旋轉式三維掃描器的設計與實現

徐海濤，譚兆湛

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

0 引 言

三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的技術，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。

1 掃描原理

利用Kinect 進行掃描，會有一個可見面和一個隱藏面。假設有一個點P 在隱藏面，其空間坐標是P（x，y，z），如圖1。

圖1

我們需要通過不同方向的拍照來重建整個物體，并在同一個空間坐標系中獲得全部點來確定這個物體。因此，讓平臺旋轉一定角度α，使得P 點對Kinect 可見。在前一次的拍照中，點P 確定于其坐標P（x，y，z）。當平臺旋轉后，P 的坐標相應發生變化變成P（x′，y′，z′）。如果知道平臺相對于前一次拍照旋轉的角度，可以通過基本的三角關系容易由P（x′，y′，z′）計算出原來坐標中P 點的坐標。如果平臺繞Y 軸的旋轉角度為α，可得到如下轉換方程：

2 系統設計

2.1 旋轉平臺設計及程序設計

圖2

圖3 電路圖

旋轉平臺的設計是利用齒輪傳動來實現，如圖2。右邊的小齒輪連接舵機，帶動中間的大齒輪轉動，傳動比為5∶1。左邊小齒輪是連接電位器的，用來輸出角度信息，系統采用arduino 單片機進行控制，電路如圖3。

舵機的控制程序如下：

角度控制程序如下：

從Processing 中讀回當前角度信息，利用map（）函數把角度信息轉換為舵機的目標角度。

2.2 Processing 程序設計

在Processing 中，定義變量shotNumber，如下：

float[]shotNumber=new float[3]；

shotNumber 用要定義拍照的次數，這里我們讓物體

每轉120°拍照一次，因此定義為3，程序如下：

2.3 輸出點云數據，生成ply 格式文件

利用Processing 輸出“*.ply”格式的點云數據。首先，輸出“ply”作為開頭，然后標注所輸出的“ply”格式的類型（ascii 或二進制），再以“comment”為開始為文件添加注釋，如下：

接著輸出點云的個數，以及它們的特征。這里，我們輸出的是每個點的坐標與顏色。因此聲明六個特征變量：x、y、z、red、green、blue，最后結束聲明，如下：

執行Processing 程序后，得到物體每個點的坐標與顏色特征數據：

得到物體的點云數據后，利用Meshlab 對點云進行網格化，重建物體的三維模型，并生成相應格式的三維模型文件“*.ply”，如圖4。

圖4

3 結 語

本文介紹了旋轉式三維掃描器的設計，是利用Arduino 控制平臺的旋轉，利用Kinect 傳感器對旋轉平臺上的物體表面進行掃描，并用Processing 輸出物體的空間坐標數據，再通過MeshLab 重建曲面，輸出一定格式的三維模型文件，如“*.ply”或“*.stl”直接用以三維打印、或供其他CAD 軟件使用。

［1］ MELGARER. Arduino and Kinect Projects［M］.Apress.Apr 2012.

［2］ 余濤.Kinect 應用開發實戰：用最自然的方式與機器對話［M］.北京：機械工業出版社，2013.