专利名称：三维双模扫描装置及三维双模扫描系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种扫描装置，特别关于一种三维双模扫描装置。
背景技术：
近年来，三维量测的技术日益纯熟，其应用的范围在学术研究上或是工业应用上也越来越广泛。其中，三维扫描例如可应用于逆向工程、品管控制、工业检测或快速成形等领域，而运动追踪例如可应用于虚拟实境、步态分析、生物力学及人因工程等。已知一种三维扫描装置只能进行物体(例如人体)外观形体的静态扫描，并无法同时进行所述物体的运动状态的撷�。欢阎硪恢秩枳爸弥荒芙形锾逶硕刺倪⑷。次薹ㄍ苯兴鑫锾逋夤坌翁宓木蔡�。若欲户欲同时对同一物体进行静态扫描以及动态撷�。荒芊直鸸郝蚓蔡枳爸靡约岸⑷∽爸茫欢饬街只鞫枷� 当昂贵，以致欲户怯步不前而限制其应用发展。此外，静态扫描与动态撷取这两者的结合亦因此而相当不易，因而业界尚无法依据所述物体外观型体建立其静态影像，又可同时具有所述物体的动态状态撷取的功能，以客制化的将所述物体的真实动态影像展示出来。因此，如何提供一种三维双模扫描装置及三维双模扫描系统，不仅可针对物体进行静态扫描，又可对所述物体进行运动撷�。嵘溆τ梅⒄梗殉晌匾翁�。
发明内容
本发明的目的为提供一种不仅可针对物体进行静态扫描，又可对所述物体进行运动撷�。嵘溆τ梅⒄沟娜Ｉ枳爸眉叭Ｉ柘低�。本发明可采用以下技术方案来实现的。本发明的一种三维双模扫描装置用以扫描至少一个物体，或用以撷取至少一个物体的运动情形，并包括一光投射单元、多个标志单元以及一影像摄取单元。光投射单元投射光线于物体。标志单元设置于物体。当进行静态扫描时，光投射单元投射光线于物体的表面，影像摄取单元对物体进行影像的摄�。缘玫蕉喔鼍蔡跋�。当进行运动撷取时，影像摄取单元对物体上面的所述标志单元进行影像的摄�。缘玫蕉喔龆跋�。在一实施例中，光投射单元所投射的光线为具有编码的条纹结构光。在一实施例中，光投射单元所投射的光线为循序扫描的线型激光。在一实施例中，所述标志单元为发光体。 在一实施例中，所述标志单元为图案标志。在一实施例中,所述标志单元具有光线的反射性。在一实施例中，三维双模扫描装置还包括一静态处理单元及一动态处理单元。静态处理单元处理所述静态影像，以建立物体表面的一静态数据结构。动态处理单元处理所述动态影像，以建立物体的一动态数据结构。本发明的一种三维双模扫描系统用以扫描至少一个物体，或用以撷取至少一个物体的运动情形，并具有多个上述的三维双模扫描装置，所述三维双模扫描装置环设于物体的周围，并取得物体于不同视角的多个静态影像与多个动态影像，以分别建立多个静态数据结构与多个动态数据结构。在一实施例中，三维双模扫描系统还包括一注册整合单元，其处理所述三维双模扫描装置彼此之间的坐标转换。在一实施例中，注册整合单元整合所述静态数据结构，以得到物体的三维表面全貌的数据结构。在一实施例中，注册整合单元整合所述动态数据结构，以得到物体完整的动态信
肩、O承上所述，因本发明的三维双模扫描装置进行静态扫描时，光投射单元投射光线于物体的表面，而影像摄取单元对物体进行影像的摄�。缘玫蕉喔鼍蔡跋瘢欢� 扫描装置进行运动撷取时，影像摄取单元对物体上面的所述标志单元进行影像的摄�。缘玫蕉喔龆跋�。借此，本发明的三维双模扫描装置不仅具有物体的静态影像扫描，又可同时具有所述物体的运动状态撷取的功能。此外，由于静态扫描与动态撷取皆由同一个装置上完成，因而可大幅降低两者结合的难度。另外，本发明的三维双模扫描系统具有多个上述的三维双模扫描装置，且所述三维双模扫描装置环设于物体的周围，并取得物体于不同视角的多个静态影像与多个动态影像，以分别建立多个静态数据结构与多个动态数据结构，进而建立所述物体完整的外貌与运动状态。借此，本发明能够依据所述物体外观型体建立其静态影像，又可同时具有所述物体的运动状态撷取的功能，而能客制化的将所述物体的真实动态影像展示出来，使三维测量的应用发展往前进一大步。
图I为本发明优选实施例的一种三维双模扫描装置与物体的侧视示意图；图2A及图2B分别为格雷码及二进制编码的示意图；图3A为本发明优选实施例的一种标志单元的示意图；图3B为本发明优选实施例的一种编码图案的示意图；图3C为本发明优选实施例的一种发光组件环设于影像摄取单元的镜头的示意图；图4A及图4B分别为本发明的三维双模扫描装置进行静态扫描及运动撷取的功能方块意图；图5A为本发明的一种三维双模扫描系统的不意图；图5B为本发明的三维双模扫描系统的功能方块示意图；以及图5C为本发明的物体(人体)配载多个标志单元的示意图。主要元件符号说明I 4 :三维双模扫描装置11 :光投射单元12 :标志单元121a、121b、122a 122h :区域123 :外框
