三维模型的测量和重建一体化方法及其系统的制作方法

专利名称：三维模型的测量和重建一体化方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维模型的测量和重建一体化方法及其系统。
背景技术：
由实物样件生成产品三维模型的技术，通常称为逆向设计或逆向重建。参 见图l，逆向重建通常包括两个主要步骤1)实物样件的测量；2)三维模型的 重建。利用各种测量设备获取实物样件表面数据的过程称为实物样件的测量； 以测量数据为输入生成计算机辅助设计(简称CAD)系统可以接受的三维模型的 过程称为三维模型的重建。
逆向重建在制造、医学、地理信息系统、虚拟现实等领域应用广泛。制造 领域的逆向重建以获得精确、完备的三维模型为目标；而地理信息系统、虚拟 现实等领域对重建模型的精确性、完备性要求不高，但常常需要完成大量的三 维模型的快速重建。而目前的测量重建系统多数起源于制造领域，难以很好的 满足地理信息系统、虚拟现实等领域对快速逆向重建的需求。本发明以三维模 型的快速重建为目标，在地理信息系统、虚拟现实等领域有着广泛的应用前景。 参见图l，目前的逆向重建方案将将测量和重建看作两个相对独立的步骤，实物 样件的测量过程通常不考虑后续的三维模型重建，两个步骤仅仅通过测量获得 的三维数据交换信息。
光学方法是最为流行的测量手段之一，参见图2，常用光学测量方法包括两 大类1)主动光源法，包括点激光、线激光、结构光；2)被动光源法，既立 体视觉方法。其他测量方法与本发明关系不大，在此不做说明。
基于主动光源法的测量系统主要由具有特定模式的光源以及数量不等的数 字相机构成，根据光源的类型可以将其分为点激光、线激光、结构光扫描测量 方法三类。
1、点激光扫描测量系统。参见图3，主要由顺序扫描测量空间的点激光系 统和多个数字式相机构成。测量时扫描机构控制激光在测量空间顺序运动，同 时数字式相机获取点激光在物体上的投射光点的图像，利用光点图像之间的像差计算投影光点的三维位置。其缺点是1)激光光点按照固定的模式扫描测量 空间，造成大量的重复扫描；2)无法获得样件表面的颜色及纹理信息；3)获 得的测量点数量大，不适合网络环境下使用；4)测量过程不考虑模型的设计意 图，测量规划难度大。
2、 线激光扫描测量系统。参见图4，通常由机械臂以及固定于其上的线激 光扫描头构成。线激光扫描头一般包括线激光投射器和多个数字式相机。测量 时测量人员手持扫描头顺序扫描实物样件表面完成测量，在每一个固定测量位 置，线激光投射器投射出一个光条，光条受实物样件表面调制发生变形，由数 字式相机获取光条的图像并根据光条图像的像差计算获得光条所对应实物样件 表面的测量数据。其缺点是1)需要按照一定的次序扫描实物样件，大量的区 域会被重复扫描；2)需要与机械臂相连接，测量精度受连接设备影响；3)无 法获得样件表面的颜色及纹理信息；4)获得的测量点数量大，不适合在网络环 境下使用；5)测量过程不考虑模型的设计意图，测量规划难度大。
3、 结构光测量系统。参见图5， 一般由光栅投射器、数字式相机构成。光 栅投射器将一定模式的结构光投射于物体的表面，在表面形成由被测物体表面 形状所调制的结构光，数字式相机可以采集获得结构光的二维畸变图像。当光 学投射器与数字式相机之间的相对位置固定时，由畸变的二维光条图像便可计 算得到物体表面点的三维坐标。其缺点是1)无法获得样件表面的颜色及纹理 信息；2)不同角度的测量数据必然存在重复，造成重复测量；3)获得的测量 点数量大，不适合在网络环境下使用；4)测量过程不考虑模型的设计意图，测
量规划难度大。
立体视觉方法通过分析处理采集自自然环境下的图像/视频，利用立体视觉 原理根据数字相机方向以及样件上的纹理、颜色差异获得样件表面的三维测量
数据。其缺点是1)立体视觉是从物体的二维到三维信息的转化，这种转化实 际上是一个有着不确定解的病态问题；2)用立体视觉方法恢复物体的三维形貌 过程中的很多问题仍然有待于进一步研究解决，商业化难度大；3)计算量大， 不适于实时、在线测量是立体视觉方法的另一个缺点。
