本發(fā)明屬于三維重建技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維重建方法。

背景技術(shù)：

三維重建技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)分支，是計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形圖像處理相結(jié)合的一個(gè)研究方向。它廣泛的用于工業(yè)自動(dòng)化、逆向工程、文物保護(hù)、計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人應(yīng)用等場(chǎng)景。

雙目立體視覺技術(shù)和結(jié)構(gòu)光技術(shù)是兩種典型的三維重建技術(shù)，各具有優(yōu)點(diǎn)和不足。雙目立體視覺技術(shù)是通過相機(jī)在兩個(gè)角度拍攝物體的左右兩幅圖像，然后利用立體匹配算法尋找出左右兩幅圖像中同名點(diǎn)，并結(jié)合相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，利用三角交會(huì)計(jì)算出被測(cè)物體的三維空間位置坐標(biāo)信息。雙目立體視覺技術(shù)不需要主動(dòng)投射圖案信息，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是重建點(diǎn)云精度低，重建速度慢，對(duì)于表面紋理信息少的物體，容易出現(xiàn)匹配點(diǎn)出錯(cuò)等缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是通過投影儀向物體表面投影特定的編碼圖案，再由相機(jī)拍攝被物體表面調(diào)制了的編碼圖案，通過編碼圖案的解碼運(yùn)算恢復(fù)出物體的深度信息。結(jié)構(gòu)光技術(shù)重建精度高，速度快，即使是表面紋理信息少的物體也能得到很好的重建效果，但是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光重建系統(tǒng)大多都是單目的，在計(jì)算深度信息的過程中需要對(duì)投影儀進(jìn)行標(biāo)定，而投影儀的標(biāo)定過程又極其繁瑣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是，就是針對(duì)上述傳統(tǒng)方法存在問題，提出一種結(jié)合雙目立體視覺、結(jié)構(gòu)光和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維重建方法。

為了便于對(duì)本發(fā)明技術(shù)的理解，首先介紹本發(fā)明采用的幾何模型，如圖1所示，其中，ol為左相機(jī)光心，or為右相機(jī)光心，p為空間中任意一點(diǎn)，pl和pr分別為p點(diǎn)在左右相機(jī)中的像點(diǎn)，稱為一對(duì)同名點(diǎn)，平面polor與左右像平面的交線lpl、lpr稱為一對(duì)極線。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：如圖2所示，一種三維重建方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定左右兩個(gè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和兩個(gè)相機(jī)之間的相對(duì)位置矩陣；根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可采用張正友的棋盤格標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參和兩個(gè)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t

s2、獲取目標(biāo)物體單個(gè)角度的三維坐標(biāo)點(diǎn)，如圖3所示，具體包括：

s21、向目標(biāo)物體投射六張格雷碼編碼圖像，通過左右兩個(gè)相機(jī)拍攝后，對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行解碼，則圖像中每個(gè)像素都有一個(gè)格雷碼值；

s22、向物體投射4張正弦相移編碼圖像，通過左右兩個(gè)相機(jī)拍攝后，對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行解碼，則圖像中每個(gè)像素都有一個(gè)相位值；

s23、通過左右圖像中亞像素同名點(diǎn)匹配的方法，對(duì)于左圖像中的某一點(diǎn)pl(ul,vl)，尋找其在右圖像中的同名匹配點(diǎn)，具體包括：

s231、根據(jù)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相機(jī)之間的相對(duì)位置矩陣，找出點(diǎn)pl(ul,vl)在右圖像中的極線l；

s232、計(jì)算極線l上格雷碼值與點(diǎn)pl(ul,vl)處格雷碼值相等的區(qū)域a；

s233、對(duì)區(qū)域a中像素的正弦相位值進(jìn)行線性擬合運(yùn)算，獲得線性擬合的直線；

s234、在線性擬合的直線上找出與點(diǎn)pl(ul,vl)處相位相等的u軸坐標(biāo)ur，再將ur坐標(biāo)帶入極線l得到v軸坐標(biāo)vr，此時(shí)的點(diǎn)pr(ur,vr)即為pl(ul,vl)在右圖像中對(duì)應(yīng)的亞像素同名點(diǎn)；

s24、根據(jù)步驟s23獲得的同名匹配點(diǎn)和相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，結(jié)合雙目立體視覺成像幾何模型，獲得目標(biāo)物體單個(gè)角度的三維坐標(biāo)點(diǎn)；

