CN110044293A - 一种三维重构系统及三维重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于三维成像技术领域，提供了一种三维重构系统和方法，该系统包括载物装置，其包括可转动的旋转架及设置于旋转架上的载物台，旋转架具有转轴；数据采集装置与载物台间隔设置，用于在旋转架转动到相应角度时采集载物台上的物体的反射光数据，获得物体在对应角度时的单视角数据；数据处理装置，与数据采集装置连接，用于根据单视角数据和重构算法进行三维重构。该系统采用物体转动而探测光路不转动的方式进行测量，可避免探测光路转动而造成的检测效率和精度低的问题，且基于旋转架自身具有较高的定位精度可保证较高的测量精度，不需频繁校正光路，提高三维重构速度；旋转架的转动不会导致系统空间大小变化，有利于重构系统的小型化。

Description

一种三维重构系统及三维重构方法
技术领域
本发明属于三维成像技术领域，特别涉及一种三维重构系统及三维重构方法。
背景技术
三维重建(又称“三维重构”)是指对三维物体的形状分布利用数据点云描绘，并在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。早期的三维重建技术主要用于大型物体(如建筑物、汽车等)的测量，随着现代科技及制作工艺的发展，三维重建技术被应用至越来越多的行业中，如：在对小型物体精密加工行业中，通过三维重建监测关键工艺效果及成品质量，降低生产成本并提高良品率。此应用背景对三维重建提出了新的要求：首先，检测速度快，人们希望单位时间内能检测尽可能多的物体；其次，算法计算量小，由于检测数量多，一般为在线检测，复杂的三维重构算法难以实现该目标；再次，检测精度高，加工精度是精密加工的关键参数，对加工效果检测也对精度提出了较高的要求。
现有的三维重构技术主要包括接触式和非接触式两种，其中接触式检测主要用探针扫描物体表面并采集三维形貌，这种方式成本高、用时长，而且有可能造成表面损伤，仅能用于抽样检测，不适合质量监测；非接触式检测主要通过光学方法实现，包括共聚焦、激光扫描、聚焦形貌恢复、白光干涉等，光学方法具有无损、快速、低成本等优势，这对于产品的在线质量监测是有利的。但是，现有光学检测方法依然无法满足许多精密加工工艺效果监测的检测速度要求，制约了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维重构系统，旨在解决传统光学式三维重构方法检测速度慢的技术问题。
本发明是这样实现的，一种三维重构系统，包括：
载物装置，包括可转动的旋转架以及设置于所述旋转架上的载物台，所述旋转架具有转轴；
数据采集装置，与所述载物台间隔设置，用于在所述旋转架转动到相应角度时采集所述载物台上的物体的反射光数据，获得所述物体在对应角度时的单视角数据；
数据处理装置，与所述数据采集装置连接，用于根据所述单视角数据和重构算法进行三维重构。
进一步地，所述数据采集装置为色散共聚焦数据采集装置，所采集的所述反射光数据为反射光谱数据。
进一步地，所述三维重构系统还包括转轴校正面，所述数据采集装置还用于对所述转轴校正面的反射信号进行采集以获得反射数据，所述数据处理装置还用于根据所述反射数据计算转轴位置，并根据所述转轴位置校正所述重构算法。
进一步地，所述转轴校正面设置在载物台上。
进一步地，所述转轴校正面为漫反射面。
进一步地，所述转轴的初始方向垂直于所述数据采集装置的采集光路。
进一步地，所述载物装置还包括水平平移台，所述数据采集装置包括竖直升降台和设置于所述竖直升降台上的摄像头；
所述旋转架设置于所述水平平移台上；
所述数据采集装置设置于所述竖直升降台上，使所述数据采集装置相对于所述载物台的高度可调；
所述转轴的初始方向平行于所述水平平移台；
所述数据采集装置的采集光路垂直于所述水平平移台。
