一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统及方法与流程

本发明涉及三维形貌数字化测量技术领域，更具体的涉及一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统及方法。

背景技术：

三维形貌测量，是通过对待测量物体进行三维摄像，采集数据，然后进行精密地计算。当前对于三维数字形貌测量的研究十分重视，以三维数字成像系统为基础，光学动态三维测量仪利用三维建模软件，构建了三维数字化成像的数字化设计平台，从前端三维数据的获取到后端CAD实体模型的重构，形成了完整系统的数字化设计流程。逆向工程是利用现有物体的形状，通过精密测量得到外形尺寸，经过进一步修缮后再投入生产，得到全新的产品。在当前计算机技术不断发展的条件之下，逆向工程的应用领域逐步扩大，将三维数字形貌测量应用于逆向工程已成为一种趋势。

现有技术中，三维数字形貌测量和逆向工程在各自的领域已取得了一定的成果，但是，并没有将三维数字形貌测量和逆向工程结合应用的技术出现。

综上所述，现有技术中的三维形貌数字化测量技术，存在没有将三维数字形貌测量和逆向工程相结合应用的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统及方法，用以解决现有技术中存在没有将三维数字形貌测量和逆向工程结合应用的技术出现的问题。

本发明实施例提供一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统，包括：三角支架、摇臂云台、三维测量仪主机、投影仪、第一CMOS摄像机、第二CMOS摄像机、计算机和3D打印机；

所述摇臂云台设置在所述三角支架上；所述三维测量仪主机设置在所述摇臂云台上；所述投影仪、所述第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机设置在所述三维测量仪主机的顶面上，且所述第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机分别对称设置在所述投影仪两侧；

所述投影仪、所述第一CMOS摄像机和所述第二CMOS摄像机均与所述三维测量仪主机电连接；

所述投影仪，用于将变频光栅投影至被测物体上；

所述第一CMOS摄像机和所述第二CMOS摄像机，均用于采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据；其中，所述变频光栅投影至被测物体上的图像数据包括：被测物体的图像数据和含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据；

所述计算机，用于对所述被测物体的图像数据进行极线约束，确定被测物体在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点在第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程；用于根据所述含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据，确定含有被测物体高度信息的绝对相位分布图；用于根据所述极线方程、所述绝对相位分布图和被测物体的空间点在两个CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点的绝对相位值相等，在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点所对应的第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程上寻找绝对相位值相同的点，确定被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点和被测物体的三维点云数据；将被测物体的三维点云数据中的体外孤点和噪声点删除，外孤点和噪声点，通过对被测物体的三维点云数据进行封装和拼接，确定被测物体的三维图像；用于对被测物体的三维图像进行填充和修复，确定被测物体的三维图形数据；以及用于将被测物体的三维图形数据导入3D打印机中，打印出被测物体。

所述计算机，用于根据所述变频光栅投影至被测物体上的图像数据，确定被测物体在两个CMOS摄像机中的图像坐标系下的点与线的对应关系和含有被测物体高度信息的绝对相位数据；用于根据所述被测物体在两个CMOS摄像机中的图像坐标系下的点与线的对应关系和所述含有被测物体高度信息的绝对相位数据，确定被测物体的三维点云数据；用于对所述被测物体的三维点云数据去除体外孤点和噪声点，封装，拼接，填充和修复，确定被测物体的三维图形数据；以及用于根据所述被测物体的三维图形数据，驱动所述3D打印机打印被测物体。

较佳地，所述三维测量仪主机的顶面为水平面。

本发明实施例提供一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法，包括：

对用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统进行标定；

通过投影仪将变频光栅投影至被测物体上；

通过第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据；其中，所述变频光栅投影至被测物体上的图像数据包括：被测物体的图像数据和含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据；

对所述被测物体的图像数据进行极线约束，确定被测物体在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点在第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程；

根据所述含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据，确定含有被测物体高度信息的绝对相位分布图；

