专利名称：基于单目结构光的三维建模方法
技术领域：
本发明隶属于近景摄影测量领域，涉及计算机视觉测量方法，特别涉及一种快速 恢复物体三维表面模型的测量方法，属于图像处理、计算机视觉领域，也属于逆向工程领 域。
背景技术：
随着信息技术的发展，人们越来越不满足现有的图片信息，二维平面信息向3D发 展已是趋势所在。3D信息在产品展示推广，文物保存展览，工业设计制造，图纸恢复等方面 有着2D信息不可比拟的优势。因此快速，真实，客观建立物体三维表面模型，越来越受到 人们的关注。目前三维建模一般采用激光扫描获取目标三维点云，然后使用商用软件例如 PolyWorks等进行三维重构。激光扫描仪的昂贵价格极大限度的影响了三维建模的发展，迫 切需求一种同样高精度但价格低廉的点云获取设备。近景摄影测量中很早就开始了结构光的使用，采用结构光给物体表面加上主动特 征，可以克服近景摄影测量中目标物纹理信息贫乏的弊端。利用激光的高亮度和方向性特 点，可以投影成很好的激光平面，在物体表面形成一条激光亮线。利用加滤光片的相机拍 摄，能方便提取激光线条。单目结构光测距实质是使用三角法测量距离原理，由于收到物体 表面高度的调制，像片形成的曲线条，其坐标反映物体上剖面的高度数据。结合一台一维移 动装置，就可以得到物体多个剖面的高度数据，也就形成了物体的三维点云模型。上述中三角法测量距离原理基本思想如下如图1所示，在给定的坐标系下，激光发射器产生的激光平面plane和摄像机的 位置、姿态可以精确标定。设物方激光线条上的任意一点P(X，Y，Z)，在摄像机上有像点坐 标P(X，y)。则该物方点必包含于激光平面内plane，同时也包含于摄影中心0与像点坐标 P(x，y)构成的直线上1。那么直线1与平面plane的交点P' (X'，Y'，Z')正是P(X， Y，Ζ)在给定坐标系中的坐标。再根据承台的平移量(dx，dy)，即可确定移动前该物方点在 给定坐标系下的坐标值。设经过标定的激光平面Ax+By+Cz = 1①物方坐标到像方坐标使用DLT变换，变换模型为 ‘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
本发明主要运用此原理，给出一整套完整的三维表面模型快速重建解决方案t
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于单目结构光的三维建模方法。本发明的三维建模的流程，包括系统标定、移动扫描、数据处理、结果显示与输出 等，见图3。更具体地，本发明的快速三维建模方法，使用的硬件包括平台，激光发射器，工业 相机和运动承台；包括如下步骤(1)通过软件自动控制承台移动，获取物方的序列图像；(2)通过标定块各标志点在序列影像上的坐标、激光线在影像上的位置、物方点与 激光线间的相对关系，精确标定激光平面和相机参数及承台移动步距，所述标定块呈台阶 状，标定块台阶梯面上的八个角点为控制点，保证高程的落差，同时两个平面构造用于确定 激光线，具体地，利用摄影测量后方交会原理确定相机姿态；利用前方交会解算移动后标定块的控制点坐标；由前后标定块的坐标差和移动次数标定移动步距；由前方交会解算激光线条在标定块不同台阶上的物方点，由四点确定激光平面；(3)精确提取激光线条的影像坐标序列检测激光曲线条边缘点；利用曲线连续，去除提取的噪声点；线性内插加密曲线；将上一步所得曲线作为缓冲区，重新搜索曲线纵坐标，去除错误加密点，得到粗略 曲线；对粗略曲线使用重心迭代法得到精确像片纵坐标；(4)读取标定参数，利用三角法原理前方交会，得出物件的三维坐标点云；(5)利用Polyworks等点云处理软件编辑，得到完整的三维模型。所述平台内置电源、伺服驱动器、步进电机和导轨，步进电机驱动承台移动。本发明的有益效果在于1)价格低廉，硬件设备简单，总成本不足1万元，若批量生产价格更低，相当于目 前成熟激光扫描仪价格的几十分之一，甚至百分之一，具有广阔的市场前景。2)精度高，实 际测试中，当相机与平面物体距离300mm，平面点云与其拟合平面的中误差为0. 029mm,即 其平面度可达到1/10000，单目线结构光测量借助硬件的支持实现平台的移动，从而形成激 光平面对物体表面等距离的切割。因此，点云坐标的平面精度主要受机械影响。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。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，并且不存在累计误差。高程精度经过严密论证，当图像激光线条提取 精度为十分之一像素时，相对精度为万分之一。3)速度快，目前受实验硬件移动速度限制， 完成一个鞋面一百万点的扫描需要4分钟左右，比成熟激光扫描仪略慢，但可继续改进。5) 针对小型物件，可超近距离扫描，获取高精度点云数据。