进一步地，所述摄像头至少包括宽谱光源、色散透镜和探测器，所述宽谱光源、色散透镜和探测器基于色散共聚焦方法获得单视角数据；所述数据处理装置根据所述不同视角的单视角数据及不同视角的转换矩阵进行三维重构。
本发明的另一目的在于提供一种三维重构方法，基于上述的三维重构系统进行，包括下述步骤：
S1、通过所述旋转架的转动带动所述载物台上的物体转动；
S2、通过所述数据采集装置采集物体转动至相应角度时的反射光数据，以获得单视角数据；
S3、通过所述数据处理装置根据不同角度的所述单视角数据和重构算法进行三维重构。
进一步地，所述步骤S2具体为：
基于色散共聚焦方法，采用宽谱光源照射所述物体，采集所述物体在不同视角时的单视角数据。
进一步地，所述色散共聚焦方法至少包括如下步骤：
通过宽谱光源发射宽谱光束，并形成线形的检测光线；
通过色散透镜将所述检测光线投射至所述物体的表面；
平移所述物体完成物体表面扫描；
通过探测器采集所述检测光线经过所述物体反射后的反射光数据，对所述反射光数据进行处理获得所述单视角数据。
进一步地，所述步骤S3具体为：通过所述数据处理装置将不同视角的单视角数据应用于预设的对应视角的转换矩阵，进行三维数据点云拼接，获得三维重构图像。
进一步地，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：
对所述旋转架的转轴位置进行测量，根据所述转轴位置的测量数据对所述重构算法进行校正。
进一步地，所述步骤S0包括：
在所述载物台上设置转轴校正面；
使所述旋转架上的转轴校正面基于当前位置先后转动第一角度和第二角度，获取所述转轴校正面在系统初始坐标系下的未转动时的初始位置数据、在第一角度时的第一角度数据以及在第二角度时的第二角度数据；
根据所述第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置；
将所述转轴位置并入校正前的重构算法，形成校正后的重构算法。
进一步地，根据所述第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置的步骤具体为：
计算所述初始位置数据对应的初始平面和第一角度数据对应的第一平面的第一角平分面，计算所述初始平面和第二角度数据对应的第二平面的第二角平分面，确定第一角平分面和第二角平分面的交线为转轴位置。
进一步地，在步骤S0中，所述第一角度和第二角度大小相同而方向相反；
进一步地，所述转轴校正面为漫反射面。
进一步地，所述第一角度和第二角度均大于15°；所述步骤S0于所述转轴的偏移量大于或等于预设偏移量时进行。
本发明提供的三维重构系统及方法具有如下有益效果：该三维重构系统采用旋转架承载物体，采用数据采集装置采集物体的反射光数据，在测量物体在不同视角下的单视角数据时，使旋转架带动物体转动，而数据采集装置不转动，获得多个单视角数据，并根据单视角数据和旋转角度进行三维数据点云拼接实现三维重构。基于旋转架自身具有较高的定位精度，在转动过程中不易发生光路偏移，可以保证较高的测量精度；进而，不需频繁校正光路，提高了三维重构速度，进而提高物体检测效率；并且，旋转架的转动不会导致系统空间大小变化，有利于重构系统的小型化。相对比，传统的移动采集光路来改变探测视角的系统容易产生光路偏移，造成测量精度低；多次校正光路导致产品检测效率降低；且改变探测视角所需区域较大，不利于重构系统的小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三维重构系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的三维重构系统的载物装置结构示意图之一；
图3是本发明实施例提供的三维重构系统的转轴测量原理图；
图4是本发明实施例提供的三维重构系统的载物装置结构示意图之二；
