CN104266587B - 一种三维测量系统及获得真实3d纹理点云数据方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维测量系统及获得真实3D纹理点云数据方法，方法包括以下步骤：S1：获取激光器点亮时图像I₁和激光器关闭时图像I₁₁；S2：对I₁、I₁₁所得的锁定成像进行图像处理，获得二值化轮廓线l₁(u,v)；S3：获得l₁(u,v)对应的无激光时的灰度曲线h(u,v)并还原获得一条物体在三维空间某一横截面的真实图；S4：重复步骤S1～S3，获得一系列有灰度信息的轮廓线；S5：获得具有灰度信息的点云数据，采用三维表面轮廓重建技术将的点云数据重构出一个具有表面纹理信息的三维数字模型。本发明将纹理映射与三维模型重建相结合，重建出具有实物真实表面纹理的三维模型，将锁定成像获得的单像素轮廓线映射到无激光照明时获得的灰度图像，提高了纹理映射精度。

Description

一种三维测量系统及获得真实3D纹理点云数据方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，特别涉及一种三维测量系统及获得真实3D纹理点云数据方法。

背景技术

随着机器视觉、三维测量和计算机图形学的飞速发展，物体三维测量因其具有广泛的应用价值而成为研究热点。基于激光扫描的光学三维测量技术已经能够很容易获取和显示物体表面真实几何轮廓结构，但显示的三维图像一般是网状和点状的结构，只能反映物体几何轮廓，不能反映物体表面真实纹理变化。在很多应用中，希望所显示的三维图像不仅能够反映物体的几何结构，也能够反映物体表面真实纹理甚至色彩。例如文物表面三维图像，希望计算机所显示的三维图像要有真实的纹理感；卫星组装过程中视频监控，也需要所获取的三维图像能反映卫星部件表面可能具有的真实裂纹或划痕，以便在卫星出事故后，回溯追踪可能的事故根源。

如何获取和构造具有高度真实感的物体表面三维纹理图像，具有一定相当难度。目前基于激光扫面获取三维点云数据，是单色的灰度无变化的数据，不具有反映物体真实纹理变化的功能。本发明在基于线结构激光扫描基础上，解决三维问题数据快速获取问题。生成具有真实感的三维模型涉及到若干具有挑战性的问题：包括深度图像和纹理图像的获取、系统标定、深度图像的匹配、深度图像的融合、纹理图像与深度图像的映射、三维模型重建等。纹理映射是真实感三维模型的关键技术，纹理映射的效果直接影响生成的三维模型表面纹理的真实性，是三维模型真实感的直接体现。

在计算机图形学中，传统的纹理映射是一种将二维纹理图案按某种算法覆盖到三维几何模型表面的技术，它能有效地模拟物体表面的纹理细节，提高真实感，达到模拟现实世界的目的。但它并不是对客观世界的真实反映，在应用上存在局性。基于此，如何实现目标物体的真实纹理在三维模型中的真实还原，则成了应用中需要解决的问题。

清华大学自主开发的TH-3DLCS-2001三维激光与可见光同步扫描系统由一单点激光传感器(LRS)和一线阵CCD摄像机(LCC)组成，LRS和LCC安装在同一旋转平台上。LRS获得场景的三维激光数据，LCC采集场景纹理图像，LRS和LCC之间刚性连接，并保持同步旋转，由此可确定激光扫描数据和同步可见光图像的配准关系。但存在以下两点不足：(1)采用不固定相机位置的方式实现纹理映射，相机参数需要估计获得，准确性受到制约，必须进行误差估计和补偿来提高映射精度；(2)三维网格模型与二维纹理图像分开存储，通过纹理映射生成具有纹理的三维模型，是三维模型纹理的模拟，而不是模型表面纹理的真实还原。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固定CCD摄像机和激光器，移动待测物品相对于激光器的位置来扫描物体进行测量，并采用步进电机控制导轨的精确移动的三维测量系统。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述三维测量系统来获得真实3D纹理点云数据的方法，将纹理映射与三维模型重建相结合，重建出具有实物真实表面纹理的三维模型，将锁定成像获得的单像素轮廓线映射到无激光照明时获得的灰度图像，得到实物单像素的真实灰度轮廓线。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三维测量系统，是基于线结构光的三维测量系统，包括支架、导轨、两个CCD摄像机和三个共面线的线结构激光器，支架包括矩形的顶部支架、相对设置的第一侧面支架和第二侧面支架，第一侧面支架和第二侧面支架顶部与顶部支架的四个端点固定连接；第一CCD摄像机和第二CCD摄像机分别通过二维移位固定支架固定安装在第一侧面支架上，第一激光器和第二激光器通过二维调整平台安装在第二侧面支架上，第三激光器通过二维调整平台安装在顶部支架上，三个线结构激光器采用120°夹角分布，三个线结构激光器与被测物品中心线的距离相等，待测物品放置在导轨上，导轨通过步进电机进行驱动。

