CN101853521A - 文物旋转结构光三维数字化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种文物旋转结构光三维数字化建模方法，采用激光束的能量不超过2瓦强度的线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；用双目CCD立体视觉系统同步拍摄文物成像，获得文物立体像对和外方位姿态元素构成的旋转矩阵，然后计算线特征方程生成线特征点集，并建立立体像对的两个线特征点集的对应关系并计算文物线断面三维坐标计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及文物线结构光断面的三维坐标，建立文物三维数字化模型。本发明通过线扫描激光器和旋转台的配合完成低成本的文物三维数字化建模，数字化文物博物馆建设提供了一条高效、低成本的新技术方案。

Description

文物旋转结构光三维数字化建模方法

技术领域

本发明涉及文物数字化、计算机视觉和精密测量技术领域，尤其涉及一种对形体旋转产生结构光进行精密测量和三维数字化建模方法。

背景技术

随着时间的流逝和人类活动的影响，古文物不断遭到破坏，如何采用新技术、新手段对文物进行数字化处理，让人类瑰宝永存已经成为迫在眉睫的全球性问题。近年来，三维文物的数字信息记录技术的发展越来越受到广泛的重视，人们对各种各样记录技术的研究正兴方未艾。从目前国内外发展现状来看，三维物体的记录方法大体上可以分为四类，即基于直接测量的方法、基于X射线CT扫描的方法、基于计算机视觉的方法和基于三维扫描仪的方法。基于直接测量的方法工作量大；采用X射线CT扫描价格较昂贵，体积较大，不能到现场扫描文物，此外，由于要分层扫描，扫描一件文物的时间也较长；计算机视觉进行文物三维重建存在自动化处理的困难，由于文物的表面复杂，从单一的角度获取文物的扫描数据存在遮挡问题；采用三维激光扫描又存在对文物的损伤且数据处理复杂，如何快速获取文物表面全面的三维数据，是实现数字化文物管理，并应用于文物考古应用实践的一大难题。

传统的绘图、照相、摄影以及文字记录手段限于某种因素，只能获得三维物体的二维影像，无法准确而详细地记录文物的几何信息和三维形态，基于双目计算机视觉的方法可直接在影像上量测，但其存在同名点匹配和自动提取的问题；三维激光扫描的方法则可以直接获取形体的三维坐标，但激光对文物表面存在损伤且数据处理复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种双目CCD立体视觉测量、激光扫描结构光测量和形体旋转断面测量相结合的低成本、无损伤、全自动化的文物三维数字化重建的方法，以实现大量文物快速、全自动化三维数字化建模和建库。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种文物旋转结构光三维数字化建模方法，包括以下步骤：

(1)、采用激光束的能量不超过2瓦强度的线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；

(2)、采用双目CCD立体视觉系统同步拍摄文物成像，获得激光扫描器结构光产生的具有线特征的文物立体像对，并得到立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；

(3)、对立体像对上线特征立体影像进行基于形态学膨胀和腐蚀运算的预处理，计算线特征方程生成线特征点集，采用摄影测量核线约束原理自动匹配，建立立体像对两个线特征点集的对应关系；

(4)、采用双目立体像对摄影测量的原理确定的立体像对的内方位元素和外方位元素，构成线特征的各个点的三维坐标，即文物线断面三维坐标；

(5)、旋转文物，并重复执行步骤(1)～(4)，计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及文物线结构光断面三维坐标；

(6)、将各个旋转角度的文物表面三维坐标点集数据，融合成文物表面全部三维坐标点集，建立文物三维数字化模型。

所述采用激光束的能量不超过2瓦强度的线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标，具体为：

将线激光扫描器安装在固定的旋转台上，以固定旋转台0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数X₀，Y₀，Z₀和平台法线的姿态参数

ω，κ，记录；

启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对文物线断面进行扫描，在文物表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与平台法线的夹角Δβ和线结构光上每一个激光扫描点测量值D；

按照线扫描上每一个点间隔，结合线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算文物线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)：

式中，F_X、F_y、F_z分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数

ω，κ和每一个扫描激光点与平台法线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：

$F_X=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]D\cos \mathrm{\Δ\β}$

$F_y=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]D\sin \mathrm{\Δ\β}$

Fz＝0

最后保存采用线扫描激光器计算的文物线断面三维坐标。

所述确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标采用的计算公式为：

$x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}$

$y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}$

式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，X_S，Y_S，Z_S为立体像对的外方位位置元素，

为所述立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵。

所述的旋转文物生成线结构光从而计算线断面三维坐标进而计算文物表面三维坐标的步骤具体方法是：首先设定固定旋转台按照设定的步进角度θ旋转；

采用弱强度线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算得到旋转角度的文物断面的线结构光，拍摄各个旋转角度文物断面线特征的立体影像对；

