CN103065359A - 一种光学成像的三维轮廓重建系统及其重建方法 - Google Patents

Abstract

一种光学成像的三维轮廓重建系统及其重建方法，涉及光学成像。所述光学成像的三维轮廓重建系统设有工业相机、旋转台、运动控制器和计算机。1）采集图像，对每一幅图像进行分割，获取二值图上样本的轮廓，得到二值图像序列；2）处理二值图上的样本轮廓，将由步骤1)得到的二值图像序列进行锥形束逆投影运算得到样本的三维轮廓切片序列；3）用三维处理软件对由步骤2)得到的三维轮廓切片序列进行显示和数据统计，从而得到重建对象的外形轮廓。简单、实用、重建效果好。可通过计算机技术对物体多幅照片进行分析处理，实现其三维重建与显示，可为工件进一步加工处理提供重要依据，可为样本三维信息的存储提供方便。

Description

一种光学成像的三维轮廓重建系统及其重建方法

技术领域

本发明涉及光学成像，尤其是涉及一种光学成像的三维轮廓重建系统及其重建方法。

背景技术

三维数据获取方法是计算机视觉、测量学等领域研究的热点问题之一。随着近二三十年的研究，许多三维数据获取方法已经成功应用在逆向工程、工业检测、人体测量、文物保护、虚拟现实等诸多领域（[1]李仁举，查红彬.一种基于图像的三维重建方法：中国，200810224347.9[P].2008-10-17[2009-03-11]）。

目前，三维重建的研究方法主要分为两大类：一类是主动式方法，如激光扫描仪，它可以获得较高的重建精度，但设备价格昂贵，且需要专门的光源装置来提供物体周围照明；另一类是被动式方法，如基于图像序列的方法，它利用场景在自然光照下的二维图像来重建物体的三维信息，这类方法成本低，操作简便，受到了广泛的应用（[2]张之江，崔桂涣.自由多视角、实时的三维重建系统和方法：中国，200810040016.X[P].2008-07-01[2008-12-10]）。

一种光学成像的三维重建方法是利用图像序列重建获取三维数据最有前景的方法之一（[3]Zheng Fang,Qingming Luo,Qian Liu,et al,”Effective method for automaticcontour extraction in computerized tomography reconstruction,”[J].Journal ofElectronic Imaging17(1),013016(Jan-Mar2008)）。利用相机拍摄照片可为重建提供原始数据，将其输入计算机，经过配准、剪切、分割、表面重建及绘制等步骤，选择相应的算法对重建对象进行三维重建，获得其立体的形态及其相应的表面信息和体信息。该类方法重建效果较好，成本低，且能满足很多应用上的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供可通过计算机技术对物体多幅照片进行分析处理，实现其三维重建与显示，可为工件进一步加工处理提供重要依据，可为样本三维信息的存储提供方便的一种光学成像的三维轮廓重建系统及其重建方法。

本发明采用一种光学成像的三维轮廓重建系统，所述光学成像的三维轮廓重建系统设有工业相机、旋转台、运动控制器和计算机；所述计算机分别与工业相机和运动控制器连接，运动控制器与旋转台连接，重建对象固定于旋转台中央，运动控制器通过控制旋转台带动重建对象在位置固定的工业相机的视野和景深范围内做自由旋转运动。