采用上述的三维测量系统来获得真实3D纹理点云数据的方法为：调节二维调整平台使线结构激光器的激光面共面，三个线结构激光器发射的激光在待测物表面形成一个环形横截面轮廓的激光光带，再使用CCD摄像机获取光带图像，将获取的图像传送到计算机中计算被测物的轮廓信息，CCD摄像机分别捕获激光光带的左右两部分，保证了最终获取一个完整的环形横截面轮廓图，通过颜色纹理映射使无任何色彩的二值化的轮廓线具有色彩信息或灰度信息；具体操作步骤如下：

S1：获取图像，打开三个线结构激光器，两个CCD摄像机分别捕获的图像，并将捕获的图像记为I₁，然后关闭线结构激光器，CCD摄像机再次捕获相同位置的图像，记为I₁₁；

S2：对由图像I₁、I₁₁所得的锁定成像进行图像处理，获得一条单像素的二值化轮廓线记为l₁(u,v)；

S3：获得曲线l₁(u,v)对应的没有激光照明时的灰度曲线，即曲线l₁(u,v)映射到图像I₁₁中形成一条灰度曲线，该灰度曲线记为h(u,v)，然后将记为h(u,v)的灰度曲线还原，获得一条物体在三维空间某一横截面的真实图；

S4：重复步骤S1～S3，将待测物品以沿导轨平移，获得一系列有灰度信息的轮廓线；

S5：利用系统标定获得的隐参数将从灰度轮廓线上提取出灰度信息与从单像素轮廓线上提取的位置点云数据匹配，获得具有灰度信息的点云数据，利用VTK(visualizationtoolkit)软件进行计算，采用三维表面轮廓重建技术将具有灰度信息的点云数据重构出一个具有表面纹理信息的三维数字模型。

进一步地，步骤S2中的图像处理包括图像滤波、二值化处理和细化处理。

本发明的有益效果是：

1、采用基于线结构光的三维测量系统，固定CCD摄像机和激光器，移动待测物品相对于激光器的位置来扫描物体进行测量，并采用步进电机控制导轨的精确移动，保证待测物品在导轨上移动速度和距离的均匀化，使测量结果更准确；

2、将纹理映射与三维模型重建相结合，重建出具有实物真实表面纹理的三维模型，将锁定成像获得的单像素轮廓线映射到无激光照明时获得的灰度图像，得到实物单像素的真实灰度轮廓线，由系统标定的隐参数将得到的灰度轮廓线还原到世界坐标系内，提取出具有实物真实灰度值的点云数据，再由VTK根据基于轮廓线的拼接算法的思想重构出实物真实纹理三维模型，实现具有高度真实感的纹理映射，提高了三维纹理模型的重建效率；本发明提出的颜色映射不仅能够真实反映出物体的纹理细节，并且还能不破坏被测物体的拓扑结构，利用系统标定获得的隐参数匹配物体真实灰度值提高了纹理映射的精度，重建出具有真实表面纹理的三维纹理模型。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统结构示意图；

附图标记说明：1-支架，1.1-顶部支架，1.2-第一侧面支架，1.3-第二侧面支架，2-导轨，3-第一CCD摄像机，4-第二CCD摄像机，5-第一激光器，6-第二激光器，7-第三激光器，8-待测物品。

具体实施方式

颜色映射能够真实反映出物体的纹理细节，并且还能不破坏被测物体的拓扑结构。在线结构光三维测量系统中将颜色映射与曲面的还原过程相融合，即将轮廓表面重建与纹理重建相结合能够极大的缩短整个表面重建的时间，利用系统相机标定的隐参数匹配物体真实灰度值提高了纹理映射的精度。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

如图1所示，一种三维测量系统，其特征在于，是基于线结构光的三维测量系统，包括支架1、导轨2、两个CCD摄像机和三个共面线的线结构激光器，支架1包括矩形的顶部支架1.1、相对设置的第一侧面支架1.2和第二侧面支架1.3，第一侧面支架1.2和第二侧面支架1.3顶部与顶部支架1.1的四个端点固定连接，第一侧面支架1.2和第二侧面支架1.3顶部的地步放置在地面上；第一CCD摄像机3和第二CCD摄像机4分别通过二维移位固定支架固定安装在第一侧面支架1.1上，第一激光器5和第二激光器6通过二维调整平台安装在第二侧面支架1.2上，第三激光器7通过二维调整平台安装在顶部支架1.1上，三个线结构激光器采用120°夹角分布，三个线结构激光器与被测物品中心线的距离相等，待测物品8放置在导轨2上，导轨2通过步进电机进行驱动。

由于CCD摄像机和线结构激光器均固定在测量系统的支架上，要实现激光对被测物的纵向扫描来获取系列的轮廓线，如果移动摄像机和激光器来扫描，那么系统的稳定性和可操作性将会下降，并且很难控制扫描速度。为了解决上述问题，本测量系统采用固定CCD摄像机和线结构激光器的位置，移动待测物品相对于激光的位置来扫描物体，为方便被测物的移动速度和距离的控制，使用步进电机来对被测物的移动进行精确控制。

