CN109405735B - 三维扫描系统和三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描系统和三维扫描方法。该三维扫描系统包括：图像采集模块，用于根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像；像素筛选模块，用于基于待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从待测物体图像中移除；三维重建模块，用于基于图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。根据本发明实施例提供的三维扫描系统，可以使用较低的时间成本，实现对物体三维尺寸的高速扫描。

Description

三维扫描系统和三维扫描方法

技术领域

本发明涉及三维重建领域，尤其涉及三维扫描系统和三维扫描方法。

背景技术

随着数字图像处理、数字投影显示和计算机处理技术的发展与成熟，结构光三维扫描技术得到了快速的发展。三维扫描系统可以将结构光投影到物体表面，由单个或多个摄像设备拍摄结构光投射下的图像，根据拍摄到的图像的形状利用三维重建算法来重建获取物体表面的三维尺寸信息。

为了扫描高对比度的物体表面，在拍摄结构光投射下的图像时，通常可以使用动态曝光的方法，对待测物体所处扫描区域内的所有像素进行多次曝光以获取图像，再利用三维重建算法重建物体表面的三维信息，由于该扫描过程需要对扫描范围内的所有像素都要进行多次曝光，需要耗费较高的时间成本。

发明内容

本发明实施例提供一种三维扫描系统和三维扫描方法，可以使用较低的时间成本，实现对物体三维尺寸的高速扫描。

根据本发明实施例的一方面，提供一种三维扫描系统，包括：

图像采集模块，用于根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像；

像素筛选模块，用于像素筛选模块，用于基于待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从待测物体图像中移除；

三维重建模块，用于基于该图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的所述重建区域的三维尺寸。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种三维扫描方法，包括：

根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像；

基于待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从待测物体图像中移除；

基于该图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。

根据本发明实施例中三维扫描系统和扫描方法，根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像，基于待测物体图像的像素中选取像素的振幅，对大于或等于预设振幅阈值的像素进行三维重建，本发明实施例的扫描系统和扫描方法，不需要对扫描范围内的所有像素都进行多次曝光，从而通过较低的时间成本实现高对比度物体表面的自动扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是示出根据本发明一实施例的三维扫描系统的结构示意图；

图2是示出本发明另一实施例的三维扫描系统的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的三维扫描方法的流程图；

图4是根据本发明另一实施例的三维扫描方法的流程图；

图5是示出了可以实现根据本发明实施例的三维扫描方法的计算设备的示例性硬件架构的结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好的理解本发明，下面将结合图1和图2，详细描述根据本发明实施例的三维扫描系统和扫描方法，应注意，这些实施例并不是用来限制本发明公开的范围。

图1为根据本发明实施例的三维扫描系统100的示意图。如图1所示，三维扫描系统100可以包括投影设备112、摄像设备114和处理器120。

在图1中，投影设备112可以向指定扫描区域(图中未示出)内的待测物体表面投射结构光，投射的结构光经过物体表面的反射，摄像设备114可以拍摄经待测物体表面反射的结构光，在设定的图像采集参数下，得到该结构光编码图投射下的扫描区域图像。

在一个实施例中，可以将结构光投射范围内的待测物体的指定区域，称为结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，其中，该第一区域的尺寸小于等于待测物体的整体尺寸。

作为一个示例，投影设备112例如可以是扫描仪，摄像设备114例如可以是照相机。

在本发明实施例中，结构光表示已知空间方向的投影光线的集合。作为一个示例，投影设备112向待测物体表面投射的结构光编码图为正弦条纹图像，即该条纹图像中像素的强度是按照正弦信号变化的。

在本发明实施例中，三维扫描系统的图像采集参数包括：摄像设备的曝光时间、摄像设备的光圈直径、投影设备的投影亮度以及投射的结构光的强度等。

为了便于理解，下面通过具体实施例详细描述利用三维扫描系统100扫描待测物体，并对待测物体进行三维重建的过程。

在本发明实施例中，投影设备112向待测物体表面投射结构光编码图时，可以对结构光编码图中的光条纹进行编码，通过对结构光的编码可以对投射的结构光中的不同光条纹进行定位和匹配，从而根据摄像设备114采集的结构光投射下的待测物体图像进行解码后，可以得到投影设备和摄像设备的像素位置对应关系，该像素位置对应关系可用于对待测物体图像的三维重建。

结构光的编码形式有多种，在一些实施例中，例如可以基于二进制码或多个与颜色相关联的符号，对投射的结构光编码图上的光条纹进行编码。

在一些实施例中，可以通过相移法扫描待测物体，即每次投射的结构光编码图可以具有一定的相位。

作为一个示例，该结构光编码图的编码形式可以用下述公式(1)表示：

I_n(x_p，y_p)＝o+acos(ωx_p+θ_n) (1)

在上述公式(1)中，(x_p，y_p)表示投影设备112上的像素坐标，I_n(x_p，y_p)表示该结构光编码图的像素的强度，o表示该结构光编码图的像素的偏距，a表示该结构光编码图的像素的振幅，ω表示该结构光编码图的像素的周期并且ω＝2πf，f表示该结构光编码图的像素的频率，θ_n表示该结构光编码图的像素的偏移相位，且θ_n＝2πn/N，其中N表示相位偏移的总数。