为了弥补上述单一测量方法的缺点，出现了几种集成测量系统，主要包括-1、线激光、立体视觉与坐标测量机(简称C腿)集成通过将立体视觉和线激光扫描传感器两种数据获取设备集成到三坐标测量机(c應)，形成一种新
型的数据测量系统，其中由立体视觉来获得物体的边界或轮廓信息、线激光扫 描传感器获得物体表面的三维数据，利用多传感器的信息融合技术提取被测物
体的几何特征，并在此基础上完成模型的测量。其缺点是1) CMM设备体积大、 便携性差，仅适合在制造领域内使用，不适用于民用领域；2) QM测头移动速 度慢，与光学测量相比较，测量效率低；3)该系统中，立体视觉仅用来获得模 型的轮廓，测量规划过程无法自动完成；4)获得的测量点数量大，不适合在网 络环境下使用；5)在轮廓区域内，仍然存在重复扫描现象。
2、 立体视觉与结构光方法集成立体视觉与结构光方法集成形成了一种快 速获得物体精确三维数据的新方法。该方法把三维视觉中的主动式与被动式数 字化技术相结合，以立体视觉为原理，辅助以主动式密集结构投影光，有效地 解决了测量过程中的对应点匹配问题。其缺点是1)不同角度的测量数据必然 存在重复，造成重复测量；2)获得的测量点数量大，不适合在网络环境下使用； 3)难以真正解决结构光测量的自动规划问题。
3、 立体视觉与CMM集成立体视觉与(MM的集成测量系统可以综合立体视觉 测量的高效性以及CMM测量的精确性，具有较为广阔的应用范围。其缺点是1) C画设备体积大，便携性差，仅适合在制造领域内使用，不是用于民用领域；2) C,测头移动速度慢，与光学测量相比较，测量效率低；3)该系统中，立体视 觉仅用来获得模型的轮廓，测量规划过程无法自动完成；4)无法获得样件表面 的颜色及纹理信息。
在三维重建方面，现有系统以测量实物样件获得的三维测量数据为输入， 通过数据预处理、区域分割和曲面拟合等步骤完成建模。目前完全自动的三维 重建还难以实现，重建过程还需要大量的人机交互。由于测量重建过程之间脱 节， 一旦实物样件测量过程中出现遗漏，例如样件局部没有得以测量，则遗漏 部分的三维重建必须通过二次测量、重建才能完成，增大了逆向重建的复杂度。
澳大利亚Adelaide大学的Hengel提出的基于视频的快速交互建模方法，参 见图6，该方法按照如下步骤完成1)分析并提取视频各帧图像中的特征点， 通过匹配特征点完成相机的定位；2)以某帧图像为基础，在图像坐标下交互构建点、线、三角形、多边形等；3)通过立体匹配将图像坐标系下的点、线、三 角形等转化至三维空间并据此构建三维模型。其缺点1)视频分辨率低，重建 模型的精度低；2)依赖于物体的表面纹理，难以处理色彩明暗变化的实物样件； 3)视频的拍摄只能一次性的完成(无法补拍)，如果模型局部没有拍摄到则该 局部无法重建；4)测量(摄像)重建(交互建模)之间仍然是顺序关系，出现 遗漏时处理困难。
如前所述，现有测量重建体系的主要缺点如下
1、 实物样件的设计意图对快速测量重建帮助很大，然而目前的测量系统却 无法直接利用设计意图。理解设计意图后重建三维模型仅需要少量的测量数据， 例如重建平面仅需要3个点；重建球面仅需要4个点。而现有系统往往通过提 高采样密度来确保测量数据的准确性和完备性，使获得的测量数据非常庞大。 庞大的数据量需要更多的计算资源、降低了测量数据的传输和重建效率，难以 满足地理信息系统、虚拟现实等领域快速逆向重建的需求。
2、 现有系统中，测量和重建过程仅仅通过测量数据相关联， 一旦测量过程 出现遗漏造成测量数据不完全时，重建出的三维模型必然存在残缺。上述残缺 往往只能在重建模型后才能发现，由于测量和重建过程往往比较漫长，测量环 境(例如零件移位、标记变更等)往往会发生变化，二次测量非常困难，残 缺部分的补全变得非常困难。
3、 测量和重建本质上是一对互相关联、密不可分的过程，重建必须在测量 的基础上进行，重建出的模型又可以用来规划测量过程、优化测量结果。然而 现有系统将测量和重建看作两个独立的过程分别进行处理，不符合测量和重建 的本质关系。

发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种将样件的测 量以及三维模型重建过程融合在一起，使得产品设计者可以快速完成与实物样 件相似三维模型的逆向设计，实施逆向建模的三维模型的测量和重建一体化的 方法及其系统。