所述一种光学成像的三维轮廓重建方法，包括以下步骤：

1）采集图像，对每一幅图像进行分割，获取二值图上样本的轮廓，得到二值图像序列；

2）处理二值图上的样本轮廓，将由步骤1)得到的二值图像序列进行锥形束逆投影运算得到样本的三维轮廓切片序列；

3）用三维处理软件对由步骤2)得到的三维轮廓切片序列进行显示和数据统计，从而得到重建对象的外形轮廓。

在步骤1）中，所述图像进行分割的具体步骤可为：

1）根据照片序列里样本所占画幅面积对照片进行裁剪；

2）利用样本与背景的色相反差采用阈值处理技术，将重建对象从背景中分离出来；

3）结合对象的几何特征，利用成像平面上物的透光性进行分割，得到二值图。

在步骤2）中，所述得到样本的三维轮廓切片序列的具体步骤可为：

1）对被测对象实体区域进行交集运算得到二值图像数据重建出的切片图；

2）对每一行图像重复进行上述操作，即可得到被测对象的三维轮廓切片序列。

在步骤3）中，所述得到重建对象的外形轮廓的具体方法可为：利用三维重建软件Amira读取得到的切片序列数据，调整参数后，即可重建生成对象清晰的三维轮廓，由此可获得对象的表面信息和体信息。

本发明的三维重建利用计算机视觉技术，重建算法以切片数据恢复三维外形为依据，可得到清晰的三维轮廓，获得表面信息和体信息。本发明所提供的方法具有简单、实用、重建效果好的优点。

附图说明

图1是本发明的光学成像的三维轮廓重建系统实施例的结构示意图。

图2是光学成像系统锥束几何关系示意图。

图3是重建算法几何示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和2，本发明实施例采用一种光学成像的三维轮廓重建系统，所述光学成像的三维轮廓重建系统设有工业相机1、旋转台2、运动控制器3和计算机4；所述计算机4分别与工业相机1和运动控制器3连接，运动控制器3与旋转台2连接，重建对象固定于旋转台2中央，运动控制器3通过控制旋转台2带动重建对象在位置固定的工业相机1的视野和景深范围内做自由旋转运动。

本发明借鉴锥束CT成像的基本理论，用可见光成像代替X射线成像，反射光路代替透射光路，重建出被测样本的外轮廓三维图像。被测样本5固定在旋转台2上，可以随旋转台2在水平面内任意角度旋转。工业相机1视野中心正对被测样本5的旋转中心，能够根据计算机4指令拍摄被测样本5的照片。背景6要选择和被测样本5色相反差大的颜色，这样有利于照片的分割。光源7用于照亮被测样本5表面，使其外形轮廓清晰。光源7可以是一个，也可能是多个。计算机4能够通过串口向运动控制器3发送指令，控制旋转台2的运转，从而使被测样本5运动到期望的位置和角度。

三维轮廓重建算法是该方法的重点之一。锥束光逆投影算法在X射线CT成像领域已经比较成熟。可见光成像光学系统同样满足锥形束光路的几何关系，如图2所示。这里锥形束的顶点是工业相机1的镜头中心。物点、光心、像点在一条直线上，遵循相似三角形定律；在景深范围内可以认为成像不能反映物体的距离信息。这些特点都和平板探测器CT成像非常相似，因此在数据采集和重建算法的几何关系上可以参考锥形束CT的方法和理论。景深范围内无法判断物体的远近，其实完全可以假设物体就在焦平面8上，这样可以简化推导。在图2中，标记9为被测样本虚拟像。

所述一种光学成像的三维轮廓重建方法，采用如图1所示的一种光学成像的三维轮廓重建系统，具体步骤如下：

1）采集图像，对每一幅图像进行分割，获取二值图上样本的轮廓，得到二值图像序列；所述图像进行分割的具体步骤为：根据照片序列里样本所占画幅面积对照片进行裁剪；利用样本与背景的色相反差采用阈值处理技术，将重建对象从背景中分离出来；结合对象的几何特征，利用成像平面上物的透光性进行分割，得到二值图。

2）处理二值图上的样本轮廓，将由步骤1)得到的二值图像序列进行锥形束逆投影运算得到样本的三维轮廓切片序列；所述得到样本的三维轮廓切片序列的具体步骤为：1）对被测对象实体区域进行交集运算得到二值图像数据重建出的切片图；2）对每一行图像重复进行上述操作，即可得到被测对象的三维轮廓切片序列。

3）用三维处理软件对由步骤2)得到的三维轮廓切片序列进行显示和数据统计，从而得到重建对象的外形轮廓。所述得到重建对象的外形轮廓的具体方法为：利用三维重建软件Amira读取得到的切片序列数据，调整参数后，即可重建生成对象清晰的三维轮廓，由此可获得对象的表面信息和体信息。