在该实施例中，可以将公式(1)作为结构光编码图的编码形式，投影设备112可以通过上述公式(1)对结构光进行编码，例如编码成类似条纹的图像或条纹光栅，并输出为结构光编码图中像素的强度I_n(x_p，y_p)。

在一个实施例中，可以将上述公式(1)中投影设备112投射的结构光编码图的像素的偏距、结构光编码图的像素的振幅以及结构光编码图的像素偏移的相位作为结构光编码图的编码信息。

在一个示例中，结构光编码图的像素的偏距o可以表示为待测物体在结构光编码图投射下的像素的位置的偏移值，结构光编码图的像素的偏移相位θ_n可以与待测物体上对应像素点的高度具有对应关系，如果要获取物体表面的高度信息，需要确定摄像设备114拍摄的结构光编码图投射下的待测物体图像中像素的相位变化。

因此，当投影设备112将N幅具有一定相位差的结构光编码图投射到被测物体表面，结构光编码图受被测物体高度的影响而发生形变，摄像设备114根据设定的图像采集参数拍摄经待测物体表面反射的结构光，拍摄到的结构光编码图投射下的待测物体图像可以通过下述公式表示：

R_n(x，y)＝o_ω+a_ωcos(ωx_p+θ_n) (2)

在上述公式(2)中，n的取值为1，2，…，N，(x，y)表示摄像设备114上的像素坐标，R_n表示摄像设备114拍摄的待测物体图像中像素的强度，o_ω表示拍摄的待测物体图像中像素的偏距，a_ω表示拍摄的待测物体图像中像素的振幅，θ_n拍摄的待测物体图像中像素的相位。

在一些实施例中，可以将上述公式(2)作为拍摄的待测物体图像的解码形式，处理器120可以通过上述公式(2)对拍摄的待测物体图像进行解码。

在该实施例中，可以将要投射的结构光编码图在一个周期内均匀移动N次，每次移动2π/N个相位，从而得到相位差为2π/N的N幅结构光编码图。

在该实施例中，摄像设备114拍摄的每一幅结构光投射下的待测物体图像，均可以表示为上述公式(2)所示的解码形式的方程式，通过联立每幅结构光投射下的待测物体图像的解码形式的方程式，可以求解得到拍摄的待测物体图像中像素的相位。

作为一个具体的示例，相位偏移的总数N的取值可以是大于等于3，即投影设备112需要向待测物体投射至少3幅具有一定相位差的结构光编码图。

具体地，处理器120可以通过求解上述公式(2)对待测物体图像进行解码，得到结构光编码图中像素的位置与待测物体图像中像素的位置的像素位置对应关系，即投影设备和摄像设备的像素位置对应关系。

在本发明实施例中，处理器120可以用于向投影设备112提供上述实施例中经过编码的结构光编码图，即处理器120可以利用上述公式(1)对结构光编码图进行编码，并将包含编码信息的结构光编码图输出为结构光编码图中像素的强度。

在一个实施例中，处理器120可以将N幅具有一定相位差的结构光编码图进行合并为一幅结构光编码图，投影设备112可以向待测物体表面投射合并后的结构光编码图。

作为一个示例，处理器120可以将N幅具有一定相位偏移的黑白光栅图像编码成一幅彩色光栅图像，这样投射一幅彩色光栅图像就可以达到投射三幅黑白光栅的效果，提高了实时扫描物体三维尺寸的速度和效率。

在一个实施例中，三维扫描系统往往是对整个扫描区域投射结构光编码图，为了获取更高质量的结构光编码图投射下的待测物体图像，可以在待测物体所在的扫描区域内放置一个纯色背景图像，通过待测物体的颜色与该纯色背景图像的颜色的反差区分结构光编码图投射下的待测物体的第一区域和背景区域。

作为一个示例，该纯色的背景图像还可以是白色、黑色、绿色、蓝色、红色等与待测物体的主体颜色反差较大的单色。

也就是说，当扫描区域包括待测物体区域和背景区域时，处理器120还可以包括待测物体图像确定单元(图中未示出)，待测物体图像确定单元可以用于获取结构光投射下的扫描区域图像中的待测物体图像。

在该实施例中，可以将扫描区域中结构光编码图投射下的待测物体的区域识别为待测物体的第一区域。

在一个实施例中，如果整个扫描区域都需要进行三维扫描，则不需要进行上述实施例中区分待测物体区域和背景区域的步骤，并可以将该扫描区域在结构光编码图投射下的图像区域标记为待测物体区域。