然后计算旋转角度文物线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)，(X_C，Y_C，Z_C)；

采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标：

X_i＝X₀+d cos θ

Y_i＝Y₀+d sinθ

Z_i＝Z₀

式中，X₀，Y₀，Z₀上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；

重复执行以上步骤，根据设定的步进角度，完成360°步进旋转，得到文物表面全部三维坐标点集。

采用本发明的技术方案，用弱强度光线激光扫描器扫描文物，在文物表面形成结构光，在文物形体表面构建结构光，一方面，这些结构光通过特殊滤镜在双目CCD影像上成像，形成一个非常清晰的特征线，进而利用影像特征线自动提取算法，自动提取由弱激光产生的特征线，进而在双目视觉摄影测量算法支持下进行特征线的坐标解算，自动完成文物表面上一个线断面的测量；另一方面，激光扫描亦可以直接计算扫描线的坐标，与计算机视觉计算结构结合，进行文物表面三维特征线纹理自动配准和复制。通过对文物360°步进旋转，得到一系列文物线断面，实现文物三维数字化建模。

本发明通过在一个旋转的测量平台上获取被测文物的双目立体视觉结构光线特征立体影像来完成对被测文物线断面的三维坐标测量计算，采用结构光则是为了在文物表面形成特征线方便特征提取，在此基础上计算文物线断面三维坐标，进一步通过文物旋转得到文物表面的三维坐标点集。

本发明方法综合双目CCD相机计算机视觉方法和激光扫描的特点，实现低成本、无损伤、全自动化的文物三维数字化化重建，为快速、精确地获取物体的三维信息，并建立起科学准确的三维数据模型提供了一种全新的技术，可以广泛应用于考古学、人体解剖学、人类学、文物复制、文物拼对修复、雕塑等领域。

附图说明

图1是本发明的文物旋转结构光三维数字化建模方法的流程图；

图2是本发明线扫描激光器、双目CCD相机、旋转台安装图；

图3是本发明立体像对上线特征自动提取算法流程图；

图4是本发明文物线特征点融合和三维模型生成流程图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的文物旋转结构光三维数字化建模方法，具体采用以下的技术方案，其整体流程图如图1所示，该技术方案具体包括以下步骤：

步骤S1：采用弱强度线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算结构光线断面的三维坐标；

该步骤具体为：

①将线激光扫描器安装在固定的旋转台上，以固定旋转台0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数和姿态；

②启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对文物线断面进行扫描，在文物表面形成结构光，记录线结构光上每一点的距离测量值；

③按照线扫描上每一个点间隔，联合线激光扫描器中心的位置姿态参数，计算文物线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)采用的式子：

式中，X₀，Y₀，Z₀表示线扫描激光器中心的位置，由①事先精确测定，

ω，κ为平台法线的姿态参数，均由①事先精确测定；Δβ表示每一个扫描激光点与平台法线的夹角，线激光扫描器在输出每一个点时同时输出其与中心的夹角，D为每一个激光扫描点测距结果。

④保存采用线扫描激光器计算的文物线断面三维坐标。

步骤S2：采用双目CCD立体视觉系统对文物成像，获得具有激光扫描器结构光产生的线特征文物立体像对；

该步骤进一步包括以下步骤：

①如图2所示，将双目CCD相机安装在固定的旋转台上支架上，以固定旋转台0位为参考，采用计算机视觉系统标定方法测定双目CCD相机的内方位元素即CCD相机的主点、焦距、畸变参数等、外方位元素即CCD相机在固定旋转台中的位置和姿态参数；

②根据线扫描激光器波长范围，为双目CCD相机配备合适的滤光镜，使线扫描激光器产生的结构光能够在CCD影像上清晰可见；

③将双目CCD相机的快门通过信号线接入到同步触发控制器，调整CCD相机的快门和曝光参数以期获得高质量CCD影像；

④确认线扫描激光器已经开启，由统一的同步控制器发送拍摄信号启动双目CCD相机同步拍摄立体像对；

⑤对双目CCD相机同步拍摄的立体像对影像顺序编号存储在计算机中。

步骤S3：立体像对上线特征自动提取；

该步骤进一步包括以下子步骤，其具体实现方法如图3所示：

①对同步拍摄的立体影像对进行自适应阈值二值化分割，得到立体像对二值化图；

②对二值化图像进行形态学膨胀和腐蚀运算，消除由于二值化处理产生的斑点噪声、毛刺和缺口，得到文物表面线断面的结构光线特征二值化图像；

③分别对立体像对线特征二值化图像进行形态学的细化，细化采用的结构元素为式子为：

$I=\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ \×& 1& \×\\ 1& 1& 1\end{array}$ 或 $L=\begin{array}{ccc}\×& 0& 0\\ 1& 1& 0\\ \×& 1& \×\end{array}$

④采用最小二乘拟合细化后的结构光线特征，得到立体像对每一个文物表面线特征方程、线特征点集并保存。

步骤S4：文物线断面三维坐标计算；

该步骤进一步包括以子步骤：

①根据立体影像对中每一个影像提取的线特征方程、线特征点集，按照摄影测量核线约束方法进行自动匹配，建立两个线特征点集的对应关系；

②按照双目立体像对摄影测量的原理，如下式，利用S2确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标：

$x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}$

$y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}$

式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为待求线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，X_S，Y_S，Z_S为立体像对的外方位位置元素，

