專利名稱：基于單目結(jié)構(gòu)光的三維建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明隸屬于近景攝影測量領(lǐng)域，涉及計(jì)算機(jī)視覺測量方法，特別涉及一種快速 恢復(fù)物體三維表面模型的測量方法，屬于圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，也屬于逆向工程領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們越來越不滿足現(xiàn)有的圖片信息，二維平面信息向3D發(fā) 展已是趨勢所在。3D信息在產(chǎn)品展示推廣，文物保存展覽，工業(yè)設(shè)計(jì)制造，圖紙恢復(fù)等方面 有著2D信息不可比擬的優(yōu)勢。因此快速，真實(shí)，客觀建立物體三維表面模型，越來越受到 人們的關(guān)注。目前三維建模一般采用激光掃描獲取目標(biāo)三維點(diǎn)云，然后使用商用軟件例如 PolyWorks等進(jìn)行三維重構(gòu)。激光掃描儀的昂貴價(jià)格極大限度的影響了三維建模的發(fā)展，迫 切需求一種同樣高精度但價(jià)格低廉的點(diǎn)云獲取設(shè)備。近景攝影測量中很早就開始了結(jié)構(gòu)光的使用，采用結(jié)構(gòu)光給物體表面加上主動(dòng)特 征，可以克服近景攝影測量中目標(biāo)物紋理信息貧乏的弊端。利用激光的高亮度和方向性特 點(diǎn)，可以投影成很好的激光平面，在物體表面形成一條激光亮線。利用加濾光片的相機(jī)拍 攝，能方便提取激光線條。單目結(jié)構(gòu)光測距實(shí)質(zhì)是使用三角法測量距離原理，由于收到物體 表面高度的調(diào)制，像片形成的曲線條，其坐標(biāo)反映物體上剖面的高度數(shù)據(jù)。結(jié)合一臺(tái)一維移 動(dòng)裝置，就可以得到物體多個(gè)剖面的高度數(shù)據(jù)，也就形成了物體的三維點(diǎn)云模型。上述中三角法測量距離原理基本思想如下如圖1所示，在給定的坐標(biāo)系下，激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光平面plane和攝像機(jī)的 位置、姿態(tài)可以精確標(biāo)定。設(shè)物方激光線條上的任意一點(diǎn)P(X，Y，Z)，在攝像機(jī)上有像點(diǎn)坐 標(biāo)P(X，y)。則該物方點(diǎn)必包含于激光平面內(nèi)plane，同時(shí)也包含于攝影中心0與像點(diǎn)坐標(biāo) P(x，y)構(gòu)成的直線上1。那么直線1與平面plane的交點(diǎn)P' (X'，Y'，Z')正是P(X， Y，Ζ)在給定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。再根據(jù)承臺(tái)的平移量(dx，dy)，即可確定移動(dòng)前該物方點(diǎn)在 給定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。設(shè)經(jīng)過標(biāo)定的激光平面Ax+By+Cz = 1①物方坐標(biāo)到像方坐標(biāo)使用DLT變換，變換模型為 ‘L1X+ L2Y+ LiZ+La
L9X+ LwY+ L11Z + ! L5X+ L6Y+ L1Z + ^
L9X + LwY + L11Z+ 1
由①②可以得
AX = L
(L1—XLgL2-χΤ4_ xAi、(X^fx-LAA =L5-yhL6-yLwL1-yLu,χ =Y,L =VABC jJJI 1 J
③
即可求的 X = A^1L
④
本發(fā)明主要運(yùn)用此原理，給出一整套完整的三維表面模型快速重建解決方案t

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于單目結(jié)構(gòu)光的三維建模方法。本發(fā)明的三維建模的流程，包括系統(tǒng)標(biāo)定、移動(dòng)掃描、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示與輸出 等，見圖3。更具體地，本發(fā)明的快速三維建模方法，使用的硬件包括平臺(tái)，激光發(fā)射器，工業(yè) 相機(jī)和運(yùn)動(dòng)承臺(tái)；包括如下步驟(1)通過軟件自動(dòng)控制承臺(tái)移動(dòng)，獲取物方的序列圖像；(2)通過標(biāo)定塊各標(biāo)志點(diǎn)在序列影像上的坐標(biāo)、激光線在影像上的位置、物方點(diǎn)與 激光線間的相對關(guān)系，精確標(biāo)定激光平面和相機(jī)參數(shù)及承臺(tái)移動(dòng)步距，所述標(biāo)定塊呈臺(tái)階 狀，標(biāo)定塊臺(tái)階梯面上的八個(gè)角點(diǎn)為控制點(diǎn)，保證高程的落差，同時(shí)兩個(gè)平面構(gòu)造用于確定 