继续参考图1，在一些实施例中，处理器120还可以包括：像素筛选模块122和三维重建模块124。

在该实施例中，处理器120可以通过求解上述公式(2)对待测物体图像进行解码，得到待测物体图像中像素的振幅。

为了加快计算速度，也可以采用求解像素的振幅的近似算法，将摄像设备114采集的结构光投射下的待测物体图像中像素强度的方差，作为待测物体图像中像素的振幅。

在本发明实施例中，像素筛选模块122可以根据待测物体图像中像素的振幅，对待测物体图像中的像素进行筛选。

具体地，像素筛选模块122可以从待测物体图像的像素中选取像素振幅大于预设振幅阈值的像素，并可以将大于等于预设振幅阈值的像素作为待测物体图像中移除的像素。

在一些实施例中，三维重建模块124可以基于图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。

具体地，三维重建模块124可以利用三角测量的方法，根据摄像设备拍摄的待测物体图像中像素的相位，以及投影设备和摄像设备的像素位置对应关系，对待测物体的三维尺寸进行还原。

在本发明实施例中，像素阈值的设定决定了构建待测物体的重建区域的三维尺寸的精度和可信度，预设的像素阈值越大，待测物体图像中满足大于该像素阈值的像素越少，后续对重建区域进行三维重建得到的尺寸数据越精确。作为一个示例，本发明实施例中预设的像素阈值可以是5。

在本发明实施例中，对于待测物体区域的待测物体图像中未移除的像素，可以通过调整摄像设备114的图像采集参数重新进行图像采集。

具体地，该处理器120还可以包括：参数调整模块126，用于调整图像采集参数。

在图像采集参数调整之后，图像采集模块还可以用于根据调整的图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到调整后的待测物体图像。

像素筛选模块还可以用于从调整后的待测物体图像中移除已移除的像素，得到更新的待测物体图像，并基于更新的待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素作为待移除的像素，从更新的待测物体图像中移除待移除的像素。

在本发明实施例中，三维扫描系统还可以包括扫描停止控制模块，用于向参数调整模块发送参数调整指令，直到满足扫描停止条件时，停止向参数调整模块发送参数调整指令。

在一个实施例中，待测物体图像中像素的偏距可以通过求解上述公式(2)以对待测物体图像进行解码，得到待测物体图像中像素的偏距。

为了加快计算速度，也可以采用求解像素的偏距的近似算法，将摄像设备114采集的结构光投射下的待测物体图像中像素强度的均值，作为待测物体图像中像素的偏距。

为了便于理解，计算待测物体图像中移除的像素的偏距的均值，将该移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算待测物体图像中未移除的像素的偏距的均值，将未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值。

当图像采集参数为曝光时间、投影亮度或投射的结构光强度时，该参数调整模块具体可以用于：

当第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加该图像采集参数，并将增加的图像采集参数作为调整的图像采集参数，当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低该图像采集参数，并将降低的图像采集参数作为调整的图像采集参数。

作为一个示例，图像采集参数为曝光时间，当第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加曝光时间，并将增加的曝光时间作为调整的曝光时间；当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低曝光时间，并将降低的曝光时间作为调整的曝光时间。

作为一个示例，图像采集参数为投影亮度，当第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加投影亮度，并将增加的投影亮度作为调整的投影亮度；当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低投影亮度，并将降低的投影亮度作为调整的投影亮度。

作为一个示例，图像采集参数为投射的结构光强度，当第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加结构光编码图的强度，并将增加的结构光编码图的强度作为调整的结构光编码图的强度；当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低结构光编码图的强度，并将降低的结构光编码图的强度作为调整的结构光编码图的强度。

当图像采集参数为光圈系数时，该参数调整模块具体用于：第二偏距均值小于第一偏距均值时，降低光圈系数，并将降低的光圈系数作为调整的光圈系数；当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，增加光圈系数，并将增加的光圈系数作为调整的光圈系数。

在本发明实施例中，对待测物体进行扫描时，根据设置的图像采集参数采集待测物体的指定区域在结构光编码图投射下的待测物体图像，并对采集的待测物体图像中像素进行筛选，选取大于预设振幅阈值的像素进行三维重建，从而保证利用每次曝光后选取的待测物体图像中的像素通过三维重建都可以具有较高的精度，扫描效果好。

并且，通过将待测物体图像中未被选取用于进行三维重建的像素的偏距，与被选取用于进行三维重建的像素的偏距进行对比，有针对性的降低调整图像采集参数，以继续筛选大于预设振幅阈值的像素进行三维重建。

根据本发明实施例的三维扫描系统100，扫描过程可以只对待测物体指定区域中还未进行三维重建的待测物体图像中的像素所在的区域进行曝光，并从中筛选新的可以进行重建的区域，相比需要对扫描范围内的全部像素进行多次曝光以选取合适的像素进行重建，极大的节约了时间成本。

在本发明实施例中，通过图像采集参数的调整可以获得待测物体图像中的像素的最佳偏距，从而通过三维重建得到更为精确的三维尺寸。

在一个实施例中，由于摄像设备114支持的曝光时间和光圈系数有限，为了尽快的找到最佳曝光时间，作为一个示例，如果图像采集参数为曝光时间，曝光时间的初始值可以设置为曝光时间可选范围内的曝光时间的上限或曝光时间的下限；作为一个示例，如果图像采集参数为光圈系数，则光圈系数的初始值可以设置为光圈系数可选范围内的光圈系数的上限或光圈系数下限。