图5是本发明实施例提供的三维重构方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的三维重构方法的转轴测量流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种三维重构系统，至少包括载物装置10、数据采集装置20以及数据处理装置30，其中，载物装置10包括可转动的旋转架11以及设置于旋转架11上的载物台12，旋转架11具有转轴13，具体地，该转轴13至少包括水平转轴(即X转轴或Y转轴)，还可以进一步包括竖直转轴(即Z转轴)。数据采集装置20与载物台12间隔设置，并于旋转架11转动时不转动，但可以相对旋转架11平移或上下移动，用于在旋转架11转动到相应角度时采集载物台12上的物体18反射的反射光数据，获得物体18在对应角度时的单视角数据；数据处理装置30与数据采集装置20连接，用于根据单视角数据和重构算法进行三维重构。
具体地，载物装置10的旋转架11可基于其转轴13转动，数据采集装置20的摄像头21与载物台12间隔一定距离，以使其能够采集物体整个表面反射的反射光数据，摄像头21的采集光路优选与转轴13的初始方向垂直。通过转轴13带动物体转动，在物体转动至相应角度时，数据采集装置20采集对应角度时的单视角数据，该多个单视角数据传输至数据处理装置30，由数据处理装置30对其进行处理后获得物体的三维重构图像。可以理解，转轴13转动的角度可以预先确定，数据采集装置20中预先设置有基于角度和单视角数据的重构算法。基于角度和单视角数据的三维重构算法可以采用现有的相关算法，例如基于常用的转换矩阵进行重构等。
本发明实施例提供的三维重构系统，采用旋转架11承载物体，采用数据采集装置20采集数据，在测量物体在不同视角下的单视角数据时，使旋转架11带动物体转动，而数据采集装置20不转动，获得多个单视角数据，并根据单视角数据和旋转角度进行三维数据点云拼接实现三维重构。基于旋转架11自身具有较高的定位精度，在转动过程中不易发生光路偏移，可以保证较高的测量精度，进而，不需频繁校正光路，提高了三维重构速度，进而提高物体检测效率；并且，旋转架11的转动不会导致系统空间大小变化，有利于重构系统的小型化。相对比，传统的移动采集光路来改变探测视角的系统容易产生光路偏移，造成测量精度低；多次校正光路导致产品检测效率降低；且改变探测视角所需区域较大，不利于重构系统的小型化。
以下对该三维重构系统的各部分装置进行详细说明：
载物装置10：该载物装置10包括水平平移台14和旋转架11，均优选为电动驱动结构。旋转架11设置于水平平移台14上，以垂直于水平平移台14的方向为Z轴方向建立直角坐标系，该转轴13至少包括水平转轴(即X转轴或Y转轴)，还可以进一步包括数值转轴(即Z转轴)。旋转架11可以随着水平平移台14的移动而移动。具体地，旋转架11由支撑座15支撑，支撑座15设有驱动旋转架11转动的电机。数据采集装置20设置于竖直升降台22上，旋转架11的转轴13的水平转轴的初始方向平行于水平平移台14，如转轴13还包括竖直转轴，则竖直转轴的初始方向垂直于水平平移台14。数据采集装置20的采集光路垂直于水平平移台14。通过水平平移台14的移动，带动旋转架11在水平方向上移动，使物体处于数据采集装置20的可采集范围内，还可以通过水平平移台14带动物体水平移动，完成物体表面的扫描。数据采集装置20可上下移动，使其相对于载物台12的高度可调，进而保证对不同大小的物体和同一物体在不同视角下均能被采集到全貌。通过旋转架11基于其转轴13的转动，将物体以不同视角呈现于数据采集装置20的数据采集区间内，以获得不同视角的单视角数据，以用于后续的三维重构。
进一步地，该载物装置10还包括基座16和设于基座16上的支架17，水平平移台14设置于基座16上，竖直升降台22设置于支架17上。在支架17上可以设置供竖直升降台22升降运动的组件，该组件具体可以是滑动组件。进一步地，该组件除能够进行竖直运动，还可以在支架17上水平运动以带动竖直升降台22水平移动。