上述方案的目的是尋找亞像素同名點(diǎn)，利用正弦相移條紋解碼之后相位值周期線性變化的特性結(jié)合格雷碼圖案和攝影幾何中的極限約束條件，對(duì)相位值進(jìn)行線性擬合，得到了左右圖像中亞像素匹配的同名點(diǎn)，相比于像素精度匹配的同名點(diǎn)，最后計(jì)算得到的物體三維點(diǎn)云，表面要更加光滑，點(diǎn)云分布更加均勻，誤差也更小。

s3、根據(jù)實(shí)際物體的復(fù)雜程度，多次旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，對(duì)每一個(gè)角度重復(fù)步驟s2，得到目標(biāo)物體多個(gè)角度的三維坐標(biāo)點(diǎn)。

s4：采用步驟s2，單獨(dú)重建旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行平面擬合，具體步驟如下：

s41、構(gòu)建旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的平面方程式如下公式1：

ax+by+cz+d＝0(公式1)

s42、將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的n個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)(xi,yi,zi)代入公式1可得如下公式2：

s43、通過最小二乘求解公式2獲得a,b,c,d的值，則旋轉(zhuǎn)平臺(tái)平面的單位法線向量為如下公式3：

則旋轉(zhuǎn)平臺(tái)平面的中心o為如下公式4：

s5、采用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)物體n個(gè)角度的點(diǎn)云進(jìn)行拼接，具體為：

s51、構(gòu)建旋轉(zhuǎn)平臺(tái)拼接多角度點(diǎn)云模型如下公式5：

其中r如下公式6所示：

公式6中：

r1＝nxny(1-cosθ)+cosθ

r2＝nxny(1-cosθ)+nzsinθ

r3＝nxnz(1-cosθ)-nysinθ

r4＝nxny(1-cosθ)-nzsinθ

r5＝nyny(1-cosθ)+cosθ

r6＝nynz(1-cosθ)+nxsinθ

r7＝nxnz(1-cosθ)+nysinθ

r8＝nynz(1-cosθ)-nxsinθ

r9＝nznz(1-cosθ)+cosθ

其中，o(xc,yc,zc)為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)平面的中心在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，n(nx,ny,nz)為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的平面法線在參考坐標(biāo)系下的單位向量，即為步驟s4中已求解的o和n，θ為兩片點(diǎn)云之間的旋轉(zhuǎn)角度；

s52、利用s5中的公式5，將s3中生成的目標(biāo)物體多個(gè)角度的三維坐標(biāo)點(diǎn)拼接到同一個(gè)坐標(biāo)系下

s6、獲得目標(biāo)完整三維模型。

本發(fā)明三維重建的世界坐標(biāo)系都是左相機(jī)的相機(jī)坐標(biāo)系，利用這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行三維重建，然后對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的點(diǎn)云進(jìn)行平面擬合，則平面的法線就是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的法線在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，點(diǎn)云的重心就是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。這種標(biāo)定算法無需特定的標(biāo)定物，算法簡(jiǎn)單方便

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明結(jié)合了雙目立體視覺技術(shù)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)技術(shù)，提出了一種精度高、速度快、成本低的三維重建方法；相比于雙目立體視覺擁有重建速度更快，精度更高，而且對(duì)于物體表面紋理不豐富的區(qū)域效果良好。相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光技術(shù)，本系統(tǒng)無需投影儀標(biāo)定的麻煩，用第二個(gè)相機(jī)取代投影儀，而相機(jī)的標(biāo)定要比投影儀的標(biāo)定更加精確，所以重建的三維點(diǎn)云也更加好。采用的多視角點(diǎn)云拼接采用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的拼接算法，相比于傳統(tǒng)的icp配準(zhǔn)方法，本方法點(diǎn)云拼接更快，無需要初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單無需人工參與。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的三維重建幾何模型；

圖2為三維重建流程圖；

圖3為物體一個(gè)角度的三維重建流程圖。

具體實(shí)施方式

發(fā)明內(nèi)容部分已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，在此不再贅述。