为立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵，可由S2确定。

③将线特征点的三维坐标(X_C，Y_C，Z_C)统一转换到以固定旋转台建立的参考系统中并保存。

步骤S5：文物旋转生成线结构光及三维坐标计算；

该步骤进一步包括以下子步骤：

①设定固定旋转台按照设定的步进角度θ旋转；

②按照(1)、(2)依次产生文物断面的线结构光，拍摄文物断面线特征的立体影像对；

③按照(1)、(3)分别计算线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)，(X_C，Y_C，Z_C)；

④分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标，如下式：

X_i＝X₀+d cos θ

Y_i＝Y₀+d sin θ

Z_i＝Z₀

式中，X₀，Y₀，Z₀上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离。

⑤依次按照给定的步进角度完成360旋转步进后，得到文物表面全部三维坐标点集。

步骤S6：文物表面三维点集数据融合和三维数字化建模；

该步骤进一步包括以下子步骤，其具体实现细节如图4所示：

①分别获取按照线扫描激光器计算的文物三维坐标点集

和采用双目立体视觉计算的文物三维坐标点集

②按照统一的地理参考对文物线特征点进行融合处理，建立激光点集和影像点集的对应关系，计算其平均值得到文物最终三维点集；

③对文物表面三维点集进行滤波、抽取处理，得到文物三维模型；

④根据两个文物三维点集的对应关系将CCD影像与文物三维模型配准贴图；

⑤索引保存三维文物模型数据。

本发明不仅解决了当前文物三维数字化建模三维激光扫描方法和计算机视觉方法存在的缺陷，利用线扫描激光器生成的结构光线特征实现计算机视觉摄影测量计算的自动化问题；而且降低了利用三维激光扫描进行文物三维数字化建模的成本，通过线扫描激光器和旋转台的配合完成低成本的文物三维数字化建模，为数字化文物博物馆建设提供了一条新的技术高效、低成本途径。

Claims (4)

1.一种文物旋转结构光三维数字化建模方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、采用激光束的能量不超过2瓦强度的线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；

(2)、采用双目CCD立体视觉系统同步拍摄文物成像，获得激光扫描器结构光产生的具有线特征的文物立体像对，并得到立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；

(3)、对立体像对上线特征立体影像进行基于形态学膨胀和腐蚀运算的预处理，计算线特征方程生成线特征点集，采用摄影测量核线约束原理自动匹配，建立立体像对两个线特征点集的对应关系；

(4)、采用双目立体像对摄影测量的原理确定的立体像对的内方位元素和外方位元素，构成线特征的各个点的三维坐标，即文物线断面三维坐标；

(5)、旋转文物，并重复执行步骤(1)～(4)，计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及文物线结构光断面三维坐标；

(6)、将各个旋转角度的文物表面三维坐标点集数据，融合成文物表面全部三维坐标点集，建立文物三维数字化模型。

2.根据权利要求1所述的文物旋转结构光三维数字化建模方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

(1-1)、将线激光扫描器安装在固定的旋转台上，以固定旋转台0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数X₀，Y₀，Z₀和平台法线的姿态参数

ω，κ，记录；

(1-2)、启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对文物线断面进行扫描，在文物表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与平台法线的夹角Δβ和线结构光上每一个激光扫描点测量值D；

(1-3)、按照线扫描上每一个点间隔，结合线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算文物线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)：

式中，F_x、F_y、F_z分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与平台法线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：

$F_X=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]D\cos \mathrm{\Δ\β}$

$F_y=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]D\sin \mathrm{\Δ\β}$

Fz＝0

(1-4)、保存采用线扫描激光器计算的文物线断面三维坐标。

3.根据权利要求1所述的文物旋转结构光三维数字化建模方法，其特征在于：所述步骤(4)中确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标采用的计算公式为：

$x=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3\left({Y-Y}_S\right)+c_3\left({Z-Z}_S\right)}$

$y=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3\left({Z-Z}_S\right)}$

式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，X_S，Y_S，Z_S为立体像对的外方位位置元素，

为所述立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的文物旋转结构光三维数字化建模方法，其特征在于：所述的步骤(5)中旋转文物生成线结构光从而计算线断面三维坐标进而计算文物表面三维坐标的步骤具体包括以下步骤：

(5-1)、设定固定旋转台按照设定的步进角度θ旋转；

(5-2)、采用弱强度线激光扫描器在文物表面产生稳定的线结构光，计算得到旋转角度的文物断面的线结构光，拍摄各个旋转角度文物断面线特征的立体影像对；

(5-3)计算旋转角度文物线断面的三维坐标(X_L，Y_L，Z_L)，(X_C，Y_C，Z_C)；

(5-4)采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标：

X_i＝X₀+dcosθ

Y_i＝Y₀+dsinθ

Z_i＝Z₀

式中，X₀，Y₀，Z₀为上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；

(5-5)重复执行步骤(5-1)～(5-4)，根据设定的步进角度，完成360°步进旋转，得到文物表面全部三维坐标点集。

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