徐海濤，譚兆湛

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引 言

三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。

1 掃描原理

利用Kinect 進(jìn)行掃描，會(huì)有一個(gè)可見面和一個(gè)隱藏面。假設(shè)有一個(gè)點(diǎn)P 在隱藏面，其空間坐標(biāo)是P（x，y，z），如圖1。

圖1

我們需要通過(guò)不同方向的拍照來(lái)重建整個(gè)物體，并在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中獲得全部點(diǎn)來(lái)確定這個(gè)物體。因此，讓平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度α，使得P 點(diǎn)對(duì)Kinect 可見。在前一次的拍照中，點(diǎn)P 確定于其坐標(biāo)P（x，y，z）。當(dāng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)后，P 的坐標(biāo)相應(yīng)發(fā)生變化變成P（x′，y′，z′）。如果知道平臺(tái)相對(duì)于前一次拍照旋轉(zhuǎn)的角度，可以通過(guò)基本的三角關(guān)系容易由P（x′，y′，z′）計(jì)算出原來(lái)坐標(biāo)中P 點(diǎn)的坐標(biāo)。如果平臺(tái)繞Y 軸的旋轉(zhuǎn)角度為α，可得到如下轉(zhuǎn)換方程：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)

圖2

圖3 電路圖

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是利用齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2。右邊的小齒輪連接舵機(jī)，帶動(dòng)中間的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為5∶1。左邊小齒輪是連接電位器的，用來(lái)輸出角度信息，系統(tǒng)采用arduino 單片機(jī)進(jìn)行控制，電路如圖3。

舵機(jī)的控制程序如下：

角度控制程序如下：

從Processing 中讀回當(dāng)前角度信息，利用map（）函數(shù)把角度信息轉(zhuǎn)換為舵機(jī)的目標(biāo)角度。

2.2 Processing 程序設(shè)計(jì)

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(shù)，這里我們讓物體

每轉(zhuǎn)120°拍照一次，因此定義為3，程序如下：

2.3 輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成ply 格式文件

利用Processing 輸出“*.ply”格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先，輸出“ply”作為開頭，然后標(biāo)注所輸出的“ply”格式的類型（ascii 或二進(jìn)制），再以“comment”為開始為文件添加注釋，如下：

接著輸出點(diǎn)云的個(gè)數(shù)，以及它們的特征。這里，我們輸出的是每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)與顏色。因此聲明六個(gè)特征變量：x、y、z、red、green、blue，最后結(jié)束聲明，如下：

執(zhí)行Processing 程序后，得到物體每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)與顏色特征數(shù)據(jù)：

得到物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用Meshlab 對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化，重建物體的三維模型，并生成相應(yīng)格式的三維模型文件“*.ply”，如圖4。

圖4

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了旋轉(zhuǎn)式三維掃描器的設(shè)計(jì)，是利用Arduino 控制平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，利用Kinect 傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的物體表面進(jìn)行掃描，并用Processing 輸出物體的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再通過(guò)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(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：用最自然的方式與機(jī)器對(duì)話［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.