本发明的技术解决方案是本发明是一种三维模型的测量和重建一体化的方法，其特殊之处在于该方法包括以下步骤
1) 获取实物样件表面标记点的三维坐标；
2) 以三维坐标点为基础交互构建三维模型。
上述步骤l )是通过单相机光源随机控制方式或多相机光源手动控制方式来 实现的，所述光源随机控制是指光源可以按照给定要求指向任意方向。
上述步骤l)是通过单相机光源随机控制方式实现时，其具体实现方式是 1.1.1)通过相机获取一幅实物样件表面图像； 1. 1. 2)在获取的图像上交互指定一个二维像素；
1.1.3) 自动调整光源方向，使光源在实物样件上投射形成的标记点与指定 的二维像素在实物样件上对应的实际位置重合；
1.1.4) 根据指定的二维像素的图像坐标、相机的内外部参数以及光源的位
置和方向计算获得标记点的三维坐标。
上述步骤l. 1.2)中交互指定像素是通过定位输入设备来实现的。
上述步骤l. 1.3)自动调整光源方向采用二分法，其具体实现方式是
1.1.3.1)设输入的图像坐标对应的三维空间的直线为CP，设0点为在CP上 且在测量空间内距离相机最近的一点，T为距离最远的一点，则输入的图像坐标 在实物样件上的对应位置R必然在OT之间；
1. 1. 3. 2)自动调整光源投射方向LQ使与直线段OT的中点N相交；
1.1.3.3) 识别光源在实物样件上投射形成的标记点，根据标记点的图像坐 标与输入像素的坐标判断N点与R点的位置关系；N点与R点的位置关系存在如下 三种情形1) R点是否与N点重合，2) R点是否在直线段ON内，3) R点是否在直 线段NT内；
1.1.3.4) 如果R点与N点重合，则结束光源方向调整； 如果R在直线段ON内，则首先将N点的坐标赋给T，然后重复步骤1.3.3.2)
和1.3. 3.3);
如果R在直线段NT内，则首先将N点的坐标赋值给O，然后重复步骤1.3.3.2) 和1.3. 3.3)。
上述步骤1.3.3.3)中，判断N点与R点位置关系的具体实现方式是设图像的投影面XY平面内(Y轴与X、 Y轴符合右手螺旋法则)，如果输入的图像坐标与 标记点的图像坐标距离之间的距离小于某一给定阈值，则判定R与N点重合；如 果输入的图像坐标在X轴投影值小于标记点的图像坐标在X轴的投影值，则判定R 在直线段0N内；如果输入的图像坐标在X轴投影值大于标记点的图像坐标在X轴 的投影值，则判定R在直线段ON内。
上述步骤l)是通过多相机光源手动控制方式来实现时，其具体实现方式是:
1.2.1)在实物样件表面交互设置标记点；
1. 2. 2)在实物样件表面至少两个相机方向采集获得图像；
1. 2. 3)在获得的图像上识别并获得标记点的图像坐标；
1. 2. 4)根据获得的标记点的图像坐标以及对应相机的内外部参数计算获得
标记点的三维坐标。
上述步骤l. 2. 1)中设置标记点的方式是
1. 2. 1. 1)通过手动方式将光源投射到实物样件表面形成标记点；
1. 2. 1. 2)通过手动方式将物理标记点贴附在实物样件表面。
上述标记点是光源在实物样件上投影形成的光点、贴附在实物样件表面的 物理标记点或实物样件上天然存在的特征点。 上述相机是数字式相机或摄像机。
上述步骤2)的具体实现方式是
2. 1)根据上述步骤l中所得到的标记点三维坐标构建曲面；
2. 2)根据上述步骤l中所得到的标记点三维坐标构建基本几何体；
2.3) 利用上述步骤2.1构建的曲面构建复杂体素；
2.4) 通过曲面、基本几何体以及复杂体素之间的布尔运算形成实物样件的 三维模型。
上述曲面是平面、二次曲面或自由曲面。
上述曲面是平面时，所述步骤2.1)的具体实现方式是根据多个标记点的
坐标构建一个空间多边形，空间多边形的最小二乘平面即为目标平面，空间多 边形在该平面上的投影形成平面区域的边界。
上述曲面是二次曲面或自由曲面时，所述步骤2. 1)的具体实现方式是首先根据多个标记点的坐标构建一个空间多边形，在多边形内部指定一定数量的 标记点，然后根据多边形的边界点以及内部点拟合曲面。
