基于單片機(jī)的3D掃描儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱文軍

摘要：本設(shè)計(jì)的目的在于構(gòu)建一個(gè)適于個(gè)人應(yīng)用的，方便易操作，價(jià)格低廉的3D掃描儀，主要由承載被掃描物體的轉(zhuǎn)盤、景深圖像傳感器及支架、PC終端構(gòu)成。其工作的基本過(guò)程是根據(jù)掃描物體尺寸，固定好攝像頭的高度及與被掃描物之間的距離，隨著轉(zhuǎn)盤勻速旋轉(zhuǎn)，即可得到被掃描物體的.ply模型，再通過(guò)PC端相應(yīng)的圖像處理軟件修改模型便得到可直接在3D打印機(jī)中打印的.stl文件。通過(guò)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，該掃描儀的掃描效果不錯(cuò)，且可掃描范圍較廣，并可實(shí)現(xiàn)整個(gè)人像的掃描。

關(guān)鍵詞：3D掃描儀；景深圖像傳感器；圖像處理

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）07-0268-03

Abstract： The purpose of this design is to build an inexpensive 3D scanner which is suitable for personal and convenient to operate. The 3D scanner is consist of turntable， the DOF image sensor， bracket and PC terminal. The first step is to make the camera stable according the distance， size and height of the scanned object. Then the .ply model of the scanned object can be obtained as the turntable rotate at a uniform rate. Finally an .stl files which can be printed directly on the 3D printer will be formed through corresponding software. By debugging and experiments， the scanner works well， which can scan a wider scope and scan the portrait.

Key words： 3D scanner； DOF image sensor；Image processing

3D掃描、3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量和成本上的競(jìng)爭(zhēng)，而更重要的是產(chǎn)品上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，通過(guò)3D掃描和3D打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計(jì)及其制造過(guò)程，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的時(shí)間周期盡量縮短，防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題造成不可挽回的損失。

1 3D 掃描、3D 打印技術(shù)及其工作原理

1.1 3D 掃描技術(shù)及其工作原理

3D 掃描技術(shù)則是利用三維掃描儀，用來(lái)偵測(cè)并分析物體及環(huán)境的形狀、構(gòu)造與外觀數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)信息用于三維模型重塑計(jì)算，從而構(gòu)建虛擬的數(shù)字模型。而傳統(tǒng)的掃描是掃描平面的對(duì)象，如照片、文本頁(yè)面、照相底片等。

3D 掃描技術(shù)的工作原理：通過(guò)激光器和鏡頭掃描對(duì)象，記錄掃描對(duì)象切面的距離數(shù)據(jù)并組合成一個(gè)三維模型，并在終端設(shè)備中顯示。

1.2 3D 打印技術(shù)及其工作原理

3D 打印技術(shù)也稱“快速成形技術(shù)”，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將打印耗材，如金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成立體型，最終將數(shù)字三維模型打印成實(shí)物產(chǎn)品。

3D 打印技術(shù)的工作原理：根據(jù)需求選好打印材料，并將數(shù)字三維模型數(shù)據(jù)輸入到3D 打印機(jī)中，設(shè)備會(huì)按照模型數(shù)據(jù)以層層疊加的方式將模型打印成實(shí)物。3D 打印機(jī)和2D 打印機(jī)的區(qū)別在于多了一個(gè)維度，實(shí)現(xiàn)噴頭與介質(zhì)之間的移動(dòng)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1系統(tǒng)方案

自國(guó)外推出MakerBot開(kāi)源三維打印項(xiàng)目后，國(guó)內(nèi)以之為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的個(gè)人3D打印機(jī)便如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。但作為3D打印機(jī)“復(fù)印”功能的3D掃描儀，受眾仍然是少數(shù)企業(yè)，動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)的價(jià)格是導(dǎo)致無(wú)法向個(gè)人普及的主要障礙。個(gè)人3D掃描的應(yīng)用則更具生命力，一旦實(shí)現(xiàn)普及將在工業(yè)設(shè)計(jì)、藝術(shù)造型、兒童玩具等領(lǐng)域引發(fā)變革。