作为一个示例，如果摄像设备114的曝光时间可选范围不连续，曝光时间的可选范围内相邻的曝光时间可选值之间具有固定的步长，如果需要增加曝光时间，将当前曝光时间与一个固定的步长的绝对值相加，得到新的曝光时间即增加的曝光时间；如果需要降低曝光时间，当前曝光时间与一个固定的步长的绝对值相减，得到新的曝光时间即降低的曝光时间。

如果摄像设备114的曝光时间可选范围为连续空间，如果需要增加曝光时间，将当前曝光时间与该连续空间的最大值之间的中位数，作为新的曝光时间；如果需要降低曝光时间，将当前曝光时间与该连续空间的最小值之间的中位数，作为新的曝光时间。

作为一个示例，当摄像设备114的曝光时间的取值范围为枚举的可选值，选择固定步长例如曝光时间的取值范围为

时，当前曝光时间为

个时间单位，且需增加曝光时间时，设置新的曝光时间为

个时间单位。

作为一个示例，当摄像设备114的曝光时间的取值范围为连续空间例如[0，1]，当前曝光时间为0.5个时间单位且需增加曝光时间时，设置新的曝光时间为为0.5与1之间的中位数，即新的曝光时间为0.75个时间单位。

在本发明实施例的三维扫描系统100中，如果未移除的像素对应的区域的尺寸与第一次对待测物体进行三维扫描时结构光编码图投射下的指定区域尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围时，则可以停止对图像采集参数进行调整，即停止对待测物体进行扫描。

作为一个示例，未移除的像素对应的区域的尺寸与本发明实施例的第一区域的尺寸的比值小于1％时，停止对图像采集参数进行调整。

作为一个示例，当设备曝光时间的取值范围内的曝光时间或光圈系数已用尽，曝光时间不可能更快或更慢时，光圈系数不可能更大或更小，则停止对图像采集参数进行调整或停止扫描待测物体区域，在可用的曝光时间或光圈系数范围内获取最佳的待测物体图像的偏距，保证对待测物体图像进行三维重建的精度。

在本发明实施例中，当图像采集参数为投影亮度或投射的结构光强度时，

在该实施例中，扫描停止条件中通过未移除的像素对应的区域的尺寸比例的限定，可以最大程度地采集待测物体图像中的像素，对待测物体的图像进行三维重建，使得到的待测物体的三维尺寸具有较高的还原度。

在实际应用场景中，当对待测物体进行扫描时，如果对待测物体的表面和几何信息的三维重建并没有太高的要求，或者经过测试发现在扫描一些特定类型的待测物体时，只需要进行有限次数的曝光就可以达到较好的三维重建效果。

此时，本发明实施例的三维扫描系统可以具有更灵活的设置，即在对待测物体进行三维扫描时，可以根据用户的实际需求或使用经验，设定最大曝光次数。

根据本发明实施例的三维扫描系统，可以使用较低的时间成本，实现对物体三维尺寸进行低成本、高精度和高还原度的扫描。

在一个示例性实施例中，本发明实施例的三维扫描系统可以是一种三维扫描仪。

该三维扫描仪可以包括如图1所示的投影设备例如投影仪、摄像设备例如相机和处理器，该三维扫描仪可以用于检测和分析待测物体的表面和几何信息。

作为一个示例，待测物体可以是具有高对比度表面的商品。

当需要检测的物体是一种具有黑白两色的高对比度表面时，当白色发生过曝，即摄像设备拍摄的白色区域在结构光投射下的图像的像素的第二偏距均值大于第一偏距均值时，则可以通过降低曝光时间、增加光圈系数、降低投影亮度或投射的结构光的强度中的任一种，重新进行曝光后，原本曝光成功的黑色区域不参与本次曝光，而通过上述图像采集参数的调整，发生过曝的白色可以正常进行曝光，从而可以从结构光投射下高对比度物体正常曝光的图像中的像素进行重建，处理速度较快，并且得到较精确的重建效果。

在一些实施例中，图像采集参数的初始值例如曝光时间可以是该图像采集参数的最优值，在存在高对比度表面的情况下，摄像设备114可以根据初始的图像采集参数例如曝光时间拍摄结构光透射下的待测物体图像，只要待测物体图像中像素满足三维重建的要求，即待测物体图像中像素的振幅大于预设的振幅阈值，三维扫描系统就可以对待测物体图像中的大部分像素进行解码后的三维重建；而对于待测物体图像中不满足重建要求的像素，可以在调整对应的图像采集参数后重新进行曝光，以进一步筛选待测物体图像中满足三维重建要求的像素。

因此，当待测物体存在不同对比度表面，通过上述公式(2)的一次解码过程，可以对待测物体表面的大部分像素解码以进行三维重建，从而降低后续曝光过程中解码和三维重建的计算量，具有较高的处理效率。

在一个实施例中，该三维扫描仪同样可以用于对非高对比度表面的物体进行检测，对非高对比度表面的物体进行检测时，不需要多次调整曝光时间，在经过扫描过程的一次曝光后，摄像设备采集的待测物体图像中的像素基本都可以完成重建，从而降低了扫描过程中的计算复杂度。