激光線，具體地，利用攝影測量后方交會(huì)原理確定相機(jī)姿態(tài)；利用前方交會(huì)解算移動(dòng)后標(biāo)定塊的控制點(diǎn)坐標(biāo)；由前后標(biāo)定塊的坐標(biāo)差和移動(dòng)次數(shù)標(biāo)定移動(dòng)步距；由前方交會(huì)解算激光線條在標(biāo)定塊不同臺(tái)階上的物方點(diǎn)，由四點(diǎn)確定激光平面；(3)精確提取激光線條的影像坐標(biāo)序列檢測激光曲線條邊緣點(diǎn)；利用曲線連續(xù)，去除提取的噪聲點(diǎn)；線性內(nèi)插加密曲線；將上一步所得曲線作為緩沖區(qū)，重新搜索曲線縱坐標(biāo)，去除錯(cuò)誤加密點(diǎn)，得到粗略 曲線；對粗略曲線使用重心迭代法得到精確像片縱坐標(biāo)；(4)讀取標(biāo)定參數(shù)，利用三角法原理前方交會(huì)，得出物件的三維坐標(biāo)點(diǎn)云；(5)利用Polyworks等點(diǎn)云處理軟件編輯，得到完整的三維模型。所述平臺(tái)內(nèi)置電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)承臺(tái)移動(dòng)。本發(fā)明的有益效果在于1)價(jià)格低廉，硬件設(shè)備簡單，總成本不足1萬元，若批量生產(chǎn)價(jià)格更低，相當(dāng)于目 前成熟激光掃描儀價(jià)格的幾十分之一，甚至百分之一，具有廣闊的市場前景。2)精度高，實(shí) 際測試中，當(dāng)相機(jī)與平面物體距離300mm，平面點(diǎn)云與其擬合平面的中誤差為0. 029mm,即 其平面度可達(dá)到1/10000，單目線結(jié)構(gòu)光測量借助硬件的支持實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的移動(dòng)，從而形成激 光平面對物體表面等距離的切割。因此，點(diǎn)云坐標(biāo)的平面精度主要受機(jī)械影響。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。在精密加工的前提下，完全可以做到每一步的步距 精度控制在Iu左右，并且不存在累計(jì)誤差。高程精度經(jīng)過嚴(yán)密論證，當(dāng)圖像激光線條提取 精度為十分之一像素時(shí)，相對精度為萬分之一。3)速度快，目前受實(shí)驗(yàn)硬件移動(dòng)速度限制， 完成一個(gè)鞋面一百萬點(diǎn)的掃描需要4分鐘左右，比成熟激光掃描儀略慢，但可繼續(xù)改進(jìn)。5) 針對小型物件，可超近距離掃描，獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。


圖1三角測量原理2硬件系統(tǒng)構(gòu)成3三維建模流程4標(biāo)定塊模型圖5標(biāo)定流程6激光曲線提取流程圖
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施方式
進(jìn)一步介紹本發(fā)明的快速三維建模方法一、獲取標(biāo)定塊的序列影像。標(biāo)定塊，待建模物體放在承臺(tái)上，通過開關(guān)調(diào)節(jié)激光 線亮度，如果是待建模物件，在鏡頭前放置濾光片，然后程序控制承臺(tái)移動(dòng)和相機(jī)拍照，拍 照-移動(dòng)-拍照-移動(dòng)_· · -拍照，驅(qū)動(dòng)控制每步距離相等；如果移動(dòng)掃描系統(tǒng)已經(jīng)標(biāo) 定，則引入標(biāo)定結(jié)構(gòu)文件，直接轉(zhuǎn)三，否則轉(zhuǎn)二。二、根據(jù)標(biāo)定塊序列影像標(biāo)定相機(jī)DLT參數(shù)，激光平面參數(shù)及步距參數(shù)1、選擇序列影像中的某一張能看見八個(gè)控制點(diǎn)的像片IMG1。由當(dāng)前狀態(tài)下的標(biāo)定 塊確定物方坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，精密加工下的標(biāo)定塊八個(gè)控制點(diǎn)在物方坐標(biāo)系O-XYZ中坐標(biāo)已 知，視為真值。人工量測八個(gè)控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)。后方交會(huì)確定相機(jī)的在物方坐標(biāo)系O-XYZ 下的位置姿態(tài)參數(shù)(DLT參數(shù))。2、選擇序列影像中的另外一張看見八個(gè)控制點(diǎn)的像片IMG2，與IMGl的相隔的移 動(dòng)次數(shù)盡量大，人工量測八個(gè)控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)，移動(dòng)承臺(tái)的移動(dòng)設(shè)計(jì)和標(biāo)定塊的特殊設(shè)計(jì) 能夠保證移動(dòng)過程中控制點(diǎn)Z坐標(biāo)的不變。那么根據(jù)相機(jī)的DLT參數(shù)和像點(diǎn)坐標(biāo)及控制點(diǎn) 已知的Z坐標(biāo)，可以確定移動(dòng)后控制點(diǎn)在物方坐標(biāo)系O-XYZ中的新坐標(biāo)值。