最簡(jiǎn)單的3D掃描儀由攝像頭，線激光器及相應(yīng)的圖像處理軟件構(gòu)成，但其掃描效果不佳，不適合掃描體積大的物件。而本設(shè)計(jì)中的3D掃描儀主要由可控轉(zhuǎn)盤、景深圖像傳感器及其支架、三維掃描及處理軟件等構(gòu)成。通過(guò)調(diào)整被掃描物體與傳感器之間的距離及傳感器的高度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同體積的物體的掃描。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）景深傳感器

景深傳感器采用是Kinect。Kinect是微軟在2009年6月2日的E3大展上正式公布的XBOX 360體感周邊外設(shè)。Kinect徹底顛覆了游戲的單一操作，使人機(jī)互動(dòng)的理念更加徹底的展現(xiàn)出來(lái)。Kinect是一種3D體感攝影機(jī)（開(kāi)發(fā)代號(hào)“Project Natal”），同時(shí)它導(dǎo)入了即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)、麥克風(fēng)輸入、語(yǔ)音辨識(shí)、社群互動(dòng)等功能。

在本系統(tǒng)中，主要運(yùn)用Kinect采集被掃描物體的三維圖像，即景深成像。傳統(tǒng)的景深成像技術(shù)是使用雙攝像頭，由兩幅圖片經(jīng)過(guò)復(fù)雜計(jì)算處理得到3D圖像，用以判斷景深。Kinect采用的是紅外景深成像，其基本原理是：采用光編碼技術(shù)，僅用紅外對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行編碼，形成一個(gè)具有三維縱深的“體編碼”。這種編碼來(lái)自于激光散斑，是由激光穿透毛玻璃或者照射到粗糙物體以后形成的隨機(jī)衍射光斑。這些激光散斑具有極高的隨機(jī)性，并且隨著距離的不同會(huì)變換圖案，也就是說(shuō)空間中任意兩個(gè)位置的散斑圖案都不可能是相同的，只要在視場(chǎng)空間中打上這樣的結(jié)構(gòu)光，整個(gè)立體空間就都被標(biāo)記，某個(gè)物體在這個(gè)空間中，只需要觀察物體上的激光散斑圖案，就能得知這個(gè)物體在整個(gè)空間中的位置。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Kinect固定在一個(gè)高度可調(diào)節(jié)的支架上。一方面是為了固定Kinect；另一方面可自動(dòng)調(diào)節(jié)Kinect的高度。高度可調(diào)的用意在于可以輕松掃描不同高度的物體，特別是在人像掃描中方便快捷。

Kinect掃描過(guò)程中，可以在電腦中實(shí)時(shí)看到掃描得到的圖像；掃描結(jié)束后可以得到一個(gè).ply格式模型。

2）轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤用于承載被掃描物體，并利用單片機(jī)控制其正傳、反轉(zhuǎn)與暫停。利用景深傳感器掃描最簡(jiǎn)單的方法是手持，圍繞被掃描物體轉(zhuǎn)一圈即可得到其3D圖像。但這種方法得到的圖像質(zhì)量較差，后期修圖的工作量較重，有時(shí)即使通過(guò)修圖，最終得到的3D圖像效果仍然不好。而將物體置于轉(zhuǎn)盤上，固定景深傳感器，通過(guò)控制轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以得到較好效果的3D圖像。

轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；繼電器則可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的暫停與重啟。