在一些实施例中，对待测物体进行三维扫描时，在不确定最优图像采集参数的情况下，摄像设备114采集结构光投射下的待测物体时的图像采集参数的初始值可能不是一个最优值。此时，本发明实施例的三维扫描系统可以根据后续三维重建的结果调整该图像采集参数，在经过有限次数的调整后可以得到对应的图像采集参数的最优值，后续再对相同和同类的该待测物体进行扫描时，可以直接使用或参考该图像采集参数的最优值进行初始图像采集参数的设定，实现三维扫描系统曝光时间的自动调焦能力。

在本发明实施例中，可以根据调整图像采集参数时间成本和硬件支持等情况，选择合适的图像采集参数。

图2是示出根据本发明另一实施例的三维扫描系统的结构示意图。如图2所示，三维扫描系统200包括：图像采集模块110、像素筛选模块122和三维重建模块124。

在三维扫描系统200中，图像采集模块110，可以用于根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像。

在一些实施例中，图像采集参数包括曝光时间、光圈系数、投影亮度或投射的结构光强度。

在一些实施例中，图像采集模块110还包括：

投影设备112，可以用于利用相移法向待测物体的第一区域投射结构光编码图。

摄像设备114，可以根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像。

在三维扫描系统200中，像素筛选模块122可以用于利用结构光编码图投射下的待测物体图像中像素的振幅，筛选出大于等于预设振幅阈值的像素作为待测物体图像中移除的像素，并更新待测物体区域为未移除的像素所在的区域。

在一些实施例中，图像采集模块110还可以包括：

参数调整模块，用于调整图像采集参数。

图像采集模块110，还用于根据调整的图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的第一区域，得到调整后的待测物体图像；

像素筛选模块122，还用于从调整后的待测物体图像中移除已移除的像素，得到更新的待测物体图像，并基于更新的待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素作为待移除的像素，从更新的待测物体图像中移除待移除的像素；

扫描停止控制模块，用于向参数调整模块发送参数调整指令，直到满足扫描停止条件，确定停止发送参数调整指令。

在一些实施例中，扫描停止条件为：未移除的像素对应的区域的尺寸与第一区域的尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围。

在一些实施例中，像素筛选模块122还可以包括：

振幅计算单元，可以用于计算待测物体图像中像素的强度值的方差，将强度值的方差作为待测物体图像中像素的振幅。

在三维扫描系统200中，三维重建模块124可以基于图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。

在一些实施例中，三维重建模块124还可以包括：

解码单元，可以用于利用N个结构光编码图投射下拍摄的待测物体图像的重建区域中的像素的强度，构建符合结构光编码图的编码形式的方程式，求解方程式得到重建区域中的像素的相位，以及结构光编码图中像素的位置与重建区域中像素的位置的像素位置对应关系。

三维尺寸还原单元，可以用于利用三角测量的方法，根据重建区域中的像素的相位和像素位置对应关系，还原待测物体在重建区域中的三维尺寸。

根据本发明实施例的三维扫描系统，利用相移法扫描物体，并仅对待测物体区域进行相位计算，得到更新的待测物体区域中像素的相位信息。

在一些实施例中，当图像采集参数包括曝光时间、投影亮度或投射的结构光强度时，曝光时间调整模块具体可以包括：

偏距计算单元，可以用于计算待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到待移除的像素的偏距和未移除的像素的偏距。

偏距均值计算单元，可以用于计算待移除的像素的偏距的均值，将待移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算未移除的像素的偏距的均值，将未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值。

参数更新单元，可以用于当第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加图像采集参数，并将增加的图像采集参数作为调整的图像采集参数，当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低图像采集参数，并将降低的图像采集参数作为调整的图像采集参数。

在一些实施例中，当图像采集参数包括光圈系数时，曝光时间调整模块具体可以包括：

偏距计算单元，用于计算待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到待移除的像素的偏距和未移除的像素的偏距；

偏距均值计算单元，用于计算待移除的像素的偏距的均值，将待移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算未移除的像素的偏距的均值，将未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值；

参数更新单元，用于当第二偏距均值小于第一偏距均值时，降低光圈系数，并将降低的光圈系数作为调整的光圈系数，当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，增加光圈系数，并将增加的图像采集参数作为调整的光圈系数。

在该实施例中，通过图像采集参数的调整，在扫描过程中通过重新曝光进一步筛选待测物体区域中的可以进行重建的像素。

在本发明实施例中，对待测物体进行三维扫描时，可以对当前的待测物体区域中的像素进行基于像素振幅的筛选，筛选出待测物体区域中的可以进行三维重建的像素，更新待测物体区域，并通过图像采集参数的调整，继续对待测物体区域中的像素进行筛选和相应的三维重建。本发明实施例对待测物体进行三维扫描的过程可以是一个迭代的过程，相较每次扫描都需要对扫描范围内的全部像素进行多次曝光以选取合适的像素进行重建，极大的节约了时间成本。