图1三角测量原理2硬件系统构成3三维建模流程4标定块模型图5标定流程6激光曲线提取流程图
具体实施例方式下面通过具体实施方式
进一步介绍本发明的快速三维建模方法一、获取标定块的序列影像。标定块，待建模物体放在承台上，通过开关调节激光 线亮度，如果是待建模物件，在镜头前放置滤光片，然后程序控制承台移动和相机拍照，拍 照-移动-拍照-移动_· · -拍照，驱动控制每步距离相等；如果移动扫描系统已经标 定，则引入标定结构文件，直接转三，否则转二。二、根据标定块序列影像标定相机DLT参数，激光平面参数及步距参数1、选择序列影像中的某一张能看见八个控制点的像片IMG1。由当前状态下的标定 块确定物方坐标系0-ΧΥΖ，精密加工下的标定块八个控制点在物方坐标系O-XYZ中坐标已 知，视为真值。人工量测八个控制点像点坐标。后方交会确定相机的在物方坐标系O-XYZ 下的位置姿态参数(DLT参数)。2、选择序列影像中的另外一张看见八个控制点的像片IMG2，与IMGl的相隔的移 动次数尽量大，人工量测八个控制点像点坐标，移动承台的移动设计和标定块的特殊设计 能够保证移动过程中控制点Z坐标的不变。那么根据相机的DLT参数和像点坐标及控制点 已知的Z坐标，可以确定移动后控制点在物方坐标系O-XYZ中的新坐标值。根据控制点移 动前后坐标值的变化和已知的移动次数，可以精确标定每次移动的X和Y的增量(dx，dy)。3、激光平面在不同的台阶平面上会切割不同的直线。在序列图像中，在第一台阶 的激光直线上，选择两点(相隔越远越好)，与2同理确定其物方坐标lpn，Ip12，类似的， 确定第二台阶的激光直线上点lp21，Ip220由确定的四点最小二乘拟合确定激光平面方程 Ax+By+Cz = 1。4、标定参数保存格式。仪器经过标定，在下次重新组装之前，标定参数基本固定， 不会改变。标定参数已标准格式保存，参数文件共保存16个浮点型数值。前11个表示DLT 参数(LijL2L L11)，然后第12，13，14个数值表示激光平面ABC参数(A，B，C)，第15，16个数 值表示承台移动步距Δ参数(dx，dy)。三、对所拍摄得物体的序列像片做激光线提取，步骤如下
权利要求
一种快速三维建模的方法，其特征在于使用的硬件包括平台，激光发射器，工业相机和运动承台；包括如下步骤(1)通过软件自动控制承台移动，获取物方的序列图像； (2)通过标定块各标志点在序列影像上的坐标、激光线在影像上的位置、物方点与激光线间的相对关系，精确标定激光平面和相机参数及承台移动步距，所述标定块呈台阶状，标定块台阶梯面上的八个角点为控制点，保证高程的落差，同时两个平面构造用于确定激光线，具体地，利用摄影测量后方交会原理确定相机姿态；利用前方交会解算移动后标定块的控制点坐标；由前后标定块的坐标差和移动次数标定移动歩距；由前方交会解算激光线条在标定块不同台阶上的物方点，由四点确定激光平面；(3)精确提取激光线条的影像坐标序列检测激光曲线条边缘点；利用曲线连续，去除提取的噪声点；线性内插加密曲线；将上一步所得曲线作为缓冲区，重新搜索曲线纵坐标，去除错误加密点，得到粗略曲线；对粗略曲线使用重心迭代法得到精确像片纵坐标；(4)读取标定参数，利用三角法原理前方交会，得出物件的三维坐标点云；(5)利用Polyworks等点云处理软件编辑，得到完整的三维模型。
2.如权利要求1所述的一种快速三维建模的方法，其特征在于通过软件控制承台移 动，每步距离相等。
3.如权利要求1或2所述的一种快速三维建模的方法，其特征在于运动平台内置电 源、伺服驱动器、步进电机和导轨，步进电机驱动承台移动。
全文摘要
本发明公开一种快速获取物体表面模型的方法，包括如下步骤(1)通过软件自动控制承台移动和获取质量合格的序列图像；(2)通过标定块各标志点在序列影像上的坐标、激光线在影像上的位置、物方点与激光线间的相对关系，精确标定激光平面和相机参数及承台移动步距；(3)精确提取激光线条的影像坐标序列；(4)读取标定参数，利用三角法原理前方交会，得出物件的三维坐标点云；(5)利用Polyworks等点云处理软件编辑，得到完整的三维模型。此方法可快速重建物体的三维表面模型，可用能否快速产生精确的三维模型判断其是否满足要求。
文档编号G01C11/00GK101986350SQ20101051821
公开日2011年3月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者徐轩, 郑顺义, 马电 申请人:武汉大学