具体地，在第一种实施例中，水平平移台14包括但不限于叠设的X轴平移台141和Y轴平移台142，支撑座15和旋转架11设置于X轴平移台141(当X轴平移台141在上时)或Y轴平移台142(当Y轴平移台142在上时)上，竖直升降台22为Z轴升降台，转轴13的初始方向平行于X轴方向或者Y轴方向。
在第二种实施例中，水平平移台14包括X轴平移台141和设置于X轴平移台141上的Y轴滑道(图中未示出)，支撑座15滑动连接于Y轴滑道，竖直升降台22依然为Z轴升降台，转轴13的初始方向平行于Y轴方向或者Y轴方向。
在第三种实施例中，水平平移台14包括Y轴平移台142和设置于Y轴平移台142上的X轴滑道(图中未示出)，支撑座15滑动连接于X轴滑道，转轴13的初始方向平行于Y轴方向或者X轴方向，竖直升降台22依然为Z轴升降台。
在第二种实施例和第三种实施例中，X轴滑道和Y轴滑道具体可以是凸起的滑轨，相对应地，在支撑座15的底部设有滑槽。X轴滑道和Y轴滑道也可以是滑槽，相对应地，在支撑座15的底部设有凸起的滑轨。另外，在支撑座15、X轴滑道、Y轴滑道、X轴平移台141或者Y轴平移台142上还设有用于将支撑座15固定在滑道上某位置处的锁紧件。
基于上述水平平移台14和竖直升降台22的设计，取数据采集装置20的光源入射方向为Z轴正方向建立笛卡尔直角坐标系，该水平平移台14能分别实现X、Y方向的直线运动，被测物体固定在该旋转架11上，以此实现X、Y向直线运动以及绕Y、Z轴旋转。上述载物装置10的技术效果有三个：第一，此设计下检测仅需要进行单维变换，运动轨迹简单，速度快，减小了视角变换所需时间；第二，该方案光源及探测光路均无需转动，测量所需区域小，利于搭建紧凑化仪器；第三，旋转架11的旋转信息能很好的用于之后多视角测量结果匹配及拼接。
数据采集装置20：数据采集装置20包括摄像头21及上述的竖直升降台22，摄像头21设置于竖直升降台22上。该重构系统可以基于现有的色散共聚焦方法采集单视角数据，具体是利用宽谱照明，可以是白光，不同波长会聚高度不同，通过测反射光谱分布得到反射平面高度信息。具体地，摄像头21至少包括宽谱光源、色散透镜和探测器，宽谱光源发出宽谱光，该宽谱光经过一排输入光纤传输，于输入光纤的输出端形成线形的检测光线，该线形的检测光线经过色散透镜后投射至物体表面，在物体表面不同高度处聚焦，经过物体表面反射的线形的光线再次经过色散透镜以及一排输出光纤传输，最终由探测器接收，进而获取相应的反射光数据。通过控制物体相对摄像头水平移动，完成检测宽谱光线对物体表面的扫描，由探测器接收信号宽谱光线，获得反应物体表面形貌的反射光数据，再通过数据处理装置对反射光数据进行相应处理获得单视角数据，单视角数据可以是单视角二维数据也可以是单视角三维数据。按照该方法，将旋转架11转动相应角度，在每个角度处进行上述过程以获得不同视角的数据。选择该方法的原因在于它无需多次照明或者移动变焦等步骤，具有实现结构简单、速度快的优势。另外，数据采集装置20可上下移动，在物体转动一定角度时，可以适当调整数据采集装置20的高低位置，以采集到完整的单视角数据。在一种实施例中，探测器为光谱仪，光谱仪通过测反射光谱数据，得到光强度最大的光波长，通过色散共聚焦的焦深与波长之间的计算公式，可以得到待测物表面反射位置，进而得到待测物表面形貌。探测器也可以为其他能够获得待测物表面的形貌的探测器件，所述的单视角数据为色散透镜在同一视角下接收到的反射光信号经数据处理后得到的表示待测物表面形貌的数据。
数据处理装置30：本实施例基于旋转架11的转动获取物体不同视角的单视角数据，优选为通过色散共聚焦方法获取单视角数据。该数据处理装置30可以根据不同视角的单视角数据及不同视角的转换矩阵进行三维重构。具体是指将不同视角采集的数据通过转换矩阵整合到同一三维坐标系中，构建出物体的三维形貌，在本实施例中，可以确定系统的一固定的坐标系(取数据采集装置20的光源入射方向为Z轴正方向建立笛卡尔直角坐标系)，将多个单视角数据构建于该坐标系中。转换矩阵的概念是数学、物理学领域的公知概念，转换矩阵明确了同一目标在不同坐标系中的对应关系，例如，将原三维坐标系以Y轴为转轴13旋转一角度，得到新的三维坐标系，空间一点P在原三维坐标系中的原坐标和在新的三维坐标系中的新坐标之间的变换关系对应一转换矩阵，该转换矩阵基于新旧坐标系的空间位置关系建立。