并且，在本发明实施例中，根据当前一次扫描中未被筛选出的像素和筛选出的可以进行重建的像素的偏距的比较和分析来调整图像采集参数，以获取像素的最佳偏距，而像素的偏距包含该像素点的高度信息。因此，有针对性的增加或降低对应的图像采集参数，以获得待测物体区域中像素的最佳偏距，可以提高对待测物体进行三维重建的精度。

根据本发明实施例的三维扫描系统200的其他细节与以上结合图1描述的根据本发明实施例的三维扫描系统100类似，在此不再赘述。

图3是示出根据本发明实施例的三维扫描方法的流程图。如图1所示，本发明实施例中的三维扫描方法300包括以下步骤：

步骤S110，根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像。

在一些实施例中，步骤S110可以包括：

步骤S111，利用相移法向待测物体的第一区域投射结构光编码图。

步骤S112，根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域。

步骤S120，基于待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从待测物体图像中移除。

步骤S130，基于图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。

在一些实施例中，三维扫描方法300还包括：

步骤S140，调整图像采集参数。

步骤S150，根据调整的图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的第一区域，得到调整后的待测物体图像。

步骤S160，从调整后的待测物体图像中移除已移除的像素，得到更新的待测物体图像，并基于更新的待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素作为待移除的像素，从更新的待测物体图像中移除待移除的像素。

步骤S170，当满足扫描停止条件时，确定调整图像采集参数。

在一些实施例中，扫描停止条件为：未移除的像素对应的区域的尺寸与第一区域的尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围。

在一些实施例中，步骤S130中对重建区域进行三维重建的步骤可以包括：

步骤S131，利用N个在结构光编码图投射下拍摄的待测物体的重建区域中的像素的强度，构建符合结构光编码图的编码形式的方程式，求解方程式得到重建区域中的像素的相位，以及结构光编码图中像素的位置与重建区域中像素的位置的像素位置对应关系。

步骤S132，利用三角测量的方法，根据重建区域中的像素的相位和像素位置对应关系，还原待测物体在重建区域中的三维尺寸。

在一些实施例中，步骤S140中调整图像采集参数的步骤具体可以包括：

步骤S141，计算待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到待移除的像素的偏距和未移除的像素的偏距。

步骤S142，计算移除的像素的偏距的均值，将移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算未移除的像素的偏距的均值，将未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值。

步骤S143-01，用于当图像采集参数包括曝光时间、投影亮度或投射的结构光强度，如果第二偏距均值小于第一偏距均值时，增加对应的图像采集参数，并将增加的曝光时间作为调整的图像采集参数，如果第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，降低对应的图像采集参数，并将降低的图像采集参数作为调整的图像采集参数。

步骤S143-02，当图像采集参数包括光圈系数，如果第二偏距均值小于第一偏距均值时，降低光圈系数，并将降低的光圈系数作为调整的光圈系数，当第二偏距均值大于等于第一偏距均值时，增加光圈系数，并将增加的光圈系数作为调整的光圈系数。

根据本发明实施例的三维扫描方法，可以使用较低的时间成本，实现对物体三维尺寸进行低成本、高精度和高还原度的扫描。

为了更好的理解，下面以图像采集参数为曝光时间为例，详细描述根据本发明实施例的三维扫描方法。

图4示出了根据本发明另一实施例的三维扫描方法的流程图。如图4所示，在一些实施例中，利用三维扫描系统对物体进行三维扫描，可以包括以下步骤：

步骤S401，设置三维扫描系统中摄像设备的曝光时间的初始值。

在步骤S401，曝光时间的初始值可以是摄像设备包曝光时间可选范围的最大值或最小值。

步骤S402，根据设定的曝光时间拍摄待测物体区域在结构光编码图投射下的待测物体图像。

在一个实施例中，投射的结构光可以表示为上述公式(1)所示的编码形式。

在一个实施例中，拍摄的结构光编码图投射下的待测物体图像可以表示为上述公式(2)所示的解码形式。

步骤S403，计算待测物体图像中的像素的振幅。

在一个实施例中，可以利用上述公式(1)对结构光的编码过程和上述公式(2)对待测物体图像的解码过程计算得到待测物体图像中的像素的振幅。

为了加快计算速度，在另一个实施例中，也可以采用求解像素的振幅的近似算法，将摄像设备114采集的结构光投射下的待测物体图像中像素强度的方差，作为待测物体图像中像素的振幅。

步骤S404，判断待测物体图像中像素的振幅是否大于预设振幅阈值。

步骤S405，将大于或等于振幅阈值的像素从待测物体图像中移除，并对移除的像素对应的区域进行三维重建。

步骤S406，对于待测物体图像中小于预设振幅阈值的像素作为未移除的像素。

步骤S407，判断未移除的像素对应区域的尺寸是否满足扫描停止条件。

在一个实施例中，扫描停止条件可以是：未移除的像素对应的区域的尺寸与第一区域的尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围。

