CN101986350A

CN101986350A - 基于单目结构光的三维建模方法

Info

Publication number: CN101986350A
Application number: CN 201010518215
Authority: CN
Inventors: 郑顺义; 马电; 徐轩
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: CN101986350B

Abstract

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。

Description

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O与像点坐标p(x，y)构成的直线上l。那么直线l与平面plane的交点P′(X′，Y′，Z′)正是P(X，Y，Z)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＝1 ①

物方坐标到像方坐标使用DLT变换，变换模型为

\{\begin{matrix} x = \frac{L_{1} X + L_{2} Y + L_{3} Z + L_{4}}{L_{9} X + L_{10} Y + L_{11} Z + 1} \\ y = \frac{L_{5} X + L_{6} Y + L_{7} Z + L_{8}}{L_{9} X + L_{10} Y + L_{11} Z + 1} \end{matrix}

②

由①②可以得

\{\begin{matrix} AX = L \\ A = (\begin{matrix} L_{1} - x L_{9} & L_{2} - x L_{10} & L_{3} - x L_{11} \\ L_{5} - y L_{9} & L_{6} - y L_{10} & L_{7} - y L_{11} \\ A & B & C \end{matrix}), X = \begin{matrix} (\begin{matrix} X \\ Y \\ Z \end{matrix}), L = (\begin{matrix} x - L_{4} \\ y - L_{8} \\ 1 \end{matrix}) \end{matrix} \end{matrix}

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。

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1u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。

附图说明

图1三角测量原理图

图2硬件系统构成图

图3三维建模流程图

图4标定块模型

图5标定流程图

图6激光曲线提取流程图

具体实施方式

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O-XYZ，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IMG1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lp₁₁，lp₁₂，类似的，确定第二台阶的激光直线上点lp₂₁，lp₂₂。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(L₁，L₂L 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：

1、移动扫描系统中，像面上所能得到的激光线条近似为水平走向。求图像上满足如下候选条件的点，将其列为激光曲线候选点；

\{\begin{matrix} q_{i, j} - q_{i, j + 1} > k_{1}, q_{i, j} - q_{i, j - 1} > k_{1} \\ q_{i, j} - q_{i, j + 2} > k_{2}, q_{i, j} - q_{i, j + 3} > k_{2} \\ q_{i, j} - q_{i, j + 3} > k_{3}, q_{i, j} - q_{i, j + 3} > k_{3} \end{matrix}

其中k_i为阈值且0＜k₁＜k₂＜k₃，q_i，j为像素点(i，j)的灰度值；

2、利用曲线连续性，删除候选点中孤立点，将连在一起的并且在图像X方向有一定跨度的候选点连成分段曲线；

3、线性加密曲线，得到连续曲线：将分段曲线连接成一整条曲线，分段曲线间隔部分由第一条分段曲线的尾部和第二条分段曲线的头部线性内插。

4、连续曲线作为缓冲区，缓冲区内最大灰度值与阈值T₁比较得到粗略曲线：由确定的整段曲线作为搜索基础，曲线上的每一点上下一定范围搜索灰度值最大的像素，如果灰度最大值小于阈值T₁则舍去此点，否则用搜索到的灰度最大值点取代原来曲线上点作为候选点(用新的Y坐标取代原来的Y坐标)，最终得到粗略曲线。此一步的目的有二：一是删除曲线上多余提取的点，二是由原来估计出来的曲线位置找到更加准确的曲线位置。

5、根据粗略曲线和原始图像，利用重心迭代方法得到精确曲线。根据上一步已得的曲线候选点的位置，对每一候选点做重心迭代，得到精确的坐标。设其中一点为p(x，y)，则由p(x，y-2)，p(x，y-1)，p(x，y)，p(x，y+1)，p(x，y+2)五点根据灰度加权可以求出新的重心值p′(x，y′)，如果y′与y相差在允许误差内，或者迭代次数大于规定次数，则停止，否则继续求取重心。重心坐标作为最终的曲线点精确坐标。如果大于规定次数仍未收敛的取最后三次的平均值作为最终的曲线点精确坐标。

四、根据标定参数和提取的激光线像点坐标，根据三角法原理求物方空间三维坐标(其中物方X、Y坐标加以平台偏移量)，利用OpenGL显示生成的三维点云。

五、利用Polyworks工具编辑，得到完整的物体三维模型。

Claims

1.一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；

（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；

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。