根据所述极线方程、所述绝对相位分布图和被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点的绝对相位值相等，在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点所对应的第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程上寻找绝对相位值相同的点，确定被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点和被测物体的三维点云数据；

从被测物体的三维点云数据中删除体外孤点和噪声点，通过对被测物体的三维点云数据进行封装和拼接，确定被测物体的三维图像；

对被测物体的三维图像进行填充和修复，确定被测物体的三维图形数据；

将被测物体的三维图形数据导入3D打印机中，打印出被测物体。

较佳地，通过两个CMOS摄像机对被测物体的前后左右上下至少六个面采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据。

本发明实施例中，提供一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统及方法，该发明通过投影仪将变频光栅投影至被测物体上；通过对称设置在投影仪两侧的两个CMOS摄像机采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据；以及通过极线几何约束和物体的绝对相位值进行同名点查找；即根据极线几何约束可以确定两台摄像机中的图像坐标系下的点与线的对应关系，在这样的基础之上，根据物体的同名点的绝对相位数值相等的条件，在该点所对应的另一个摄像机图像坐标系中的极线方程上进行寻找，便可找到绝对值相同的点，完成同名点的相互匹配；通过在完整的绝对相位图中寻找对应点，可以实现全场对应点的匹配，进而获得三维点云数；对三维点云数据去除体外孤点和噪声点、封装和拼接，确定被测物体的三维图像；对被测物体的三维图像进行填充和修复，确定被测物体的三维图形数据；将被测物体的三维图形数据导入3D打印机中，打印出被测物体；即完整的给出了将三维数字形貌测量应用于逆向工程的技术，为三维数字形貌测量和逆向工程的结合应用提供了事实依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法流程图；

图3为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中双目立体视觉几何关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中相位展开原理图；

图5为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中同名点匹配示意图。

附图标记说明：

101-三角支架，102-摇臂云台，103-三维测量仪主机，104-投影仪，105-1-第一CMOS摄像机，105-2-第二CMOS摄像机，106-计算机，107-3D打印机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统结构示意图。如图1所示，该系统包括：三角支架101、摇臂云台102、三维测量仪主机103、投影仪104、第一CMOS摄像机105-1、第二CMOS摄像机105-2、计算机106和3D打印机107。

具体地，摇臂云台102设置在三角支架101上；三维测量仪主机103设置在摇臂云台102上；投影仪104、第一CMOS摄像机105-1和第二CMOS摄像机105-2设置在三维测量仪主机103的顶面上，且第一CMOS摄像机105-1和第二CMOS摄像机105-2分别对称设置在投影仪104两侧。

较佳地，三维测量仪主机103的顶面为水平面，保证了测量的准确性。即三维测量仪主机103用于确定被测物的三维坐标测量数据。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统还包括：双目视觉测量标定板，双目视觉测量标定板为高校、研究单位和机器视觉集成商研制的专用高精度标定工具，黑色面板上在特定位置有白色圆点。放在三维测量仪主机103的前下方，一般和三维测量仪主机103下面的三脚支架101在同一平面内。通过标定软件为三维测量仪主机103建立三维坐标系，系统标定之后，待测物体所放置平面即已确定。

需要说明的是，CMOS摄像机，CMOS主要是通过“硅”和“锗”这两种元素做成的半导体材料，通过CMOS上带正负电荷的晶体管来实现功能。其主要功能主要是是对物体进行拍照，采集三维坐标数据。