本实施例的重构系统通过固定转轴13进行选定角度的视角变换，理论上可以根据转轴13及转角分布直接对不同视角测量结果进行坐标变换，然而实际仪器中转轴13不是固定不变的，周围温度、机械固定松紧程度、人为触碰等因素均会改变转轴13的实际方向或位置，因此根据仪器设计的转轴13方向位置分布进行点云匹配拼接误差较大。连续检测中温度波动较小而且基本不会发生人为触碰、机械固定程度相对影响较大，基于旋转架11定位精度及重复精度较高的事实，本实施例提出在使用一段时间后，于检测前进行转轴13的方向及位置测量，通过测量到的转轴13分布结合旋转架11设置的旋转角度得到各个视角的新的转换矩阵，每次测量转轴13后更新一次转换矩阵，即对重构算法进行校正，提升不同视角测量结果点云数据拼接的准确性。当然，若发生人为触碰，则应当随即进行校正。
对应地，参考图3和图4，该三维重构系统还可用于转轴测量，具体地，该装置中设置有一转轴校正面，用于反射入射光产生的反射光信号。在进行转轴13测量时，数据采集装置对转轴校正面的反射信号进行采集以获得反射数据，该数据处理装置根据反射数据计算转轴位置，并根据转轴位置校正重构算法。转轴校正面可以固定设置或可拆卸设置在载物装置的相应部件上。具体地，固定设置方式包括但不限于通过在载物台、待测转轴上或者其他部件上直接加装校正板产生；或者通过直接在载物台、待测转轴上或其他部件上通过机械加工(例如机械摩擦)或物理化学加工(例如蚀刻或蒸镀)方式产生的反射面。可拆卸安装方式包括但不限于在载物装置中的相应部件上采用卡扣连接、螺钉连接、弹簧连接、滑块连接、粘贴连接等方式连接该转轴校正面。这里转轴校正面的设置方式和设置位置包括但不限于实施例中列举的的方式。优选地，该转轴校正面为设置在载物台12上的漫反射面40，并且使旋转架11转动，通过漫反射面40反射的反射信号被数据采集装置20所采集，通过数据处理装置30对漫反射数据进行数据分析，计算出转轴位置，再用该转轴位置的数据校正重构算法。在后续部分将对本部分内容进行更为详细的描述。
在重构系统使用一段时间后，转轴13不可避免的发生偏移，通过转轴测量和重构算法的校正可以保证三维重构的精度。并且，转轴13的偏移是随使用时间的延长发生的，并不需要每次检测都进行转轴13测量，进而，基于转轴13定位精度高以及采集光路固定而物体转动的方式易避免光路偏移，该系统可以进一步提高检测效率。
本发明实施例进一步提供一种三维重构方法，基于上述的三维重构系统进行，如图5，包括下述步骤：
S1、通过旋转架11的转动带动载物台12上的物体转动；
S2、通过数据采集装置20采集物体转动至相应角度时的反射光数据，以获得单视角数据；
S3、通过数据处理装置30根据单视角数据和重构算法进行三维重构。
在上述步骤中，载物装置10的旋转架11基于其转轴13转动，具体可以是一维转动(绕X轴或Y轴转动)或二维转动(绕X轴或Y轴以及Z轴转动)，数据采集装置20的摄像头21与载物台12间隔一定距离，摄像头21的采集光路优选与转轴13的初始方向垂直。通过转轴13带动物体转动，在物体转动至相应角度时，数据采集装置20采集对应角度时的单视角数据，该多个单视角数据传输至数据处理装置30，由数据处理装置30对其进行处理后获得物体的三维重构图像。
具体地，该旋转架11的设置参考三维重构系统的XYZ三轴平移载物装置10的设计。基于上述载物装置10，取数据采集装置20的光源入射方向为Z轴正方向建立笛卡尔直角坐标系，该水平平移台14能分别实现X、Y方向的直线运动，被测物体固定在该旋转架11上，以此实现X、Y向直线运动以及绕X或Y、Z轴旋转，物体绕X轴或Y轴旋转，可获得多个单视角数据。在数据采集时，可以移动旋转架11的水平位置，调整数据采集装置20的高度，以获得高质量的数据。
进一步地，上述步骤S2具体基于色散共聚焦方法，采用宽谱光源照射物体，采集物体在不同视角时的单视角三维数据，具体过程如前所述，此处不重复描述。该方法的优点如前所述，此处不重复说明。
进一步地，步骤S3具体为：通过数据处理装置30将不同视角的单视角数据数据应用于预设的对应视角的转换矩阵，进行三维数据点云拼接，获得三维重构图像。该步骤具体是指将不同视角采集的数据通过转换矩阵整合到同一三维坐标系中，构建出物体的三维形貌，具体在本实施例中，是将多个单视角数据进行拼接构建，在上述笛卡尔直角坐标系中形成物体的三维图像。
进一步地，由于转轴13的位置受温度，工作环境等不同因素的影响，会发生变化，所以转轴13的位置每间隔一段时间，或者发生人为触碰转轴13附近时就要进行校正，以保证测量数据的准确性。基于旋转架11定位精度及重复精度较高的事实，本实施例提出在使用一段时间后，转轴13的偏移量大于或等于预设偏移量时，进行一次转轴13校正，即检测前进行转轴13的方向及位置测量，通过测量到的转轴13分布结合旋转架11设置的旋转角度得到各个视角的新的转换矩阵，每次测量转轴13后更新一次转换矩阵，对重构算法进行校正，提升不同视角测量结果点云数据拼接的准确性。即，在步骤S1之前还包括步骤S0：对旋转架11的转轴13位置进行测量，根据转轴13的位置测量数据对重构算法进行校正。
如图6，具体地，步骤S0包括：对旋转架的转轴位置进行测量，根据转轴位置测量数据对所述重构算法进行校正。
步骤S0包括：
在所述载物台上设置漫反射面；
使所述旋转架上的漫反射面基于当前位置先后转动第一角度和第二角度，获取所述漫反射面在系统初始坐标系下的未转动时的初始位置数据、在第一角度时的第一角度数据以及在第二角度时的第二角度数据；
根据所述第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置；
步骤S01，在载物台12上设置漫反射面40；
步骤S02，使旋转架11上的漫反射面40基于当前位置先后转动第一角度和第二角度；
优选地，第一角度和第二角度大小相同而方向相反，在其他实施例中，第一角度和第二角度也可以不相同；如图3，当前位置对应角度0，第一角度和第二角度分别为和
步骤S03，获取漫反射面40在系统初始坐标系下的未转动时的初始位置数据、在第一角度时的第一角度数据以及在第二角度时的第二角度数据；
步骤S04，根据第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置；
优选地，计算初始位置数据对应的初始平面和第一角度数据对应的第一平面的第一角平分面S1，计算初始平面和第二角度数据对应的第二平面的第二角平分面S2，确定第一角平分面S1和第二角平分面S2的交线L为转轴位置。
步骤S05，将转轴位置并入校正前的重构算法，形成校正后的重构算法。
在本实施例中，采用漫反射面40的原因在于：其一，高度分布均匀，上述第一平面和第二平面以及初始平面的计算误差小；其二，若采用平面镜作为转轴校正部件，由于采集光路数值孔径限制，当旋转角度较大时，信号光将以较大角度反射，无法到达探测器，然而被测样品往往需要旋转较大角度才能倾斜探测。经过试验，采用漫反射面40(如毛玻璃)作为转轴测试部件，即使入射光为平行光，漫反射镜的反射光角度呈现类高斯分布，此时即使样品旋转角度超过光学系统数值孔径，依然有部分光达到数据采集装置20的探测器，保证能成功探测到漫反射面分布。
该漫反射面40安装在旋转架11的载物台12上被测物体旁边，当需要进行转轴13测量时，需要移动水平平移台14，使光入射至漫反射面40上进行测量。也可以用其它方式放置漫反射面40，如：将漫反射面40吸附在真空吸盘上等。