13 :影像摄取单元14 :发光单元141 :发光组件15 :静态处理单元16 :动态处理单元5 :注册整合单元B :机体C :编码图案 D、R:间距H:高度L :镜头0 :物体Pl :形心P2:角点
具体实施例方式以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种三维双模扫描系统及三维双模扫描装置，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。请参照图I所示，其为本发明优选实施例的一种三维双模扫描装置I与物体0的侧视示意图。三维双模扫描装置I包括一光投射单元11、多个标志单元12以及一影像摄取单元13。其中，三维双模扫描装置I用以扫描至少一个物体0，或用以撷取至少一个物体0的运动情形。而物体0可为生物(例如人体、动物)或为非生物(例如汽车、机器人)。于此，物体0以人体为例。另外，再说明的是，如图I所示，三维双模扫描装置I已将光投射单元11及影像摄取单元13整合，并设置于一直立式的机体B内。光投射单元11投射光线于物体0的表面。其中，光投射单元11所投射的光线可为具有编码的条纹结构光。而光投射单元11将具有编码的条纹结构光线投射于静态物体0的表面(静态，表示此时物体0是静止不动者)。其中，条纹结构光的编码方式例如可为图2A所示的4位(Bit)的格雷(Gray Code)码，或为图2B所示的4位的二进制编码。其中，格雷码在两个位置间仅有一位的改变，且格雷码的条纹宽度在相同条件下几乎为二进制编码条纹的两倍，因此，在条纹的影像撷取上，格雷码在对应及辨识上较二进制编码佳。另外，光投射单元11所投射的光线也可为循序扫描的线型激光。其中，条纹结构光的优点是编码后可一次取得物体0表面的形状信息，而激光投射到物体0表面时会呈现出一条直线，因此，欲取得物体0表面形状的信息时，激光需由上而下，或由下而上循序扫描物体0的全部表面后，才可得到物体0的全部的表面形状信息，时间上需花费较多。在本实施例中，光投射单元11为一液晶投影机(Projector)，其投射的光线为条纹结构光，而其编码方式以格雷码为例。再说明的是，本实施例的光投射单元11所发出的条纹结构光线所使用的编码图样包括8张格雷码条纹图案、4张相平移图案和一张全黑及一张全白图案，总共14张影像，其共可得到4X28共1024组不同的格雷码影像。其中，格雷码影像数量为1024并不可用以限制本发明，在其它的实施例中，其数量可为不同。
请再参照图I所示，多个标志单元12 (图I中只显示二只)设置于物体0的表面。标志单元12可为主动式标志单元或为被动式标志单元。其中，主动式标志单元可自行发光，例如为一发光体，以供影像摄取单元13摄取与辨识其影像。而被动式标志单元无法自行发光，但可为一具有光线反射特性且同时具有编码的图案标志，因此，被动式标志单元需搭配发光源，以利图案标志的光线反射的摄取与辨识。另外，被动式图案标志可为一图案贴附于一平面体的表面，或为多个图案贴附于一多面体的多个表面，例如贴附于角锥体、立方体、长方体或其它多面体的多个表面上。在本实施例中，如图3A所示，标志单元12以多个如图3B所示的编码图案C贴附于一正方体的多个表面为例。于此，于正方体的5个表面分别贴附编码图案C,而正方体设置于物体0的表面上未贴附编码图案C。另外，为了可辨识物体0表面的不同位置，标志单元12的各表面的编码图案C需分别具有不同的编码。因此，于使用三维双模扫描装置I前，物体0的不同位置需事先设置如上述的多个标志单元12 (表面贴附编码图案C的正方体)。由于图3A的正方体的各表面的相对位置关系为固定，故可透过贴附编码图案C的表面经坐