上述曲面是二次曲面或自由曲面时，所述步骤2. 1)的具体实现方式是首 先在对应的曲面区域内生成一个由多个标记点构成的空间多边形；然后在多边 形内部自动或手动插值一定数量的标记点；最后根据多边形边界点以及内部标 记点的三维坐标拟合曲面。
上述基本几何体是立方体、圆柱体、球体、圆环、拉伸体、旋转体或扫略 体或倒角的基本几何造型元素。
上述复杂体素是除基本几何体外的其他的复杂的体积元素。
一种三维模型的测量和重建一体化的系统，其特殊之处在于所述三维模 型的测量和重建一体化的系统包括图像获取装置、硬件参数校准模块、标记点 三维坐标计算模块、造型模块、测量规划模块以及光源随机扫描控制模块；硬 件参数校准模块和图像获取装置通过标记点三维坐标计算模块接入造型模块； 以造型模块生成的三维模型为基础，测量规划模块可以指导光源随机扫描控制 模块完成特定位置的测量；光源随机扫描控制模块接入图像获取装置。
上述三维模型的测量和重建一体化的系统还包括定位模块，所述定位模块 和光源随机扫描控制模块相连。
上述定位模块是鼠标、手写笔、触摸屏等或光笔。
一种图像获取装置，其特殊之处在于该装置包括光源、光源方向控制器 以及图像获取单元，图像获取单元可以获取包括标记点的实物样件图像。 上述图像获取单元是一个或多个相机。 上述光源方向控制器是双旋转自由度的光源方向控制器。 上述光源可以是激光、高频无极灯光、发光二极管、气体放电灯光或白炽 灯光。
本发明的优点是将测量与重建过程融为一体，简化了三维模型的逆向重 建过程，有利于实物样件的快速逆向重建；将测量与重建过程融为一体，有利 于避免复杂的二次测量(补测)，有利于保证重建模型的完整性；可以重建样件 表面的颜色及纹理信息；重建模型的数据量小，适合在网络环境下使用；可以有效的避免重复测量，从而提高测量重建的效率；测量设备体积小、重量轻， 便于移动；测量重建过程可以充分考虑模型的设计意图，有利于进行测量规划。


图l为现有系统的测量重建过程示意图2为常见光学测量方式分类示意图3为点激光测量原理示意图4为线激光测量示意图5为结构光测量示意图6为基于视频的交互重建方法示意图7为光源随机扫描控制方法的原理说明图8为本发明所提供的三维测量重建一体化系统结构示意图9为本发明所提供的测量硬件逻辑框图10为本发明所提供的光源随机扫描控制器机械结构示意图； 图ll为实物样件的一体化测量重构实施例示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种三维模型的测量和重建一体化的方法，其特殊之处在于: 该方法包括以下步骤
1) 获取实物样件表面标记点的三维坐标；
2) 以三维坐标点为基础交互构建三维模型。
参见图9a和9b其中，步骤l的具体实现包括如下两种方式l.l)单相机光 源随机控制方式；以及1.2)多相机光源手动控制方式。
在步骤l. 1)所述光源随机控制指光源可以按照给定要求指向任意方向。
步骤l.l)的具体实现步骤是
1.1.1)通过相机获取一幅实物样件表面图像；
1. 1. 2)在上述步骤l. 1. 1)获取的图像上交互指定一个二维像素；
1.1.3) 自动调整光源方向，使光源在实物样件上投射形成的标记点与上述 步骤l. 1.2)指定的二维像素在实物样件上对应的实际位置重合；
1.1.4) 根据上述步骤1.1.2)指定的二维像素的图像坐标、相机的内外部参数以及光源的位置和方向计算获得标记点的三维坐标。 步骤1.2)的具体实现步骤是 1.2.1)在实物样件表面交互设置标记点； 1. 2. 2)在实物样件表面至少两个相机方向采集获得图像；1.2.3) 在步骤1.2.2)获得的图像上识别并获得标记点的图像坐标；1.2.4) 根据步骤1.2.3)获得的标记点的图像坐标以及对应相机的内外部 参数计算获得标记点的三维坐标。步骤l.l)和步骤1.2)所述标记点坐标获取方式可以组合形成更为复杂的 系统，例如图4c所示结构。不管是采用哪种实现方式，其中标记点可以是光源在实物样件上投影形成 的光点，或贴附在实物样件表面的物理标记点，或实物样件上天然存在的特征点(例如多个面形成的角点、实物样件表面上的颜色异常点等)。相机指数字式相机/摄像机。