具体地，投影仪104、第一CMOS摄像机105-1和第二CMOS摄像机105-2均与三维测量仪主机103电连接。

需要说明的是，三维测量仪主机103控制投影仪104、第一CMOS摄像机105-1和第二CMOS摄像机105-2的工作状态。

具体地，投影仪104，用于将变频光栅投影至被测物体上。第一CMOS摄像机105-1和第二CMOS摄像机105-2，均用于采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据；其中，所述变频光栅投影至被测物体上的图像数据包括：被测物体的图像数据和含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据。计算机106，用于对所述被测物体的图像数据进行极线约束，确定被测物体在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点在第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程；用于根据所述含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据，确定含有被测物体高度信息的绝对相位分布图；用于根据所述极线方程、所述绝对相位分布图和被测物体的空间点在两个CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点的绝对相位值相等，在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点所对应的第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程上寻找绝对相位值相同的点，确定被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点和被测物体的三维点云数据；将被测物体的三维点云数据中的体外孤点和噪声点删除，外孤点和噪声点，通过对被测物体的三维点云数据进行封装和拼接，确定被测物体的三维图像；用于对被测物体的三维图像进行填充和修复，确定被测物体的三维图形数据；以及用于将被测物体的三维图形数据导入3D打印机107中，打印出被测物体。

需要说明的是，本发明中用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统的安装过程：取出三脚架，将三脚架立在稳定的地面上；取出摇臂云台和云台控制手柄，将手柄拧入相应的螺纹孔当中；将摇臂云台装在之前固定好的三脚架上；将所需要的三维测量仪主机安装在摇臂云台上，并一定要确保其与云台卡紧；将三维测量仪主机上的摄像机盖头取下，安装上镜头，注意保存好镜头盖，以免丢失；安装好转向旋钮。

需要说明的是，云台控制手柄有长短之分，不能随意互换，否则会造成无法锁紧的局面；不要把手柄放到主机的前面；开机时先打开风扇，再打开投影机。

需要说明的是，三维非接触式数字化测量技术的优点在于操作简单，无损伤，精度高，代表着三维形貌数字化测量技术的发展方向，在结构光基础之上的三维形貌数字化测量技术是三维非接触测量技术的一个下设方向，该测量方法以被测物体的相位值作为基本特征信息进行对应点的匹配，从而求解出该点对应的三维空间具体坐标，这是与其他测量技术的一个不同之处。

图2示例性的示出了本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤101：对用于逆向工程的三维形貌数字化测量系统进行标定。

步骤102：通过投影仪将变频光栅投影至被测物体上。

步骤103：通过第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据；其中，所述变频光栅投影至被测物体上的图像数据包括：被测物体的图像数据和含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据。

步骤104：对所述被测物体的图像数据进行极线约束，确定被测物体在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点在第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程。

步骤105：根据所述含有被测物体高度信息的变形条纹图像数据，确定含有被测物体高度信息的绝对相位分布图。

步骤106：根据所述极线方程、所述绝对相位分布图和被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点的绝对相位值相等，在第一CMOS摄像机的图像坐标系下的点所对应的第二CMOS摄像机的图像坐标系中的极线方程上寻找绝对相位值相同的点，确定被测物体的空间点在第一CMOS摄像机和第二CMOS摄像机的图像坐标系中的对应点和被测物体的三维点云数据。

步骤107：从被测物体的三维点云数据中删除体外孤点和噪声点，通过对被测物体的三维点云数据进行封装和拼接，确定被测物体的三维图像。

步骤108：对被测物体的三维图像进行填充和修复，确定被测物体的三维图形数据。

步骤109：将被测物体的三维图形数据导入3D打印机中，打印出被测物体。

较佳地，通过两个CMOS摄像机对被测物体的前后左右上下至少六个面采集变频光栅投影至被测物体上的图像数据。

对于步骤S101，本发明中对系统标定的具体过程如下：

打开三维测量软件开始记录两台CMOS摄像机采集到的图像，打开事先做好的测试图，投射测试图至白纸上，调整投影仪镜头焦距使测试图中的文字调至最清晰。投影十字光条到白纸上，调整两台CMOS摄像机的光心与十字光条中心重合，将标定靶放置在两台CMOS摄像机视场中央，投影白光，查看CMOS摄像机采集效果，调整标定靶位置，防止因标定靶面的漫反射引起过曝现象导致标定失败，靶图采集时在摆放标定靶过程中，通过软件视图观察，必须使得标定靶面上的所有圆都能通过两台CMOS摄像机全部采集到方可进行采集并保存，依次进行“标定靶图读取”、“左标定图圆心提取”、“右标定图圆心提取”、“左摄像机标定”、“右摄像机标定”和“系统立体标定”，从而完成系统的标定。