标转换后而得知另一未贴附图案的表面的坐标，因此只要撷取到运动中的标志单元12，就可得知物体0的所述位置于空间上的动态信息。请再参照图3B所不，以说明本实施例的编码图案C如何编码。编码图案C可具有一内围图案及一外围图案，而内围图案区分为多个第一区域，外围图案区分为多个第二区域，且至少一个第一区域的颜色与至少一个第二区域的颜色不相同。在本实施例中，内围图案及外围图案的外缘分别为圆形，而内围图案被区分为两个第一区域121a、121b、且第一区域121a及第一区域121b分别为两面积不相同的扇形为例。另外，所述第二区域为圆形两个半径与内围图案的外缘所形成的区域。于此，外围图案被区分为8个第二区域122a 122h、且第二区域122a 122h分别为圆形两个半径与内围图案的外缘所形成的区域。另外，8个第二区域12a 12h的面积分别相等。此外,编码图案C还可包括一正方形外框123,而内围图案与外围图案设置于正方形外框123内。于此，内围图案与外围图案对称设置于正方形外框123内。其中，正方形外框123、内围图案以及外围图案具有一相同形心P1。于此，形心Pl为正方形两对角线的交点。通过内围图案与正方形外框的特定关系，例如内围图案的一第一区域121a对准正方形外框123的一角点P2，可协助外围图案的识别速度，进而可提升编码识别的准确性。特别一提的是，欲户可依其需求不设置正方形外框123，只具有内围图案与外围图案的编码图案C一样具有编码的功能。在本实施例的编码中，I代表黑色，而0代表白色(当然也可相反)。于图3B中，第一区域121a的位置为黑色，而第一区域121b的位置为白色，因此，内围图案的编码为I。另夕卜，若第一区域121a的位置为白色，而第一区域121b的位置为黑色，则内围图案的编码为O。因此，本实施例的内围图案的编码只有二种1及O。当第一区域121a的位置确定后，第二码即为第一区域121a的外缘所对应的第二区域122a的颜色，而第二区域122a的位置可视为一起始位置，使得第二区域122b的位置颜色为第三码，第二区域122c的位置颜色为第四码，顺时针以此类推，最后，第二区域122h的位置颜色即为第九码。因此，本实施例的应用于编码的编码图案C共可得到2的9次方，共有512种编码变化，512种编码变化已足够物体0的表面外形不同位置的编码的用。以图3B为例，其第一码至第九码的编码依序为101010101。特别说明的是，上述的编码方式只是举例，并不用以限制本实施例的标志单元12的编码。此外，再说明的是，通过第一区域121a与正方形外框123的角点P2的对应关系，使得第二区域122a可轻易被识别出来，进而可提升编码识别的速度与准确度。为了搭配上述的被动式标志单元12，三维双模扫描装置I还可包括一发光单元14，发光单元14发出光线至物体0表面的所述标志单元12。其中，如图3C所示，发光单元14具有多个发光组件141，所述发光组件141环设于影像摄取单元13的至少一个镜头L，且与镜头L的相对位置固定，以提供同轴光。在本实施例中，如图I所示，影像摄取单元13具有两组电荷稱合组件(Charge Coupled Device, CCD)摄影机,且所述CCD摄影机设置于光投射单元11的两侧。于此，发光组件141分别环设于图I的上下二镜头，并以发出红光的发光二极管为例。然并不以此为限。在其它的实施例中，发光组件141可发出不同颜色的光线，或者，发光组件141可为雷射二极管而发出激光。另外，如图I所示，本实施例的两组摄影机镜头L的间距R约为1450毫米，物体0与三维双模扫描装置I的间距D约为2700毫米，而待测物体0的高度H约为1900毫米。此外，再说明的是，若标志单元12使用的是可自行发光的主动式标志单元，则不需使用上述的发光单元14。 请再参照图I所示，当进行静态扫描时，光投射单元11投射光线于物体0的表面，而影像摄取单元13对物体0进行影像的摄取，以得到多个静态影像。在本实施例中，光投射单元11投射的光线为具格雷码的条纹结构光。因此，影像摄取单元13所摄取的影像为所述物体0表面的多个条纹影像。另外，请参照图4A所示，其为本发明的三维双模扫描装置I进行静态扫描的功能方块不意图。三维双模扫描装置I还包括一静态处理单元15，静态处理单元15接收并处理影像摄取单元13所摄取的所述静态影像(多个具格雷码的条纹影像)，以建立物体0表面的一静态数据结构。其中，静态处理单元15根据两摄影机镜头L所摄取的所述静态影像，并利用三角几何方法(或称三角定位方法，或立体视觉方法)进行物体0表面的空间定位(定位物体0表面的位置)，进而得到描述物体0表面的密集云点数据(即物体0表面的空间扫描点坐标)，以建立物体0表面的静态数据结构。请再参照图I所示，当进行运动撷取时，物体0 (人体)进行动态的动作，例如举手或踢腿，此时，设置于物体0的所述标志单元12亦跟着物体0移动，而影像摄取单元13对物体0表面的所述标志单元12进行影像的摄�。