步骤l. 1.4)和1.2.4)是基本的计算机视觉计算方法，在此不做详细叙述。 标记点识别方法是常用的图像处理以及模式识别技术，在此不做详细说明。 步骤l. 1.2)所述交互指定像素通过鼠标等各种定位输入设备完成。 步骤l. 1.3)自动调整光源方向采用二分法，按照如下步骤实现 参见图7，步骤l. 1.3.1)中，设输入的图像坐标对应的三维空间的直线为 CP，则设O点为在CP上且在测量空间内距离相机最近的一点，T为距离最远的一 点，则输入的图像坐标在实物样件上的对应位置R必然在OT之间； 1. 1. 3. 2)自动调整光源投射方向LQ使与直线段OT的中点N相交；1.1.3.3) 识别光源在实物样件上投射形成的标记点，根据标记点的图像坐 标与输入像素的坐标判断N点与R点的位置关系。N点与R点的位置关系存在如下 三种情形1) R点是否与N点重合，2) R点是否在直线段ON内，3) R点是否在直 线段NT内；1.1.3.4) 如果R点与N点重合，则结束光源方向调整；如果R在直线段ON内， 则首先将N点的坐标赋给T，然后重复步骤1.3.3.2、 1.3.3.3和1.3.3.4;如果R 在直线段NT内，则首先将N点的坐标赋值给O，然后重复步骤1.3.3.2、 1.3.3.3和1.3. 3.4。其中，在步骤1.3.3.3)中，判断N点与R点位置关系的方法是设图像的投 影面在图7所示XY平面内(Y轴与X、 Y轴符合右手螺旋法则)，如果输入的图像坐 标与标记点的图像坐标距离之间的距离小于某一给定阈值，则判定R与N点重合； 如果输入的图像坐标在X轴投影值小于标记点的图像坐标在X轴的投影值，则判 定R在直线段ON内；如果输入的图像坐标在X轴投影值大于标记点的图像坐标在X 轴的投影值，则判定R在直线段ON内。步骤l. 2. l设置标记点的方式包括1. 2. 1. 1)通过手动方式将光源投射到实物样件表面形成标记点； 1. 2. 1. 2)通过手动方式将物理标记点贴附在实物样件表面； 上述步骤2)的具体实现方式是2.1) 根据步骤l)中所得到的标记点三维坐标构建曲面；2.2) 根据步骤l)中所得到的标记点三维坐标构建基本几何体；2.3) 利用步骤2.1)构建的曲面构建复杂体素；2.4) 通过曲面、基本几何体以及复杂体素之间的布尔运算形成实物样件的 三维模型。曲面是平面、二次曲面或自由曲面。当曲面是平面时，步骤2.1)的具体实现方式是根据多个标记点的坐标构建一个空间多边形，空间多边形的最小二乘平面即为目标平面，空间多边形在 该平面上的投影形成平面区域的边界。当曲面是二次曲面或自由曲面时，步骤2.1)的具体实现方式是首先根据多个标记点的坐标构建一个空间多边形，在多边形内部指定一定数量的标记点， 然后根据多边形的边界点以及内部点拟合曲面。当曲面是二次曲面或自由曲面时，步骤2. 1)的具体实现方式是首先根据 多个标记点的坐标构建一个空间多边形，在多边形围成的图像区域内部自动指 定一定数量的测量点并测量其三维位置，最后根据多边形边界点以及内部测量 点的三维位置拟合曲面。最小二乘平面的计算、二次曲面及自由曲面的计算是常用的计算几何方法，在此不做详细叙述。基本几何体是立方体、圆柱体、球体、圆环、拉伸体、旋转体或扫略体、倒角等基本几何造型元素。复杂体素指除基本几何体外的其他的复杂的体积元素。步骤2. 2)根据多个给定三维坐标构建基本几何体是常用的计算几何方法，在此不做详细叙述。步骤2.3)根据多个给定曲面构建复杂体素是常用的计算几何方法，在此不 做详细叙述。步骤2.4)通过曲面、基本几何体以及复杂体素之间的布尔运算形成实物样 件的三维模型是常用的计算几何方法，在此不做详细叙述。参见图8，本发明提供方法的同时还提供了一种三维模型的测量和重建一体 化系统，该系统包括软硬件两部分。三维模型的测量和重建一体化系统硬件部分包括 一个或多个相机、光源 及光源方向控制器；软件部分包括硬件参数校准模块、标记点三维坐标计算 模块、造型模块、测量规划模块以及光源随机扫描控制模块。硬件参数校准模 块和图像获取装置通过标记点三维坐标计算模块接入造型模块；以造型模块生 成的三维模型为基础，测量规划模块可以指导光源随机扫描控制模块完成特定 位置的测量；光源随机扫描控制模块接入图像获取装置。