在另一个实施例中，扫描停止条件可以是：达到设定的曝光次数限制。

在该步骤中，如果更新的待测物体区域满足扫描停止条件，则执行步骤S411，停止扫描待测物体。

步骤S408，如果不满足扫描停止条件，计算本次曝光中移除的像素的偏距的均值K1，和本次曝光中未移除的像素的偏距的均值K2。

在一个实施例中，可以利用上述公式(1)对结构光的编码过程和上述公式(2)对待测物体图像的解码过程计算得到待测物体图像中的像素的偏距。

为了加快计算速度，也可以采用求解像素的偏距的近似算法，将摄像设备采集的结构光投射下的待测物体图像中像素强度的均值，作为待测物体图像中像素的偏距。

在该步骤中，可以根据待测物体图像中像素的偏距，计算得到待测物体图像中移除的像素的偏距的均值K1，和本次曝光中未移除的像素的偏距均值K2。

步骤S409，K2小于K1时，增加曝光时间，K2大于等于K1时，降低曝光时间。

步骤S410，判断调整的曝光时间是否满足如上的扫描停止条件，如果不满足，则可以重复上述S402到S409的步骤。即在新的曝光时间下筛选待测物体区域中可以进行三维重建的像素。

步骤S411，如果调整的曝光时间满足扫描停止条件，停止扫描待测物体。即调整的曝光时间超出允许的曝光时间范围，停止扫描待测物体或停止调整曝光时间。

根据本发明实施例的三维扫描方法的其他细节与以上结合图1描述的根据本发明实施例的三维扫描系统类似，在此不再赘述。

结合图1至图4描述的根据本发明实施例的三维扫描系统和三维扫描方法可以由计算设备实现。

图5是示出能够实现根据本发明实施例的三维扫描系统和三维扫描方法的计算设备的示例性硬件架构的结构图。

如图4所示，计算设备500包括输入设备501、输入接口502、中央处理器503、存储器504、输出接口505、以及输出设备506。其中，输入接口502、中央处理器503、存储器504、以及输出接口505通过总线510相互连接，输入设备501和输出设备506分别通过输入接口502和输出接口505与总线510连接，进而与计算设备500的其他组件连接。

具体地，输入设备501接收来自外部(例如，三维扫描仪上安装的摄像头)的输入信息，并通过输入接口502将输入信息传送到中央处理器503；中央处理器503基于存储器504中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器504中，然后通过输出接口505将输出信息传送到输出设备506；输出设备506将输出信息输出到计算设备500的外部供用户使用。

也就是说，图5所示的计算设备也可以被实现为包括：存储有计算机可执行指令的存储器；以及处理器，该处理器在执行计算机可执行指令时可以实现结合图1至图4描述的三维扫描系统和三维扫描方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品或计算机可读存储介质的形式实现。计算机程序产品或计算机可读存储介质包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种三维扫描系统，包括：

图像采集模块，用于根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像；

像素筛选模块，用于基于所述待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从所述待测物体图像中移除；

三维重建模块，用于基于所述图像采集参数，将所述待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建所述待测物体的所述重建区域的三维尺寸。

2.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其中，所述三维扫描系统还包括：

参数调整模块，用于调整所述图像采集参数；

所述图像采集模块，还用于根据调整的图像采集参数拍摄在所述结构光编码图投射下的所述第一区域，得到调整后的待测物体图像；

所述像素筛选模块，还用于从所述调整后的待测物体图像中移除已移除的像素，得到更新的待测物体图像，并基于所述更新的待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于所述振幅阈值的像素作为待移除的像素，从所述更新的待测物体图像中移除所述待移除的像素；

扫描停止控制模块，用于向所述参数调整模块发送参数调整指令，直到满足扫描停止条件，确定停止发送所述参数调整指令。

3.根据权利要求2所述的三维扫描系统，所述扫描停止条件为：

未移除的像素对应的区域的尺寸与所述第一区域的尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者所述调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围。

4.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其中，所述图像采集模块包括：

投影设备，用于利用相移法向所述待测物体的第一区域投射结构光编码图；

摄像设备，用于根据所述图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的所述待测物体的第一区域，得到所述待测物体图像。

5.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其中，所述像素筛选模块包括：

振幅计算单元，用于计算所述待测物体图像中像素的强度值的方差，将所述强度值的方差作为所述待测物体图像中像素的振幅。

6.根据权利要求1所述的三维扫描系统，其中，所述结构光编码图的数量为N，所述N大于等于3，并且每个结构光编码图中位于相同像素坐标位置的像素具有不同的偏移相位；

所述三维重建模块包括：

解码单元，用于利用N个在所述结构光编码图投射下拍摄的待测物体的重建区域中的像素的强度，构建符合所述结构光编码图的编码形式的方程式，求解所述方程式得到所述重建区域中的像素的相位，以及所述结构光编码图中像素的位置与所述重建区域中像素的位置的像素位置对应关系；

三维尺寸还原单元，用于利用三角测量的方法，根据所述重建区域中的像素的相位和所述像素位置对应关系，还原所述待测物体在所述重建区域中的三维尺寸。

7.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其中，所述图像采集参数包括曝光时间、投影亮度或投射的结构光强度；