根據(jù)控制點(diǎn)移 動(dòng)前后坐標(biāo)值的變化和已知的移動(dòng)次數(shù)，可以精確標(biāo)定每次移動(dòng)的X和Y的增量(dx，dy)。3、激光平面在不同的臺(tái)階平面上會(huì)切割不同的直線。在序列圖像中，在第一臺(tái)階 的激光直線上，選擇兩點(diǎn)(相隔越遠(yuǎn)越好)，與2同理確定其物方坐標(biāo)lpn，Ip12，類似的， 確定第二臺(tái)階的激光直線上點(diǎn)lp21，Ip220由確定的四點(diǎn)最小二乘擬合確定激光平面方程 Ax+By+Cz = 1。4、標(biāo)定參數(shù)保存格式。儀器經(jīng)過標(biāo)定，在下次重新組裝之前，標(biāo)定參數(shù)基本固定， 不會(huì)改變。標(biāo)定參數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)格式保存，參數(shù)文件共保存16個(gè)浮點(diǎn)型數(shù)值。前11個(gè)表示DLT 參數(shù)(LijL2L L11)，然后第12，13，14個(gè)數(shù)值表示激光平面ABC參數(shù)(A，B，C)，第15，16個(gè)數(shù) 值表示承臺(tái)移動(dòng)步距Δ參數(shù)(dx，dy)。三、對所拍攝得物體的序列像片做激光線提取，步驟如下
權(quán)利要求
一種快速三維建模的方法，其特征在于使用的硬件包括平臺(tái)，激光發(fā)射器，工業(yè)相機(jī)和運(yùn)動(dòng)承臺(tái)；包括如下步驟(1)通過軟件自動(dòng)控制承臺(tái)移動(dòng)，獲取物方的序列圖像； (2)通過標(biāo)定塊各標(biāo)志點(diǎn)在序列影像上的坐標(biāo)、激光線在影像上的位置、物方點(diǎn)與激光線間的相對關(guān)系，精確標(biāo)定激光平面和相機(jī)參數(shù)及承臺(tái)移動(dòng)步距，所述標(biāo)定塊呈臺(tái)階狀，標(biāo)定塊臺(tái)階梯面上的八個(gè)角點(diǎn)為控制點(diǎn)，保證高程的落差，同時(shí)兩個(gè)平面構(gòu)造用于確定激光線，具體地，利用攝影測量后方交會(huì)原理確定相機(jī)姿態(tài)；利用前方交會(huì)解算移動(dòng)后標(biāo)定塊的控制點(diǎn)坐標(biāo)；由前后標(biāo)定塊的坐標(biāo)差和移動(dòng)次數(shù)標(biāo)定移動(dòng)歩距；由前方交會(huì)解算激光線條在標(biāo)定塊不同臺(tái)階上的物方點(diǎn)，由四點(diǎn)確定激光平面；(3)精確提取激光線條的影像坐標(biāo)序列檢測激光曲線條邊緣點(diǎn)；利用曲線連續(xù)，去除提取的噪聲點(diǎn)；線性內(nèi)插加密曲線；將上一步所得曲線作為緩沖區(qū)，重新搜索曲線縱坐標(biāo)，去除錯(cuò)誤加密點(diǎn)，得到粗略曲線；對粗略曲線使用重心迭代法得到精確像片縱坐標(biāo)；(4)讀取標(biāo)定參數(shù)，利用三角法原理前方交會(huì)，得出物件的三維坐標(biāo)點(diǎn)云；(5)利用Polyworks等點(diǎn)云處理軟件編輯，得到完整的三維模型。
2.如權(quán)利要求1所述的一種快速三維建模的方法，其特征在于通過軟件控制承臺(tái)移 動(dòng)，每步距離相等。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種快速三維建模的方法，其特征在于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)置電 源、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)承臺(tái)移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種快速獲取物體表面模型的方法，包括如下步驟(1)通過軟件自動(dòng)控制承臺(tái)移動(dòng)和獲取質(zhì)量合格的序列圖像；(2)通過標(biāo)定塊各標(biāo)志點(diǎn)在序列影像上的坐標(biāo)、激光線在影像上的位置、物方點(diǎn)與激光線間的相對關(guān)系，精確標(biāo)定激光平面和相機(jī)參數(shù)及承臺(tái)移動(dòng)步距；(3)精確提取激光線條的影像坐標(biāo)序列；(4)讀取標(biāo)定參數(shù)，利用三角法原理前方交會(huì)，得出物件的三維坐標(biāo)點(diǎn)云；(5)利用Polyworks等點(diǎn)云處理軟件編輯，得到完整的三維模型。此方法可快速重建物體的三維表面模型，可用能否快速產(chǎn)生精確的三維模型判斷其是否滿足要求。
文檔編號(hào)G01C11/00GK101986350SQ20101051821
公開日2011年3月16日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者徐軒, 鄭順義, 馬電 申請人:武漢大學(xué)