采用漫反射面40有效增加了转轴13测量标准件的旋转角度范围。比如，一个光学系统采用反射镜作为转轴校正标准件，旋转角度范围为±15°内，采用漫反射面40作为转轴校正标准件后，旋转角度范围增加至±45°内。理论上，色散共聚焦光学系统的待测物一般是非镜面的，可以接受较大角度的反射光，实现较大范围的测量。需要特别说明的是：尽管理论上转角大小与转轴13位置没有直接对应关系，但在实际多次测量中，发现用较大转角(15°以上，优选30°-45°，例如30°、35°、40°、45°等)得到的转轴13位置进行算法校正后的检测精度更高。
以下基于上述XYZ三轴移动平台，旋转架11的转轴13平行于Y轴方向的结构，提供一种具体的转轴测量方法。
参考图3，定义转轴13未转动时的角度为0°，转轴13正向转动第一角度为反向转动第二角度为
第一步，移动X轴平移台141和Y轴平移台142，使光入射至漫反射面40上，对旋转架转轴13为0°时的漫反射面40进行扫描，得到矩阵MxN个点的面矩阵。
色散透镜入射到物体表面的光线为排成一条线的点阵，M是入射光线的光点数量，N代表光线沿物体表面扫描时的采样次数，设其中一个光点在初始坐标系中的位置为(x,y,z)，则图3中0°线代表的是MxN个点所代表的0°漫反射面(初始平面)。
第二步，转轴13旋转第一角度光点(x,y,z)位置变成了(x1，y1，z1)，图3中的线代表的是MxN个(x1，y1，z1)点所形成的漫反射面(第一平面)，坐标x1，y1代表坐标x,y旋转角度后，根据旋转轴13的角度换算得到的位置。
第三步，转轴13旋转第二角度0°漫反射面旋转角度后，光点(x,y,z)位置变成了(x2，y2，z2)，图3中线代表的是MxN个(x2，y2，z2)点所形成的漫反射面(第二平面)，坐标x2，y2代表坐标x,y旋转角度后根据旋转轴13的角度换算得到的位置。
测量中，转轴的旋转角度等于35°。
其中，x,y是系统初始设置的三维坐标中的x，y位置，x1，y1和x2，y2也是系统初始设置的三维坐标中的位置。z,z1,z2是通过色散共聚焦的数据采集装置20测量得到的漫反射面的z轴高度信息。根据初始平面、第一平面和第二平面的点阵分别求出初始平面和第一平面的第一角平分面S1、初始平面和第二平面的第二角平分面S2，两个角平分面的交线L即为转轴13，图3中的黑点代表转轴13，转轴13为垂直于纸面的一条线，转轴13信息为一个方向向量，代表转轴13在系统初始设置的三维坐标中的位置和方向。在拼接过程中，直接根据上面测量得到的转轴13位置，结合不同视角时旋转架11的旋转角度，可以得到修正后的不同视角的转换矩阵，进而实现准确拼接。
综上所述，本发明实施例提供的三维重构系统和方法通过探测光路不变，转动物体，并结合转换矩阵进行三维重构，提高了检测精度和效率；通过间断的测试转轴13位置进行算法校正，进一步提高了检测精度和效率；利用漫反射面40作为转轴校正标准件，反射角度大，保证探测镜头接收到物体反射的探测光信号，且在较大转角时，其校正效果更好；通过水平平移台14和竖直升降台22的设计使检测更为简单易行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种三维重构系统，其特征在于，包括：
载物装置，包括可转动的旋转架以及设置于所述旋转架上的载物台，所述旋转架具有转轴；
数据采集装置，与所述载物台间隔设置，用于在所述旋转架转动到相应角度时采集所述载物台上的物体的反射光数据，获得所述物体在对应角度时的单视角数据；
数据处理装置，与所述数据采集装置连接，用于根据所述单视角数据和重构算法进行三维重构。
2.如权利要求1所述的三维重构系统，其特征在于，所述数据采集装置为色散共聚焦数据采集装置，所采集的所述反射光数据为反射光谱数据。
3.如权利要求1所述的三维重构系统，其特征在于，所述三维重构系统还包括转轴校正面，所述数据采集装置还用于对所述转轴校正面的反射信号进行采集以获得反射数据，所述数据处理装置还用于根据所述反射数据计算转轴位置，并根据所述转轴位置校正所述重构算法。
4.如权利要求3所述的三维重构系统，其特征在于，所述转轴校正面设置在载物台上。
5.如权利要求3所述的三维重构系统，其特征在于，所述转轴校正面为漫反射面。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的三维重构系统，其特征在于，所述转轴的初始方向垂直于所述数据采集装置的采集光路。
7.如权利要求6所述的三维重构系统，其特征在于，所述载物装置还包括水平平移台，所述数据采集装置包括竖直升降台和设置于所述竖直升降台上的摄像头；
所述旋转架设置于所述水平平移台上；
所述数据采集装置设置于所述竖直升降台上，使所述数据采集装置相对于所述载物台的高度可调；
所述转轴的初始方向平行于所述水平平移台；
所述数据采集装置的采集光路垂直于所述水平平移台。
8.如权利要求7所述的三维重构系统，其特征在于，所述摄像头至少包括宽谱光源、色散透镜和探测器，所述宽谱光源、色散透镜和探测器基于色散共聚焦方法获得单视角数据；所述数据处理装置根据所述不同视角的单视角数据及不同视角的转换矩阵进行三维重构。
9.一种三维重构方法，其特征在于，基于权利要求1所述的三维重构系统进行，包括下述步骤：
S1、通过所述旋转架的转动带动所述载物台上的物体转动；
S2、通过所述数据采集装置采集物体转动至相应角度时的反射光数据，以获得单视角数据；
S3、通过所述数据处理装置根据不同角度的所述单视角数据和重构算法进行三维重构。
10.如权利要求9所述的三维重构方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
基于色散共聚焦方法，采用宽谱光源照射所述物体，采集所述物体在不同视角时的单视角数据。
11.如权利要求10所述的三维重构方法，其特征在于，所述色散共聚焦方法至少包括如下步骤：
通过宽谱光源发射宽谱光束，并形成线形的检测光线；
通过色散透镜将所述检测光线投射至所述物体的表面；
平移所述物体完成物体表面扫描；
通过探测器采集所述检测光线经过所述物体反射后的反射光数据，对所述反射光数据进行处理获得所述单视角数据。
12.如权利要求9所述的三维重构方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：通过所述数据处理装置将不同视角的单视角数据应用于预设的对应视角的转换矩阵，进行三维数据点云拼接，获得三维重构图像。
13.如权利要求9、10、11或12所述的三维重构方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：
对所述旋转架的转轴位置进行测量，根据所述转轴位置的测量数据对所述重构算法进行校正。
14.如权利要求13所述的三维重构方法，其特征在于，所述步骤S0包括：
在三维测量系统中设置转轴校正面；
使所述旋转架上的转轴校正面基于当前位置先后转动第一角度和第二角度，获取所述转轴校正面在系统初始坐标系下的未转动时的初始位置数据、在第一角度时的第一角度数据以及在第二角度时的第二角度数据；
根据所述第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置；
将所述转轴位置并入校正前的重构算法，形成校正后的重构算法。
15.如权利要求14所述的三维重构方法，其特征在于，根据所述第一角度数据、第二角度数据和初始位置数据计算转轴位置的步骤具体为：
计算所述初始位置数据对应的初始平面和第一角度数据对应的第一平面的第一角平分面，计算所述初始平面和第二角度数据对应的第二平面的第二角平分面，确定第一角平分面和第二角平分面的交线为转轴位置。
16.如权利要求15所述的三维重构方法，其特征在于，在步骤S0中，所述第一角度和第二角度大小相同而方向相反；
17.如权利要求14所述的三维重构方法，其特征在于，所述转轴校正面为漫反射面。
18.如权利要求17所述的三维重构方法，其特征在于，所述第一角度和第二角度均大于15°；所述步骤S0于所述转轴的偏移量大于或等于预设偏移量时进行。
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