缘玫蕉喔龆跋�。在本实施例中，所述标志单元12如图3A所示的立体的图案标志，而为了搭配图3A的标志单元12，本实施例的三维双模扫描装置I还包括上述的发光单元14，且发光单元14发出同轴光线至物体0的表面，由于人体表面特定位置已事先配戴多个标志单元12，因此，当物体0动作时，影像摄取单元13所摄取的影像为所述标志单元12跟着物体0移动时所反射的所述标志单元12的编码影像。另外，请参照图4B所示，其为本发明的三维双模扫描装置I进行运动撷取的功能方块不意图。三维双模扫描装置I还包括一动态处理单元16，动态处理单元16接收及处理影像摄取单元13所摄取的所述动态影像(即所述标志单元12所反射的编码影像)以建立物体O的一动态数据结构。并且，动态处理单元16可更依据所述动态影像以及静态处理单元15输出的静态数据结构，以建立物体O的动态数据结构。其中，动态处理单元16根据所述动态影像，并利用三角几何方法进行空间定位，进而得到物体O表面的所述标志单元12的位移、速度、与加速度等运动量，再结合所述静态数据结构，以建立物体O的动态数据结构。承上所述，本发明的三维双模扫描装置I不仅可依据物体0表面型体得到其静态影像，进而建立物体0表面的静态数据结构，又可同时撷取所述物体的动态信息，进而建立物体0的动态数据结构。另外，由于本发明可将物体0外观形体的静态扫描及其动态状态的撷取整合于三维双模扫描装置1，因此，与已知技术相较，若要同时使用这两种功能，不用购买两种不同功能的三维扫描装置，因此，其价格相对也较便宜。此外，请参照图5A所示，其为本发明的一种三维双模扫描系统的示意图。本发明的三维双模扫描系统用以扫描至少一个物体0，或用以撷取至少一个物体0的运动情形，并具有上述的多个三维双模扫描装置。其中，所述三维双模扫描装置环设于物体0的周围。由 于多个三维双模扫描装置环设于物体0的周围，因此，三维双模扫描系统可取得物体0于不同视角的多个静态影像与多个动态影像，以分别建立多个静态数据结构与多个动态数据结构。在本实施例中，三维双模扫描系统具有4组三维双模扫描装置I 4。其中，三维双模扫描装置2 4与三维双模扫描装置I具有相同的技术特征及功能，于此不再赘述。另夕卜，本发明的三维双模扫描系统将三维双模扫描装置1、3区分为第一群组，而三维双模扫描装置2、4区分为第二群组，且三维双模扫描装置1、3是彼此对应设置，而三维双模扫描装置2、4是彼此对应设置。其中，三维双模扫描系统可依序控制，也就是第一群组的三维双模扫描装置1、3先投射光线，以分别撷取不同角度的多个静态影像及多个动态影像后，第二群组的三维双模扫描装置2、4再分别投射光线，以分别撷取不同角度的多个静态影像及多个动态影像。请参照图5B所示，其为本发明的三维双模扫描系统的功能方块示意图。三维双模扫描系统还包括一注册整合单元5，注册整合单元5处理所述三维双模扫描装置I 4彼此之间的坐标转换。其中，注册整合单元5利用物体0上相同的所述标志单元12的对应关系，以达成所述静态数据结构的整合，且注册整合单元5整合所述静态数据结构，以得到物体0的三维表面全貌的数据结构。换言之，每一三维双模扫描装置在各自的世界坐标系下皆具有独立静态扫描与动态追踪的能力。因此，若要对同一物体0进行深度的计算时，则必须透过注册(Registration)的动作，以将各三维双模扫描装置的坐标转换到同一坐标系下，故注册整合单元5通过注册，以将三维双模扫描装置I 4的各自的坐标系整合成相同的一坐标系。另外，请参照图5C所示，其为本实施例的物体0 (例如人体)配载多个标志单元12的示意图。其中，标志单元12的数量为24，且编号005、015及025的标志单元12设置于人体的背面，其余的21只标志单元12设置于人体的正面。特别一提的是，图5C的设置数量及位置只是举例，欲户当然可设置不同数量的标志单元12于不同的位置。注册整合单元5还可通过不同的三维双模扫描装置I 4的不同视角的整合，以避免所述标志单元12因光线被遮蔽时而损失其运动信息，进而可得到物体0的完整动态的数据结构。换言之，注册整合单元5整合所述动态数据结构，以使所述动态数据结构具有物体O完整的动态信息。当注册整合单元5整合所述静态数据结构，以得到物体0的三维表面全貌的数据结构，同时注册整合单元5整合所述动态数据结构，以使所述动态数据结构具有物体0完整的动态数据时，即可透过数据的重现(R印lication)方法，以呈现所述物体真实的动态影像。