线结构光三维轮廓测量系统重构出的轮廓曲面是用二值化(灰度没有变化)轮廓线构成的三维曲面，为了反映三维曲面纹理，必须用真实灰度轮廓线构成三维曲面。基于此，本发明提出了一种新的颜色纹理映射方法来构建由真实图像轮廓线(灰度有变化)构成的不失真三维轮廓曲面。采用上述的三维测量系统来获得真实3D纹理点云数据的方法为：调节二维调整平台使线结构激光器的激光面共面，三个线结构激光器发射的激光在待测物表面形成一个环形横截面轮廓的激光光带，再使用CCD摄像机获取光带图像，将获取的图像传送到计算机中计算被测物的轮廓信息，CCD摄像机分别捕获激光光带的左右两部分，保证了最终获取一个完整的环形横截面轮廓图，通过颜色纹理映射使无任何色彩的二值化的轮廓线具有色彩信息或灰度信息；具体操作步骤如下：

S1：获取图像，打开三个线结构激光器，两个CCD摄像机分别捕获的图像，并将捕获的图像记为I₁，然后关闭线结构激光器，CCD摄像机再次捕获相同位置的图像，记为I₁₁；

S2：对由图像I₁、I₁₁所得的锁定成像进行图像处理，获得一条单像素的二值化轮廓线记为l₁(u,v)；

S3：获得曲线l₁(u,v)对应的没有激光照明时的灰度曲线，即曲线l₁(u,v)映射到图像I₁₁中形成一条灰度曲线，该灰度曲线记为h(u,v)，然后将记为h(u,v)的灰度曲线还原，获得一条物体在三维空间某一横截面的真实图；

S4：重复步骤S1～S3，将待测物品8以沿导轨2平移，获得一系列有灰度信息的轮廓线；

S5：利用系统标定获得的隐参数将从灰度轮廓线上提取出灰度信息与从单像素轮廓线上提取的位置点云数据匹配，获得具有灰度信息的点云数据，利用VTK(visualizationtoolkit)软件进行计算，计算过程中，采用三维表面轮廓重建技术将具有灰度信息的点云数据重构出一个具有表面纹理信息的三维数字模型。

进一步地，本实施例的步骤S2中的图像处理包括图像滤波、二值化处理和细化处理。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种获得真实3D纹理点云数据的方法，采用基于线结构光的三维测量系统，包括支架(1)、导轨(2)、两个CCD摄像机和三个共面线的线结构激光器，支架(1)包括矩形的顶部支架(1.1)、相对设置的第一侧面支架(1.2)和第二侧面支架(1.3)，第一侧面支架(1.2)和第二侧面支架(1.3)顶部与顶部支架(1.1)的四个端点固定连接；第一CCD摄像机(3)和第二CCD摄像机(4)分别通过二维移位固定支架固定安装在第一侧面支架(1.1)上，第一激光器(5)和第二激光器(6)通过二维调整平台安装在第二侧面支架(1.2)上，第三激光器(7)通过二维调整平台安装在顶部支架(1.1)上，三个线结构激光器采用120°夹角分布，三个线结构激光器与被测物品中心线的距离相等，待测物品(8)放置在导轨(2)上，导轨(2)通过步进电机进行驱动；其特征在于，调节二维调整平台使线结构激光器的激光面共面，三个线结构激光器发射的激光在待测物表面形成一个环形横截面轮廓的激光光带，再使用CCD摄像机获取光带图像，将获取的图像传送到计算机中计算被测物的轮廓信息，通过颜色纹理映射使无任何色彩的二值化的轮廓线具有色彩信息或灰度信息；具体操作步骤如下：

S1：获取图像，打开三个线结构激光器，两个CCD摄像机分别捕获的图像，并将捕获的图像记为I₁，然后关闭线结构激光器，CCD摄像机再次捕获相同位置的图像，记为I₁₁；

S2：对由图像I₁、I₁₁所得的锁定成像进行图像处理，获得一条单像素的二值化轮廓线记为l₁(u,v)；

S3：获得曲线l₁(u,v)对应的没有激光照明时的灰度曲线，即曲线l₁(u,v)映射到图像I₁₁中形成一条灰度曲线，该灰度曲线记为h(u,v)，然后将记为h(u,v)的灰度曲线还原，获得一条物体在三维空间某一横截面的真实图；

S4：重复步骤S1～S3，将待测物品(8)以沿导轨(2)平移，获得一系列有灰度信息的轮廓线；

S5：利用系统标定获得的隐参数将从灰度轮廓线上提取出灰度信息与从单像素轮廓线上提取的位置点云数据匹配，获得具有灰度信息的点云数据，采用三维表面轮廓重建技术将具有灰度信息的点云数据重构出一个具有表面纹理信息的三维数字模型。

2.根据权利要求1所述的获得真实3D纹理点云数据的方法，其特征在于，所述的步骤S2中的图像处理包括图像滤波、二值化处理和细化处理。