上的分辨率。

用三維直角坐標(biāo)系來表示待測物體表面的三維信息，如圖2所示，X方向為掃描寬度方向，Y方向為掃描長度方向，Z方向為待測物體的高程方向。掃描過程中的高程Z坐標(biāo)信息可以通過調(diào)用X-Z二維激光輪廓儀提供的數(shù)據(jù)獲取接口獲取。而X軸和Y軸坐標(biāo)信息需要通過相關(guān)計算獲取：

已知X-Z激光輪廓儀的最大掃描寬度L_l＝80mm，每行可獲取點數(shù)N_line＝800，根據(jù)掃描寬度為297mm，最大掃描寬度為80mm，可以確定待測物體需要分為4個矩形掃描面來完成。如圖3所示，將待測物體沿X軸方向分解為4個矩形掃描面來掃描。相鄰的矩形掃描面之間有一定的重疊。

所述X-Z激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸方向每次平移預(yù)設(shè)長度為78mm。

掃描點沿X軸向的偏移量Δx可表示為：

則X坐標(biāo)可表示為：

x_i＝0.1mm×i,i＝1,2,3,…,800 (2)

其中i為每行點的列數(shù)。

Y軸掃描的行數(shù)為297mm/200mm＝1485.

y_j＝200um×n,n＝1,2,3,4,…,1485 (3)

其中n為掃描的行數(shù)。

如果X-Z二維激光輪廓儀相對于待測物體沿Y軸方向保持勻速直線運動，速率為v,X-Z二維激光輪廓儀間隔時間t采集一行掃描數(shù)據(jù)，則Y軸掃描的數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)還可以表示為

y_j＝v×t×n,n＝1,2,3,4,… (4)

其中n為掃描的行數(shù)。

待測物體需要分為4個矩形掃描面來完成。每次掃描完成一個矩形掃描面F，即沿著X軸方向平移78mm，需要沿X軸方向平移3次完成4個矩形掃描面的掃描，對于每個矩形掃描面的坐標(biāo)信息X坐標(biāo)可表達(dá)為：

X_k＝k×Δx_l+x_i＝k×78mm+0.1mm×i,i＝1,2,3,…,800,k＝0,1,2,3 (5)

其中i為每行點的列數(shù)，k為沿X軸方向平移的次數(shù)。

Y軸還是選用(4)或(5)的計算公式。

本發(fā)明中的X-Z二維激光輪廓儀和X-Y二維平移臺加上坐標(biāo)信息只是為了便于說明掃描的原理，不能視為對二維激光輪廓儀和二維平移臺的限制，只要是二維激光輪廓儀結(jié)合二維平移臺就可以實現(xiàn)三維信息采集。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種微觀結(jié)構(gòu)表面的三維信息采集系統(tǒng)，如圖4所示，包括：X-Z二維激光輪廓儀、控制設(shè)備和X-Y二維平移臺；所述X-Y二維平移臺用于放置待測物體與安裝所述X-Z二維激光輪廓儀，在所述控制設(shè)備的控制下，實現(xiàn)所述X-Z二維激光輪廓儀相對于所述待測物體沿X軸或Y軸發(fā)生平移；所述X-Z二維激光輪廓儀用于在所述控制設(shè)備的控制下采集所述待測物體的X-Z二維輪廓信息；所述控制設(shè)備包括：數(shù)據(jù)處理單元：用于合并所有矩形掃描面的掃描數(shù)據(jù)，建模得出待測物體的三維輪廓圖；掃描控制單元：用于控制所述X-Y二維平移臺平移和所述X-Z二維激光輪廓采樣實現(xiàn)三維掃描功能。通過使用該三維信息采集系統(tǒng)可以對珍貴文物的信息采集、還原、保存等都具有重要的實踐意義通過。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施場景的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發(fā)明所必須的。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解實施場景中的裝置中的模塊可以按照實施場景描述進行分布于實施場景的裝置中，也可以進行相應(yīng)變化位于不同于本實施場景的一個或多個裝置中。上述實施場景的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

上述本發(fā)明序號僅僅為了描述，不代表實施場景的優(yōu)劣。以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施場景，但是，本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍。