CN106289109A - 一种基于结构光的三维重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光的三维重建系统及方法，通过投影仪向被测物体投射正弦光栅图像，通过摄像机采集变形光栅图像，通过计算机进行数据处理，获得被测物体的形貌，并生成三维模型；本发明能够扫描被测物体，且兼有模型复原的功能，可实现精确的三维重建，实现快速的批量生产，具有高精度、低成本、易实施等优点。

Description

一种基于结构光的三维重建系统及方法

技术领域

本发明属于光学工程领域，具体涉及一种基于结构光的三维重建系统及方法。

背景技术

在社会生产和生活中，三维测量引起人们普遍关注。以传统坐标测量机为代表的接触式三维测量方法已经成熟，且测量准确度高，被广泛接受，但受到成本高、效率低、要求与被测物相接触等的制约。以视觉三维检测技术为代表的非接触三维测量方法目前发展迅速，具有速度高、效率高、自动化程度高、造价较低等优点。其中，结构光三维测量方法被公认为最具实用性和发展潜力的三维视觉测量方法。随着科学技术的不断更新发展，结构光测量技术现已逐步应用于工业自动检测、航天航空、人体工学、生物医疗及食品检测中，同时也被赋予了高速度、高精度、大数据量、全自动等较高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于结构光的三维重建系统及方法，能精确获取被测物体形貌并实现快速的批量生产。

为了达到上述目的，一种基于结构光的三维重建系统，包括与计算机相连的投影仪和摄像机；

所述投影仪用于将计算机生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

所述摄像机用于采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机；

所述计算机用于将变形的正弦光栅图像进行数据处理，通过傅立叶变换法先求解相位值，再根据投影仪、摄像机和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度，最终获得被测物体的形貌，并生成三维模型。

所述计算机连接3D打印机。

所述投影仪设置在被测物体上方，并斜向投射被测物体，摄像机垂直设置在被测物体上方。

所述摄像机采用CCD摄像机。

一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，包括以下步骤：

步骤一，投影仪将计算机生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

步骤二，摄像机采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机；

步骤三，计算机将变形的正弦光栅图像通过傅立叶变换法先求解相位值；

步骤四，计算机根据投影仪、摄像机和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度；

步骤五，计算机将被测物体的参数转换为三维模型。

所述步骤三中，通过傅立叶变换法先求解相位值的方法如下：

当投影仪将正弦光栅投射到被测物体表面上时，被测物体表面的光强分布为：

式中，(x,y)为参考平面上任意一点的坐标值，a(x,y)为图像中的背景光强，b(x,y)为光栅条纹幅度，f₀为光栅条纹的变化频率，是受被测物体表面高度调制的相位；

根据欧拉公式，式(1)可化为：

I(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(2πjf₀x)+c^*(x,y)exp(-2πjf₀x) (2)

其中：

式中，c^*(x,y)是c(x,y)的共轭复数；

对式(2)中光强I(x,y)中的x作傅立叶变换，可得：

F[I(x,y)]＝A(f,y)+C(f-f₀,y)+C^*(f-f₀,y) (4)

式中，F[I(x,y)]、A(f,y)、C(f-f₀,y)、C^*(f-f₀,y)分别是I(x,y)、a(x,y)、c(x,y)、c^*(x,y)对应的傅立叶频谱；由于a(x,y)、b(x,y)、相对f₀变化缓慢，因而可以通过合适的滤波器，将频率中的高频分量和零频分量滤掉，仅保留一级频谱部分C(f-f₀,y)；将保留的频谱移回原点然后作傅立叶逆变换可以得到c(x,y)exp(2πjf₀x)，显然：

所述步骤四中，求被测物体的高度的方法如下：

设P为投影仪的光心，C为摄像机的光心，点P与点C之间的距离为D，PC与参考平面平行，O点在参考平面上，PO、CO分别为投影仪和摄像机的光轴，且PO、CO在同一平面内，点C到参考平面的距离为L；被测物体在参考平面上，设被测物体上任意一点为H，则此点距参考平面的高度为h；

首先设被测物体不在参考平面上，这时投影仪将正弦光栅投射到参考平面上，摄像机上所观察到的图像为参考光栅，其光强表达式为：

其中，参考光栅的相位

然后将被测物体置于参考平面上，投影仪投射的条纹不变，物体表面的高度变化会调制光栅，则在摄像机上所观察到的图像为变形光栅，其光强表达式为：

其中，变形光栅的相位

由式(6)和(8)可以求出变形光栅相对于参考光栅的相位差：

可知ΔPCH与ΔABH相似；根据相似三角形原理，可得：

$\frac{h(x,y)}{L-h(x,y)}=\frac{\stackrel{\‾}{AB}}{D}---\left(11\right)$

从而求出被测物体的高度h(x,y)为：

所述步骤五中，通过3D打印机打印出CAD图纸。

与现有技术相比，本发明的系统使投影仪与计算机连接，将计算机生成的正弦光栅图像投射到被测物体上，正弦光栅图像因物体表面轮廓分布不同会出现不同程度的形变，被测物体的表面三维信息就被编码进变形的正弦光栅图像中，摄像机采集变形的正弦光栅图像，再传输到计算机数据处理系统，通过傅立叶变换法求解相位值，根据系统结构的几何关系求出被测物体的高度，最终获得被测物体的三维信息。

本发明的方法通过投影仪向被测物体投射正弦光栅图像，通过摄像机采集变形光栅图像，通过计算机进行数据处理，获得被测物体的形貌，并生成三维模型；本发明能够扫描被测物体，且兼有模型复原的功能，可实现精确的三维重建，实现快速的批量生产，具有高精度、低成本、易实施等优点。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的投影仪、摄像机和被测物体间的几何关系图；

其中，1、投影仪；2、摄像机；3、计算机；4、3D打印机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种基于结构光的三维重建系统包括与计算机3相连的投影仪1和摄像机2，计算机3连接3D打印机4；

投影仪1用于将计算机3生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

摄像机2用于采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机3；

计算机3用于将变形的正弦光栅图像进行数据处理，通过傅立叶变换法先求解相位值，再根据投影仪1、摄像机2和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度，最终获得被测物体的形貌，并生成三维模型。

投影仪1设置在被测物体上方，并斜向投射被测物体，摄像机2垂直设置在被测物体上方。

优选的，摄像机采用CCD摄像机。

一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，包括以下步骤：

步骤一，投影仪1将计算机3生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

步骤二，摄像机2采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机3；

步骤三，计算机3将变形的正弦光栅图像通过傅立叶变换法先求解相位值；

步骤四，计算机根据投影仪1、摄像机2和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度；

步骤五，计算机3将被测物体的参数转换为三维模型，通过3D打印机4打印出CAD图纸。

步骤三中，通过傅立叶变换法先求解相位值的方法如下：

当投影仪(1)将正弦光栅投射到被测物体表面上时，被测物体表面的光强分布为：

式中，(x,y)为参考平面上任意一点的坐标值，a(x,y)为图像中的背景光强，b(x,y)为光栅条纹幅度，f₀为光栅条纹的变化频率，是受被测物体表面高度调制的相位；

根据欧拉公式，式(1)可化为：

I(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(2πjf₀x)+c^*(x,y)exp(-2πjf₀x) (2)

其中：

式中，c^*(x,y)是c(x,y)的共轭复数；

对式(2)中光强I(x,y)中的x作傅立叶变换，可得：

F[I(x,y)]＝A(f,y)+C(f-f₀,y)+C^*(f-f₀,y) (4)

式中，F[I(x,y)]、A(f,y)、C(f-f₀,y)、C^*(f-f₀,y)分别是I(x,y)、a(x,y)、c(x,y)、c^*(x,y)对应的傅立叶频谱；由于a(x,y)、b(x,y)、相对f₀变化缓慢，因而可以通过合适的滤波器，将频率中的高频分量和零频分量滤掉，仅保留一级频谱部分C(f-f₀,y)；将保留的频谱移回原点然后作傅立叶逆变换可以得到c(x,y)exp(2πjf₀x)，显然：

步骤四中，求被测物体的高度的方法如下：

设P为投影仪(1)的光心，C为摄像机(2)的光心，点P与点C之间的距离为D，PC与参考平面平行，O点在参考平面上，PO、CO分别为投影仪(1)和摄像机(2)的光轴，且PO、CO在同一平面内，点C到参考平面的距离为L；被测物体在参考平面上，设被测物体上任意一点为H，则此点距参考平面的高度为h；

首先设被测物体不在参考平面上，这时投影仪(1)将正弦光栅投射到参考平面上，摄像机(2)上所观察到的图像为参考光栅，其光强表达式为：

其中，参考光栅的相位

然后将被测物体置于参考平面上，投影仪(1)投射的条纹不变，物体表面的高度变化会调制光栅，则在摄像机(2)上所观察到的图像为变形光栅，其光强表达式为：

其中，变形光栅的相位

由式(6)和(8)可以求出变形光栅相对于参考光栅的相位差：

由图2可知ΔPCH与ΔABH相似；根据相似三角形原理，可得：

$\frac{h(x,y)}{L-h(x,y)}=\frac{\stackrel{\‾}{AB}}{D}---\left(11\right)$

从而求出被测物体的高度h(x,y)为：

Claims (8)

1.一种基于结构光的三维重建系统，其特征在于，包括与计算机(3)相连的投影仪(1)和摄像机(2)；

所述投影仪(1)用于将计算机(3)生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

所述摄像机(2)用于采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机(3)；

所述计算机(3)用于将变形的正弦光栅图像进行数据处理，通过傅立叶变换法先求解相位值，再根据投影仪(1)、摄像机(2)和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度，最终获得被测物体的形貌，并生成三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构光的三维重建系统，其特征在于，所述计算机(3)连接3D打印机(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于结构光的三维重建系统，其特征在于，所述投影仪(1)设置在被测物体上方，并斜向投射被测物体，摄像机(2)垂直设置在被测物体上方。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构光的三维重建系统，其特征在于，所述摄像机采用CCD摄像机。

5.权利要求1所述的一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，投影仪(1)将计算机(3)生成的正弦光栅图像投射到被测物体上；

步骤二，摄像机(2)采集被测物体上变形的正弦光栅图像，并发送至计算机(3)；

步骤三，计算机(3)将变形的正弦光栅图像通过傅立叶变换法先求解相位值；

步骤四，计算机(3)根据投影仪(1)、摄像机(2)和被测物体间的几何关系求出被测物体的高度；

步骤五，计算机(3)将被测物体的参数转换为三维模型。

6.根据权利要求5所述的一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，其特征在于，所述步骤三中，通过傅立叶变换法先求解相位值的方法如下：

当投影仪(1)将正弦光栅投射到被测物体表面上时，被测物体表面的光强分布为：

式中，(x,y)为参考平面上任意一点的坐标值，a(x,y)为图像中的背景光强，b(x,y)为光栅条纹幅度，f₀为光栅条纹的变化频率，是受被测物体表面高度调制的相位；

根据欧拉公式，式(1)可化为：

I(x,y)＝a(x,y)+c(x,y)exp(2πjf₀x)+c^*(x,y)exp(-2πjf₀x) (2)

其中：

式中，c^*(x,y)是c(x,y)的共轭复数；

对式(2)中光强I(x,y)中的x作傅立叶变换，可得：

F[I(x,y)]＝A(f,y)+C(f-f₀,y)+C^*(f-f₀,y) (4)

式中，F[I(x,y)]、A(f,y)、C(f-f₀,y)、C^*(f-f₀,y)分别是I(x,y)、a(x,y)、c(x,y)、c^*(x,y)对应的傅立叶频谱；由于a(x,y)、b(x,y)、相对f₀变化缓慢，因而可以通过合适的滤波器，将频率中的高频分量和零频分量滤掉，仅保留一级频谱部分C(f-f₀,y)；将保留的频谱移回原点然后作傅立叶逆变换可以得到c(x,y)exp(2πjf₀x)，显然：

7.根据权利要求5所述的一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，其特征在于，所述步骤四中，求被测物体的高度的方法如下：

设P为投影仪(1)的光心，C为摄像机(2)的光心，点P与点C之间的距离为D，PC与参考平面平行，O点在参考平面上，PO、CO分别为投影仪(1)和摄像机(2)的光轴，且PO、CO在同一平面内，点C到参考平面的距离为L；被测物体在参考平面上，设被测物体上任意一点为H，则此点距参考平面的高度为h；

首先设被测物体不在参考平面上，这时投影仪(1)将正弦光栅投射到参考平面上，摄像机(2)上所观察到的图像为参考光栅，其光强表达式为：

其中，参考光栅的相位

然后将被测物体置于参考平面上，投影仪(1)投射的条纹不变，物体表面的高度变化会调制光栅，则在摄像机(2)上所观察到的图像为变形光栅，其光强表达式为：

其中，变形光栅的相位

由式(6)和(8)可以求出变形光栅相对于参考光栅的相位差：

可知ΔPCH与ΔABH相似；根据相似三角形原理，可得：

$\frac{h(x,y)}{L-h(x,y)}=\frac{\stackrel{\‾}{AB}}{D}---\left(11\right)$

从而求出被测物体的高度h(x,y)为：

8.根据权利要求5所述的一种基于结构光的三维重建系统的重建方法，其特征在于，所述步骤五中，通过3D打印机(4)打印出CAD图纸。