3）PC端

PC端一方面是控制單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤的控制；另一方面則主要是對(duì)景深傳感器的圖像進(jìn)行處理得到可以打印的.stl文件。本系統(tǒng)中采用的圖像處理軟件是Meshlab， 是一個(gè)開(kāi)源，方便攜帶，和可擴(kuò)展的系統(tǒng)，用于處理、非結(jié)構(gòu)化編輯 3D 三角形網(wǎng)格。該系統(tǒng)發(fā)布于2005年年底，旨在提供一套 3D 掃描、 編輯、 清洗、 愈合、 檢查、 呈現(xiàn)和轉(zhuǎn)換這種網(wǎng)格的所產(chǎn)生的典型不讓小非結(jié)構(gòu)化模型的處理的工具。Meshlab功能強(qiáng)大，常用到的處理過(guò)程包括：濾除噪聲；圖像平滑；空洞填補(bǔ)；多余背景的刪除等等。根據(jù)掃描后的.ply文件的效果，采用相應(yīng)的處理，最后保存為.stl格式。

2.3軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的主要功能有：

1）與PC通信，接收上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)；

2）控制圓盤的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度；

3）控制升降臺(tái)的高低。

上位機(jī)軟件的主要功能有：

1）控制景深傳感器的位置，可在30度～210度之間調(diào)整；

2）開(kāi)啟掃描模式；

3）開(kāi)啟掃描模式的同時(shí)，控制圓盤與升降臺(tái)的位置。

3 系統(tǒng)特色

在我們所設(shè)計(jì)的3D掃描儀中，主要的創(chuàng)新點(diǎn)有三方面：一是采用景深傳感器攝像頭，相比較線性激光器和普通攝像頭組合的掃描效果，前者更勝一籌；二是采用可控轉(zhuǎn)盤承載被掃描物體，因?yàn)檗D(zhuǎn)速均勻，掃描效果更好；三是采用支架，自動(dòng)調(diào)節(jié)景深傳感器的高度，大大拓展了可掃描物體的范圍，在較高物體的掃描中更為方便快捷。

4 技術(shù)說(shuō)明

本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)盤的承重為100Kg，所以理論上可掃描重量在此范圍內(nèi)的物體，同時(shí)被掃描物體的高度應(yīng)該2m以內(nèi)。為達(dá)到較好的掃描效果，轉(zhuǎn)盤與傳感器的間距應(yīng)在1.5m左右，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速約為4分鐘/圈。對(duì)于較高物體的掃描，如整個(gè)人像的掃描，為得到完整的圖像，在掃描過(guò)程中，傳感器也需在支架上均速地上下運(yùn)動(dòng)，一般地，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過(guò)一圈的時(shí)間里，傳感器需在縱向上掃完整個(gè)物體。

5 系統(tǒng)適用范圍

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，成本不高，相比較昂貴笨重的工業(yè)級(jí)3D掃描儀，更適應(yīng)用于個(gè)人及一般商用?？蓲呙璧奈矬w高達(dá)2m，重量不超過(guò)100Kg，應(yīng)該說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)物體的掃描。在商用中，可專門用于人像的掃描與打印，極具市場(chǎng)潛力。此外，在藝術(shù)設(shè)計(jì)，兒童玩具等方面都有廣泛應(yīng)用。如圖2所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近兩個(gè)月的準(zhǔn)備，制作與調(diào)試，3D掃描儀基本能達(dá)到預(yù)期效果。在整個(gè)過(guò)程中，攝像頭的選擇上曾多次更改，因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到掃描的效果，最終選擇了效果較好的Kinect攝像頭。在掃描的方法上也多次嘗試，才確定了利用可控轉(zhuǎn)盤和可調(diào)支架的方法，這使得掃描過(guò)程中的人為干擾大大減少，提高了掃描的精度。人像的掃描中，因?yàn)槿梭w身高相對(duì)較高，而且在掃描過(guò)程中很難做到絕對(duì)地靜止，所以要得到完整，精準(zhǔn)的圖像曾嘗試過(guò)很多方法，最終才掃描成功的。PC端處理軟件的選擇也極為重要。相關(guān)的軟件很多，每種軟件又各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不斷地試驗(yàn)中，最終確定了修圖軟件。通過(guò)不斷地調(diào)整距離、高度，嘗試不同的掃描路徑，一次次地修改圖像最后獲得較好的效果。

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