所述参数调整模块包括：

偏距计算单元，用于计算所述待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到所述待移除的像素的偏距和所述未移除的像素的偏距；

偏距均值计算单元，用于计算所述待移除的像素的偏距的均值，将所述待移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算所述未移除的像素的偏距的均值，将所述未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值；

参数更新单元，用于当所述第二偏距均值小于所述第一偏距均值时，增加所述图像采集参数，并将增加的图像采集参数作为调整的图像采集参数，当所述第二偏距均值大于等于所述第一偏距均值时，降低所述图像采集参数，并将降低的图像采集参数作为调整的图像采集参数。

8.根据权利要求2所述的三维扫描系统，其中，所述图像采集参数包括光圈系数；

所述参数调整模块包括：

偏距计算单元，用于计算所述待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到所述待移除的像素的偏距和所述未移除的像素的偏距；

偏距均值计算单元，用于计算所述待移除的像素的偏距的均值，将所述待移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算所述未移除的像素的偏距的均值，将所述未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值；

参数更新单元，用于当所述第二偏距均值小于所述第一偏距均值时，降低所述光圈系数，并将降低的光圈系数作为调整的光圈系数，当所述第二偏距均值大于等于所述第一偏距均值时，增加所述光圈系数，并将增加的图像采集参数作为调整的光圈系数。

9.一种三维扫描方法，包括：

根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，得到待测物体图像；

基于所述待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于振幅阈值的像素从所述待测物体图像中移除；

基于所述图像采集参数，将待测物体的与已移除的像素所对应的区域作为重建区域，构建待测物体的重建区域的三维尺寸。

10.根据权利要求9所述的三维扫描方法，还包括：

调整所述图像采集参数；

根据调整的图像采集参数拍摄在所述结构光编码图投射下的所述第一区域，得到调整后的待测物体图像；

从所述调整后的待测物体图像中移除已移除的像素，得到更新的待测物体图像，并基于所述更新的待测物体图像中像素的振幅，将大于或等于所述振幅阈值的像素作为待移除的像素，从所述更新的待测物体图像中移除所述待移除的像素；

当满足扫描停止条件时，确定调整所述图像采集参数。

11.根据权利要求9所述的三维扫描方法，其中，

所述扫描停止条件为：未移除的像素对应的区域的尺寸与所述第一区域的尺寸的比值小于预设尺寸比例阈值，或者调整后的图像采集参数超出允许的图像采集参数范围。

12.根据权利要求9所述的三维扫描方法，所述根据图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的待测物体的第一区域，包括：

利用相移法向所述待测物体的第一区域投射结构光编码图；

根据所述图像采集参数拍摄在结构光编码图投射下的所述待测物体的第一区域。

13.根据权利要求9所述的三维扫描方法，其特征在于，所述结构光编码图的数量为N，所述N大于等于3，并且每个结构光编码图中位于相同像素坐标位置的像素具有不同的偏移相位；

所述构建待测物体的重建区域的三维尺寸，包括：

利用N个在所述结构光编码图投射下拍摄的待测物体的重建区域中的像素的强度，构建符合所述结构光编码图的编码形式的方程式，求解所述方程式得到所述重建区域中的像素的相位，以及所述结构光编码图中像素的位置与所述重建区域中像素的位置的像素位置对应关系；

利用三角测量的方法，根据所述重建区域中的像素的相位和所述像素位置对应关系，还原所述待测物体在所述重建区域中的三维尺寸。

14.根据权利要求9所述的三维扫描方法，其中，所述图像采集参数包括曝光时间、投影亮度或投射的结构光强度；

所述方法还包括：调整所述图像采集参数；其中，

所述调整所述图像采集参数，包括：

计算所述待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到所述待移除的像素的偏距和所述未移除的像素的偏距；

计算所述移除的像素的偏距的均值，将所述移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算所述未移除的像素的偏距的均值，将所述未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值；

用于当所述第二偏距均值小于所述第一偏距均值时，增加所述图像采集参数，并将增加的图像采集参数作为调整的图像采集参数，当所述第二偏距均值大于等于所述第一偏距均值时，降低所述图像采集参数，并将降低的图像采集参数作为调整的图像采集参数。

15.根据权利要求9所述的三维扫描方法，其中，所述图像采集参数包括光圈系数；

所述方法还包括：调整所述图像采集参数；其中，

所述调整所述图像采集参数，包括：

计算所述待测物体图像中待移除的像素的强度值的均值和未移除的像素的均值，得到所述待移除的像素的偏距和所述未移除的像素的偏距；

计算所述移除的像素的偏距的均值，将所述移除的像素的偏距的均值作为第一偏距均值，以及计算所述未移除的像素的偏距的均值，将所述未移除的像素的偏距的均值作为第二偏距均值；

当所述第二偏距均值小于所述第一偏距均值时，降低所述光圈系数，并将降低的光圈系数作为调整的光圈系数，当所述第二偏距均值大于等于所述第一偏距均值时，增加所述光圈系数，并将增加的光圈系数作为调整的光圈系数。

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