本发明的三维重建方法是采用上述三维重建系统进行对象重建，其步骤如下：

采集图像前，将一部工业相机固定于支架上，同时调整好待重建对象的位置，确保重建对象位置位于相机的视野中心。采集图像，对每一帧图像进行相应的算法处理，主要分下面两个部分依次进行：

第一部分，对采集的图像进行处理得到重建对象的实体区域。为了便于分析，把成像平面映射到通过旋转中心的物平面上。如图3，Φ为被测样本的旋转角度，d为旋转轴离镜头光心的距离，假使成像平面就在包含旋转轴的平面上，l是旋转中心与成像光线的距离，Y为成像光线在等效成像平面上的交点坐标。则有

l＝Yd/(d²+Y²)^1/2    (1)

从x轴到垂线l的角度为：

θ＝Φ+π/2+α    (2)

成像光线和镜头轴线的夹角为：

α＝tan^-1(Y/d)＝tan^-1[l/(d²-l²)^1/2]    (3)

成像光线的直线方程为：

(cotθ)x+y-lcscθ＝0    (4)

利用点到直线的距离公式计算成像区域内全体坐标点到成像光线的距离，设一个像素对应的宽度为w，记其中距离大于

的点不在成像光线上，距离小于或等于

的点在成像光线上为

第二部分，进行轮廓提取重建。其算法主要分如下两步：

第一步将采集到图像转化为二值图像，凡是不透光的部分像素密度为1，视其为被测对象的实体区域；其他部分均为0，视之为被测对象实体以外的区域，即：

第二步取以上被测对象实体区域的交集得到的二值图像数据重建出的切片图，即：

对每一行图像重复进行上述操作，即可得到被测对象的三维轮廓切片序列，当围绕物体选取不同的视角采集图像且视角越来越多时，得到的切片轮廓就越接近物体的真实形状。最终用三维处理软件对切片序列进行显示即可得到物体的三维外形。

Claims (5)

1.一种光学成像的三维轮廓重建系统，其特征在于设有工业相机、旋转台、运动控制器和计算机；所述计算机分别与工业相机和运动控制器连接，运动控制器与旋转台连接，重建对象固定于旋转台中央，运动控制器通过控制旋转台带动重建对象在位置固定的工业相机的视野和景深范围内做自由旋转运动。

2.一种光学成像的三维轮廓重建方法，其特征在于包括以下步骤：

1）采集图像，对每一幅图像进行分割，获取二值图上样本的轮廓，得到二值图像序列；

2）处理二值图上的样本轮廓，将由步骤1)得到的二值图像序列进行锥形束逆投影运算得到样本的三维轮廓切片序列；

3）用三维处理软件对由步骤2)得到的三维轮廓切片序列进行显示和数据统计，从而得到重建对象的外形轮廓。

3.如权利要求2所述一种光学成像的三维轮廓重建方法，其特征在于在步骤1）中，所述图像进行分割的具体步骤为：

1）根据照片序列里样本所占画幅面积对照片进行裁剪；

2）利用样本与背景的色相反差采用阈值处理技术，将重建对象从背景中分离出来；

3）结合对象的几何特征，利用成像平面上物的透光性进行分割，得到二值图。

4.如权利要求2所述一种光学成像的三维轮廓重建方法，其特征在于在步骤2）中，所述得到样本的三维轮廓切片序列的具体步骤为：

1）对被测对象实体区域进行交集运算得到二值图像数据重建出的切片图；

2）对每一行图像重复进行上述操作，即可得到被测对象的三维轮廓切片序列。

5.如权利要求2所述一种光学成像的三维轮廓重建方法，其特征在于在步骤3）中，所述得到重建对象的外形轮廓的具体方法为：利用三维重建软件Amira读取得到的切片序列数据，调整参数后，即可重建生成对象清晰的三维轮廓，由此可获得对象的表面信息和体信息。

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