[发明专利]多深度摄像头紧凑型全景扫描设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D全景扫描和成像设备，尤其是一种具有多个深度摄像头的小体积紧凑型全景扫描装置。

背景技术

虚拟现实(VR)技术中经常需要进行真实环境的3D全景建模，其中有很多的环境空间狭小，例如轿车的车厢内部、飞机的驾驶室等。对这些狭小环境的扫描或拍摄均不太方便。例如使用手持的设备时，可能会出现扫描到持着设备的人体，或者出现某些地方拍摄不到的情况，并且操作不够灵活快速。

VR中实现全景建模的设备包括全景摄像机，通常使用多个摄像头的方案，例如公告号 CN106506925A的中国发明专利“一种全景摄像球”，采用多个摄像头实现360°的全景摄像。这类全景摄像机结构紧凑，可以在狭小环境内使用；但一般只能拍摄照片或视频，缺乏场景的深度信息，并非真正的3D全景模型；对狭小环境来说，缺乏景深会导致比较严重的失真，不利于VR的展示效果。

为获得较完整的3D深度信息，可以使用3D激光扫描仪。通常的激光扫描仪具有单个激光器，通过手持或者配备转台/滑台来工作，但扫描速度较慢。为了增加复用性和扫描速度，也有使用多个激光器的方案，例如公告号CN106500628A的中国发明专利“一种含有多个不同波长激光器的三维扫描方法及扫描仪”，包括了至少两个激光器。这类激光扫描仪适合精度要求很高的工业场所，对于消费级VR应用来说价格偏贵，且对狭小环境扫描来说体积偏大。

基于深度摄像头(例如Kinect等)的3D成像设备对非工业级精度的VR应用场合具有更好的性价比。常见的也是采用单个深度摄像头的方案；若采用多个深度摄像头则大多配备多个支架进行支撑，例如公告号CN202293994U的中国发明专利“基于三维深度摄像头实时人体扫描三维雕塑装置”，使用了三根竖直设置的支架，并在每根支架上安装有多个深度摄像头。类似这样的配置不够紧凑，不适合在狭小环境中使用。

发明内容

为了克服现有的3D扫描设备不太适合于狭小环境的全景建模，以及全景摄像机只能拍摄全景照片或视频而无3D深度信息的问题，本发明提供了一种多深度摄像头紧凑型全景扫描设备，集成了多个小型深度摄像头并配合单轴伺服转台来实现3D全景扫描，在综台考虑性价比的情况下，使设备结构尽量紧凑，适合对狭小环境进行3D全景建模，使用方便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多深度摄像头紧凑型全景扫描设备，利用深度摄像头实现3D成像，包括至少一组从上到下紧密排列的三个深度摄像头，这些深度摄像头固连在壳体内腔的侧面，并和一个集线器电性连接，该集线器再与一个片上系统电性连接；该片上系统内包含了对深度和彩色图像的处理单元；该片上系统又与一个伺服驱动器电性连接，该伺服驱动器再与单轴伺服转台电性连接，该伺服转台的定于固连在壳体内腔的底面。

上述的多深度摄像头紧凑型全景扫描设备，所述的深度摄像头，是满足紧凑型要求的小型化成像设备，其中集成有深度传感器和彩色传感器，可同时拍摄深度图像和彩色图像。所述深度传感器包括红外发射器和红外接收器，而所述彩色传感器通常使用CMOS感光芯片。本发明可选用PrimcSense深度摄像头，或者Intel公司的RealSense深度摄像头等型号；其中 RealSense深度摄像头的体积更小，作为优选方案。

所述一组三个深度摄像头的相互位置关系由深度摄像头的光心和光轴来确定。在本发明中，深度摄像头的光心是指深度摄像头中彩色传感器的感光中心；而光轴是指通过光心，垂直于彩色传感器感光平面并且指向拍摄方向的射线。深度摄像头中深度传感器的光心和光轴与彩色传感器的不同，但可以通过图像后处理操作将深度图像配准到彩色图像上，从而在逻辑上使两个光心和两个光轴相互重合。

所述一组三个深度摄像头的相互位置关系是：三个深度摄像头的光轴位于同一个竖直平面内，并且都指向同一个半平面；位于上方的第一深度摄像头的光轴指向该半平面的斜下方向，位于中间的第二深度摄像头的光轴指向该半平面的水平方向，位于下方的第三深度摄像头的光轴指向该半平面的斜上方向，从而保证三个深度摄像头在有部分视野相互重叠的前提下，总视野尽可能大。三个深度摄像头的相互位置关系将作为深度摄像头标定数据的一部分；另一部分标定数据包括深度摄像头的焦距等内参数。

上述的多深度摄像头紧凑型全景扫描设备，所述的集线器使用了星型拓扑结构来连接每个深度摄像头以及片上系统，将一个深度摄像头接口扩展成多个独立工作的深度摄像头接口，其中对深度摄像头接口的类型不做限制；作为本发明的优选方案，深度摄像头可采用USB接口，而该集线器则相应的采用USB集线器。