三维模型的测量和重建一体化系统的光源安装在光源方向控制器上，其位 置固定，光源投射方向由光源方向控制器决定；光源方向控制器需要输入光源 方向，光源方向由光源随机扫描控制模块给出。参见图IO，上述光源随机扫描控制器采用双旋转自由度的方式，其中部件A 逻辑上是一个圆柱形，可以绕其轴线旋转；部件B逻辑上也是一个圆柱形，安装 在部件A上，部件B可以绕其自身的轴线旋转；部件C所示位置装配一个光笔。通 过控制部件A和部件B的旋转实现光笔方向的移动，使其快速到达目标方向。参 见图7，釆用步骤1.1.3所述步骤调整光源，使光源通过CP上一点N的步骤如下 计算部件A的轴线方向LQ点N形成的平面，旋转部件A使部件B的轴线方向垂直平 面LQN，旋转部件B使光源方向变成LN。光源随机扫描控制器还可以基于图10进行改进，例如将部件A装配在另一个旋转部件上，形成一个具有三旋转自由度的控制器；将部件A装配在其他位置 控制器上，增加控制的灵活性。三维模型的测量和重建一体化系统中的光源随机扫描控制模块以给定的图 像坐标为输入，按照步骤1.1.3所述方法计算获得光源方向，并将光源方向输出 至光源扫描控制器。三维模型的测量和重建一体化系统的硬件参数校准包括两部分1)相机内 外部参数校准；2)光源随机扫描控制器的校准。其中相机内外部参数的校准采 用计算机视觉常用的相机参数校准方法，在此不作详细说明。参见图IO，光源 随机扫描控制器的校准主要是获取光源随机扫描控制器中部件A的位置参数以 及部件B的位置参数，这里部件A和部件B的位置参数指部件A和B的位置以及轴线 方向。上述光源随机扫描控制器的校准是通过手工将光源投影点调节至三维坐 标己知的多个标记点，记录各个标记点对应的部件A和B的旋转角度，根据各个 标记点的三维坐标以及对应的部件A和B的旋转角度即可完成部件A和部件B的位 置参数的计算。三维模型的测量和重建一体化系统中的相机可以实时获取并输出含有标记 点/不含标记点的实物样件图像；标记点三维坐标计算模块首先读入含有标记点 的图像，然后识别并计算标记点的图像坐标，最后根据相机的硬件参数、光源 方向以及标记点的图像坐标计算获得标记点的三维坐标；三维模型的测量和重建一体化系统中的造型模块步骤l)方法生成的三维坐 标为输入，按照步骤2)方法完成三维模型的构造；测量规划模块以相机获得的 图像和重建出的三维模型为基础，首先在图像上标记待测量区域，然后在标记 的测量区域内自动规划待测量位置的图像坐标，最后按照步骤l所述方法获得待 测量位置的三维坐标并据此完成模型的优化。系统还包括定位模块，定位模块用来完成图像坐标的输入。定位模块是鼠标、手写笔、触摸屏等、光笔等。光源可以是激光、高频无极灯光、发光二极管、气体放电灯光或白炽灯光 等各种形式。本发明提供了一种三维模型的测量和重建一体化方法，该方法将样件的测 量以及三维模型重建过程融合在一起，使得产品设计者可以快速完成与原始模 型相似三维模型的逆向设计，实施逆向建模。本发明提供了一种三维模型的测量和重建一体化系统，该系统利用相机、 光源以及光源随机控制器等硬件，以及运行于计算机系统上的软件系统实现了 上述三维模型的测量和重建一体化方法。下面以图ll给出的实物样件的一体化测量重构示意图为基础给出一个实施 例，并给出本发明方法进行一体化测量与重建的详细说明。参见图9，本发明所提供的硬件系统有三种形式，分别为单相机光源随机扫 描控制配置、双相机光源手动扫描控制配置以及双相机集成光源随机扫描控制 光源随机扫描控制配置三种情形。采用综合配置时，兼具单相机配置与双相机 配置的优点，可以采用任意一种方式获得标记点的三维坐标。在本实施例中，选择图9c所示双相机集成光源随机扫描控制器的配置为测 量重构过程中的测量硬件。模型的一体化测量重建按照包括如下步骤1) 根据设计意图判定实物样件由几部分构成，其中图ll展示的实物样件由球体、旋转体、圆柱体A、圆柱体B共4部分构成，其中圆柱体B的上端面与圆柱 面交界处有一个直倒角；2) 分别完成球体、旋转体、圆柱体A、圆柱体B共4个几何形体的测量重建；3) 通过上述4个形体的布尔运算关系完成三维模型的构建。 