需要说明的是，在标定过程中会出现摄像头对待测量物体图像捕捉不全面，有部分信息缺失或存在残缺。对此问题，在标定过程中需要用黑色物体(不会反光)将待测量物体适当垫起，使待测物体尽可能与摄像头平行，进而受光均匀，可以更好地让摄像头捕捉到最为充分的信息。

图3为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中双目立体视觉几何关系示意图；图4为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中相位展开原理图；图5为本发明实施例提供的一种用于逆向工程的三维形貌数字化测量方法中同名点匹配示意图。

对于步骤S102～S106，本发明中寻找对应点的具体过程如下：

在求解被测物体点的三维空间坐标的过程中，应当先寻找到空间点在左右摄像机像面上的对应点位置(在双目立体视觉系统中，对应点的寻找与极线几何密切相关)。如图3所示，假若设p₁，p_r是空间中同一点p在左右两个摄像机图像上的投影点，那么就称p₁，p_r的关系是互为对应点。

假若已知p₁位于图像I₁的具体位置，那么在图像I_r内p_l所对应的点就位于它在图像I_r内的极线上，也就是说p_r一定在直线e_rp_r上，反之亦然，极线约束是双目立体视觉的一个重要特征，它给出了对应点重要的约束条件，将对应点匹配从整幅图像寻找压缩到在一条直线上寻找对应点。因此，极线约束极大地减少了搜索范围，对对应点匹配具有重要的指导作用。

为了获取物体的相位，投影装置需要把一组正弦条纹结构光投射在待测物体的表面，摄像机捕捉到含有被测物体高度信息的变形条纹图后，就要对变形后的条纹图进行相位值的计算。其过程分为以下两个阶段：第一阶段是对于相位的解调，即从被调制的条纹图中求解含有被测物体高度信息的相位值；第二阶段是对于相位的展开。因此，有必要对此做展开恢复的工作，以便得到绝对相位值，保证相位值的唯一性。

为了便于求解，在计算机上自动生成沿x轴方向正弦变化的条纹结构光，以此作为投影图案。则光强分布就表示为：

I₀＝A₀cos(2πf₀x) (1)

式(1)中，I₀为入射结构光光强；A₀为入射结构光振幅；f₀为入射光频率。

通过投影仪把条纹投影到物体表面上，在物体表面高度调制后，摄像机捕捉到的变形条纹光强分布就表示为：

式(2)中，I(x,y)为记录到的物面光强；α(x,y)为背景光强分布；b(x,y)为条纹的局部对比度；f₁为载波频率；φ(x,y)为与物体外表面相关的相位因子。

相位解调就是就是要解码含有物体表面高度信息的相位函数φ(x,y)，倘若相移次数为N时，每幅投射到物体表面的条纹结构光的相位偏移量为2Kπ/N，条纹光强就表示为：

式(3)中，I_N+1(x,y)为相移次数N时的条纹光强；N为相移次数；k＝1,2,3...N-1。

由公式(3)可算出相位值φ(x,y)

由(4)式可知，通过K×u(t₁)对条纹数为t2的编码条纹图所得到的折叠相位进行展开。

在两台摄像机从不同方位捕获到物体的绝对相位分布后，任一物点P处的绝对相位数值都可以作为标记出现在双摄像机的绝对相位分布中。同名点匹配实际上就是建立左摄像机中像点P₁(x_p1,y_p1)和右摄像机像点P₂(x_p2,y_p2)的对应的关系。假设P₁(x_p1,y_p1)、P₂(x_p2,y_p2)对应的绝对相位数值为(φ_1x,φ_1y)、(φ_2x,φ_2y)，则满足下式要求：

φ_1x＝φ_2x；φ_1y＝φ_2y (5)