综上所述，因本发明的三维双模扫描装置进行静态扫描时，光投射单元投射光线于物体的表面，而影像摄取单元对物体进行影像的摄�。缘玫蕉喔鼍蔡跋瘢欢Ｉ枳爸媒性硕⑷∈保跋裆闳〉ピ晕锾迳厦娴乃霰曛镜ピ杏跋竦纳闳。缘玫蕉喔龆跋瘛＝璐耍痉⒚鞯娜Ｉ枳爸貌唤鼍哂形锾宓木蔡跋裆瑁挚赏本哂兴鑫锾宓脑硕刺⑷〉墓δ堋４送猓捎诰� 态扫描与动态撷取皆由同一装置上完成，因而可大幅降低两者结合的难度。另外，本发明的三维双模扫描系统具有多个上述的三维双模扫描装置，且所述三维双模扫描装置环设于物体的周围，并取得物体于不同视角的多个静态影像与多个动态影像，以分别建立多个静态数据结构与多个动态数据结构，进而建立所述物体完整的外貌与运动状态。借此，本发明能够依据所述物体外观型体建立其静态影像，又可同时具有所述物体的运动状态撷取的功能，而能客制化的将所述物体的真实动态影像展示出来，使三维测量的应用发展往前进一大步。以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种三维双模扫描装置，用以扫描至少一个物体，或用以撷取至少一个物体的运动情形，其特征在于，所述三维双模扫描装置包括 一光投射单兀，投射光线于所述物体； 多个标志单元，设置于所述物体；以及 一影像摄取单元，当进行静态扫描时，所述光投射单元投射光线于所述物体的表面，所述影像摄取单元对所述物体进行影像的摄取，以得到多个静态影像，当进行运动撷取时，所述影像摄取单元对所述物体上面的所述标志单元进行影像的摄�。缘玫蕉喔龆跋�。
2.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，所述光投射单元所投射的光线为具有编码的条纹结构光。
3.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，所述光投射单元所投射的光线为循序扫描的线型激光。
4.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，所述标志单元为发光体。
5.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，所述标志单元为图案标志。
6.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，所述标志单元具有光线反射性。
7.根据权利要求I所述的三维双模扫描装置，其特征在于，还包括 一静态处理单元，处理所述静态影像，以建立所述物体表面的一静态数据结构；以及 一动态处理单元，处理所述动态影像，以建立所述物体的一动态数据结构。
8.—种三维双模扫描系统，用以扫描至少一个物体，或用以撷取至少一个物体的运动情形，其特征在于，具有多个如权利要求I至7任一项所述的三维双模扫描装置，所述三维双模扫描装置环设于所述物体的周围，并取得所述物体在不同视角的多个静态影像与多个动态影像，以分别建立多个静态数据结构与多个动态数据结构。
9.根据权利要求8所述的三维双模扫描系统，其特征在于，还包括 一注册整合单元，处理所述三维双模扫描装置彼此之间的坐标转换。
10.根据权利要求9所述的三维双模扫描系统，其特征在于，所述注册整合单元整合所述静态数据结构，以得到所述物体的三维表面全貌的数据结构。
11.根据权利要求9所述的三维双模扫描系统，其特征在于，所述注册整合单元整合所述动态数据结构，以得到所述物体完整的动态信息。
全文摘要
一种三维双模扫描装置与三维双模扫描系统，三维双模扫描装置用以扫描至少一个物体，或用以撷取至少一个物体的运动情形，并包括一光投射单元、多个标志单元以及一影像摄取单元。光投射单元投射光线于物体。标志单元设置于物体。当进行静态扫描时，光投射单元投射光线于物体的表面，影像摄取单元对物体进行影像的摄�。缘玫蕉喔鼍蔡跋�。当进行运动撷取时，影像摄取单元对物体上面的所述标志单元进行影像的摄取，以得到多个动态影像。本发明可兼具有静态影像扫描及动态状态撷取的功能。
文档编号G01B11/24GK102809354SQ20121017234
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月29日 优先权日2011年5月30日
发明者蔡明俊, 李宏文, 龙学勇 申请人:蔡明俊
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