上述步骤2中的球体的构建步骤如下首先在图像上球体所对应的区域内用鼠标依次选取四个像素；然后按照步骤l. l依次获得选中的四个像素对应实物样 件上四个采样点的三维坐标；最后根据四个采样点的三维坐标拟合生成球体的 三维模型。步骤2中的旋转体的构建步骤如下首先在图像上旋转体对应的区域内依次 选取多个像素(例如图ll中的标记点)，这些像素在图像空间可以构成一个平面 多边形区域；然后按照步骤l. l依次获得选中的像素对应的实物样件上点的三维 坐标；然后通过调用上述一体化测量重建系统中的测量规划模块在上述平面多边形区域内部自动插值、顺序生成多个标记点，并按照步骤l. l获得这些标记点的三维坐标；最后根据所有标记点的三维坐标拟合生成旋转体。
步骤2中的圆柱体的构建步骤如下首先在图像上圆柱体所对应的区域内用鼠标依次选取四个像素(要求前三个像素对应三维坐标在圆柱体的底面与圆柱面的交界上，第四个像素在圆柱体的顶面上)；然后按照步骤l. l依次获得选中的四个像素对应实物样件上四个采样点的三维坐标；然后根据四个采样点的三维坐标生成圆柱体的三维模型；最后通过调用上述一体化测量重建系统中的测量规划模块在上述圆柱体区域内部自动插值、顺序生成多个标记点，并以这些标记点的三维坐标为输入优化圆柱体的三维模型。
上述步骤2中圆柱体B的倒角按照如下步骤构建首先在圆柱体的顶面与倒
角交界处选择一个像素；然后按照步骤l. l依次获得选中像素对应的实物样件上的三维坐标；最后根据前述点的三维坐标计算出倒角的尺度并完成倒角的重建。
完成上述4个基本几何体的一体化测量重建后，通过布尔运算形成实物样件
的三维模型。
上述实施例中单相机光源随机扫描控制硬件系统在首次使用前需要进行校准，系统的硬件参数校准包括两部分1)相机内外部参数校准；2)光源随机扫描控制器的校准。其中相机内外部参数的校准采用计算机视觉常用的相机参数校准方法，通过从多个不同角度采集标准标定板的图像，然后以上述图像为输入完成相机的标定。完成相机标定后，固定标定板、通过相机获取标定板的图像并计算标记点的三维坐标；通过手动调整光源随机扫描控制器使光源投射位置依次通过标定板上的固定标记点，记录通过每一个标记点时的部件A和部件B的旋转参数以及对应标记点的三维坐标，利用这些数据完成光源随机扫描控制器的校准。
当实物样件表面情况比较复杂时，在测量重建过程中，由于实物样件的自遮挡等原因，完成样件局部测量重建后，往往还需要通过移动测量设备或样件(简称移位测量)，然后测量重建样件的其他部位。
为保证移动前后重建的局部模型处在同一个坐标系中，需要按照如下方式进行处理1)将实物样件放置在一个转台上，通过记录转台的旋转完成样件的移位测量；2)在实物样件上贴附多个标记点，通过定位标记点完成样件的移位测量。两种移位测量方式属于光学测量过程中的常用定位方法，在此不做进一步说明。
为便于理解，结合附图和实施例已对本发明进行了叙述，可以理解本发明有很多其他实施例，但是本发明不限于这些图与实施例，本发明包括本发明精神与范围内的所有权利要求范围内的修正案。
权利要求
1、一种三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)获取实物样件表面标记点的三维坐标；2)以三维坐标点为基础交互构建三维模型。
2、 根据权利要求l所述的三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在 于所述步骤l)是通过单相机光源随机控制方式或多相机光源手动控制方式来 实现的，所述光源随机控制是指光源可以按照给定要求指向任意方向。
3、 根据权利要求2所述的三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在 于所述步骤l)是通过单相机光源随机控制方式实现时，其具体实现方式是，1.1.1)通过相机获取一幅实物样件表面图像； 1. 1. 2)在获取的图像上交互指定一个二维像素；，1.1.3) 自动调整光源方向，使光源在实物样件上投射形成的标记点与指定 的二维像素在实物样件上对应的实际位置重合；，1.1.4) 根据指定的二维像素的图像坐标、相机的内外部参数以及光源的位 置和方向计算获得标记点的三维坐标。