为了能够快速高效地寻找到对应点，需要利用前述的极线方程进行必要的帮助进行搜索，如图5所示，同名点P₁(x_p1,y_p1)与P₂(x_p2,y_p2)有相同的绝对相位值，对于左摄像机图像上的整像素点P₁(x_p1,y_p1)，在纠正镜头畸变之后，首先在右摄像机成像面上就可以找到具有与φ_1x，φ_1y最接近相位值的四个整像素对应点。在此过程中，系统所用的感光元素尺寸不是很大，而且相位值呈现线性分布。所以，可以认为相邻的两个像素之间的相位值呈现线性分布。利用四个整体像素点的相位数值以及p₁的相位数值φ_1x，φ_1y，利用线性插值方法就能够得到亚像素的同名匹配点p₂。最后通过在完整的绝对相位图中寻找对应点的，就可以实现全场对应点的匹配，进而结合先前标定结果，获得三维点云数据。

需要说明的是，本发明通过极线几何约束和物体的绝对相位值进行同名点查找，即根据极线几何约束可以确定两台摄像机中的图像坐标系下的点与线的对应关系，在这样的基础之上，根据物体的同名点的绝对相位数值相等的条件，在该点所对应的另一个摄像机图像坐标系中的极线方程上进行寻找，便可找到绝对值相同的点，完成同名点的相互匹配。

对于步骤S107～S109，对点云数据的处理和实物打印的具体过程如下：

打开获得的三维点云数据，将体外孤点及与被测物体无关的噪声点去掉，然后进行封装，将被测物体所有测量面的三维点云数据封装之后进行拼接，选取两相邻面，在上面选取3个以上相同点，点击Geomagic Studio软件中的手动注册，并将其中一组数据作为固定，另一组数据作为浮动，这里采用“HAND2L”为固定，“HAND2R”为浮动。这样，在注册的时候“HAND2R”的数据根据“HAND2L”的数据进行调整，注册之后，完成两组不同场景数据的拼接，重复上述步骤依次对测得数据进行合并，得到被测物体的完整三维图像，对所得到的三维图像进行必要的填充和修复缺失，获得被测物体的三维图形数据。

需要说明的是，进行两场景拼接时，会出现寻找不到共同部位的情况，或图像存在缺失。对此问题，首先应该重新进行调试扫描仪环节，转动调节光照强度的螺纹，使光线较为适中，不至于反光过度或光线较暗。其次，重新进行标定环节，适当地增加标定面，尽可能使各标定面有一定的重复区域，以便于在拼接时寻找共同点。最后，在拼接时尽可能多的勾选共同点，使其最大程度地拼接无缝隙。

将获得的三维图形数据导入3D打印机中，选择适合尺寸大小、精度和疏密程度打印出3D实物。

需要说明的是，在打印物体时，会遇到喷头堵塞；物体摆放角度不适当；运行内存不够等情况。对于喷头堵塞的问题，首先利用喷头清洁铁丝将喷头中的余料清除并重新打印，若显示屏仍显示喷头堵塞，则需要卸载耗材，将耗材从耗材盒中拔出并过后重新插入，在进行打印；对于物体摆放角度不适当的问题，应利用X轴，Y轴和Z轴进行调整，直到物体摆放正确；对于内存不够的问题，应该清除三维打印软件记忆的打印模型，仅留下待打印物体的记录。

综上所述，本发明在扫描过程中，光度调节越清晰，采集的数据越多；在计算过程中，图像信息采集面越多，数据越精确；若干场景的封装效果越好，打印出的成品拟合度越高；在全部封装完成后，填充越封闭，成品越严密；打印过程中，所选密度越高，耗费时间越长，成品的密合程度越高，封闭性越强；通过填充完整的视图和打印成品的对比，可以得出打印机分辨率越高，所选材质越好，打印成品的效果越好；通过三维扫描仪对待模拟物体进行扫描后，就可得到包括形状和外观在内的相关三维数据，这些数据确实可以被用来进行三维形貌测量的计算。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。