4、 根据权利要求3所述的三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在 于所述步骤1.1.3)自动调整光源方向采用二分法，其具体实现方式是，1.1.3.1)设输入的图像坐标对应的三维空间的直线为CP，设0点为在CP上 且在测量空间内距离相机最近的一点，T为距离最远的一点，则输入的图像坐标 在实物样件上的对应位置R必然在OT之间；，1. 1. 3. 2)自动调整光源投射方向LQ使与直线段OT的中点N相交；，1.1.3.3) 识别光源在实物样件上投射形成的标记点，根据标记点的图像坐 标与输入像素的坐标判断N点与R点的位置关系；N点与R点的位置关系存在如下 三种情形1) R点是否与N点重合，2) R点是否在直线段ON内，3) R点是否在直 线段NT内；，1.1.3.4) 如果R点与N点重合，则结束光源方向调整；如果R在直线段ON内，则首先将N点的坐标赋给T，然后重复歩骤1.3.3.2) 和l. 3. 3. 3);如果R在直线段NT内，则首先将N点的坐标赋值给O，然后重复步骤1.3.3.2) 和l. 3, 3. 3)。
5、 根据权利要求2所述的三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在 于所述步骤l)是通过多相机光源手动控制方式来实现时，其具体实现方1.2.1)在实物样件表面交互设置标记点1. 2. 2)在实物样件表面至少两个相机方向采集获得图像1. 2. 3)在获得的图像上识别并获得标记点的图像坐标1. 2. 4)根据获得的标记点的图像坐标以及对应相机的内外部参数计算获得标记点的三维坐标。
6、 根据权利要求1至5任一权利要求所述的三维模型的测量和重建一体化的 方法，其特征在于所述标记点是光源在实物样件上投影形成的光点、贴附在实物样件表面的物理标记点或实物样件上天然存在的特征点。
7、 根据权利要求l所述的三维模型的测量和重建一体化的方法，其特征在于所述步骤2)的具体实现方式是2. 1)根据上述步骤l中所得到的标记点三维坐标构建曲面；2. 2)根据上述步骤l中所得到的标记点三维坐标构建基本几何体； 2.3) 利用上述步骤2.1构建的曲面构建复杂体素；2.4) 通过曲面、基本几何体以及复杂体素之间的布尔运算形成实物样件的三维模型。
8、 一种三维模型的测量和重建一体化的系统，其特征在于所述三维模型的测量和重建一体化的系统包括图像获取装置、硬件参数校准模块、标记点三维坐标计算模块、造型模块、测量规划模块以及光源随机扫描控制模块；硬件 参数校准模块和图像获取装置通过标记点三维坐标计算模块接入造型模块；以造型模块生成的三维模型为基础，测量规划模块可以指导光源随机扫描控制模块完成特定位置的测量；光源随机扫描控制模块接入图像获取装置。
9、 一种图像获取装置，其特征在于该装置包括光源、光源方向控制器以 及由一个或多个数字相机构成的图像获取单元，图像获取单元可以获取包括标 记点的实物样件图像。
10、 根据权利要求9所述的图像获取装置，其特征在于所述光源方向控制 器是双旋转自由度的光源方向控制器。
全文摘要
本发明涉及一种三维模型的测量和重建一体化方法及其系统，该方法包括以下步骤1)获取实物样件表面标记点的三维坐标；2)以三维坐标点为基础交互构建三维模型。本发明将测量与重建过程融为一体，简化了三维模型的逆向重建过程，有利于实物样件的快速逆向重建；将测量与重建过程融为一体，有利于避免复杂的二次测量(补测)，有利于保证重建模型的完整性；可以重建样件表面的颜色及纹理信息；重建模型的数据量小，适合在网络环境下使用；可以有效的避免重复测量，从而提高测量重建的效率；测量设备体积小、重量轻，便于移动；测量重建过程可以充分考虑模型的设计意图，有利于进行测量规划。
文档编号G06T17/00GK101630418SQ200910023518
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者张树生, 白晓亮, 俊 程 申请人:白晓亮;张树生;程 俊