CN110081863A - 一种基于双目视觉的物体3d建模装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双目视觉的物体3D建模装置及方法，包括测量机构壳体、摄像机单元、旋转式置物台、嵌入式系统，通过嵌入式系统控制旋转式置物台转动，使摄像机单元获取待测物体上面、前面、后面、左面、右面的图片信息，然后运行双目匹配算法获得五个面对应的三维点云数据,最后通过运行3D建模算法进行模型拼接及优化。实现了用本装置对物体采集完照片后，就可生成一个带有实际尺寸的等比例3D模型，拥有更高的建模效率。

Description

一种基于双目视觉的物体3D建模装置及方法

技术领域

本发明属于三维测量领域，特别涉及一种基于双目视觉的可对实心物体进行三维测量并生成三维模型的3D建模装置。

背景技术

随着科学技术的发展，在生产活动中接触到越来越多的物体测量技术，并且在许多领域中，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、生物医学等，物体的三维测量技术是非常重要的。因此为了获取物体的三维信息，产生了许多测量方式大致分为接触式测量和非接触式测量。其中由于非接触式测量不仅避免了接触式测量中需要对接触头半径加以补偿所带来的麻烦，而且可以实现对各类表面进行高速三维扫描，测量速度快。因此随着测量技术发展，用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势。目前非接触式三维测量常用的方法有：激光测量、超声波测量和视觉测量等。激光测量其特点是设备重量轻、体积小、操作简单、速度快，但是对物体测量而言其扫描范围小、测量精度低；超声波测量其特点是造价低、功耗小，但是其容易受待测物体内部结构影响，因此不易测量结构复杂的工件；而视觉测量即拍照式测量，不仅对测量物体要求低，而且在迅速获取物体表面的面形信息的同时，拥有很高的测量精度，因此应用于三维扫描具有很大的优势。

同时在对物体完成三维测量后，建立一个3D模型也是一个重要环节，如3D打印、体积测量、逆向工程、有限元分析数据捕捉、均质物体转动惯量测量都需要先分析物体的3D模型。但是如果在sloidworks等三维建模软件中根据测量得到的数据建立一个3D模型，需要花费一定时间去人工测量物体的三维数据，效率低下。因此急需一个三维测量和3D建模一体化的装置来解决问题。

目前在视觉测量领域的三维测量设备，如拍照式手持三维扫描仪，其不仅需要操作者选取良好的拼接点，粘贴标志点才能进行三维扫描，并且不能实时查看建好的三维模型，判断其模型的准确性。因此对物体进行三维测量并建立3D模型需要自动化、一体化、操作简易化的设计，才能拥有更高的效率。因此，本发明公开一种运用在三维测量领域的3D建模装置及方法。

发明内容

本发明结合了双目视觉技术以及三维建模技术，提供了一种三维测量和3D模型建立自动化、一体化、操作简易化的装置。该装置在对物体采集完照片后，就可生成一个等比例的3D模型，我们不仅可以观测其外形还可以直观看到体积，表面积，各部分尺寸等数据，而且为进行逆向工程提供了便捷的渠道。

本发明的技术方案如下：本发明设计一种基于双目视觉的物体3D建模装置，包括测量机构壳体、摄像机单元、旋转式置物台、嵌入式系统。其特征在于：所述测量机构壳体包括置物箱1、LED光源2、显示屏3；所述置物箱1为不透光长方体盒子，并且设有可闭合盖子，用于排除外界光源和复杂环境对相机拍摄的干扰，减小模型的误差；所述LED光源2用于通过匀光板散射后给待测物体补射光照，保证待测物体均匀受光，不会受到光斑的影响；所述显示屏3是为了得到物体的3D模型后，显示计算得出的体积、表面积以及3D模型，同时便于相机矫正模式和物体测量模式的切换；所述摄像机单元包括双目相机一6、双目相机二7和连接架8，其中双目相机均由左摄像头10和右摄像头11组成，左摄像头10和右摄像头11均为工业级摄像头；所述双目相机一7用于收集物体前面15、后面13、左面14、右面12的图片信息；所述双目相机二6用于收集物体上面16的图片信息；所述旋转式置物台包括旋转盘4和步进电机5，为了保证放置好待测物体后双目相机一7可以对物体每旋转90°后拍摄一组照片，收集物体前面15、后面13、左面14、右面12的图片信息；所述嵌入式系统9用于控制双目相机一7、双目相机二6、显示屏3以及步进电机5，并运行相机标定算法、双目匹配算法及3D建模算法。

本发明所述的相机标定算法是为了计算双目相机物体坐标和图像像素坐标之间的转换系数、镜头畸变系数和左、右摄像头之间的位置关系。通过双目相机拍摄规定的棋盘格标定板21后获取所有点的左像素坐标和对应点的右像素坐标，然后用相邻点的精确长度计算后获得棋盘格标定板21上所有点的世界坐标，将获得的两种坐标都代入由世界坐标系转换到像素坐标系的矩阵方程，计算得出左摄像头10和右摄像头11的内部参数矩阵M1、M2；同时还需计算出畸变参数矩阵D1、D2，以及计算两个摄像头之间的旋转矩阵R和平移矩阵T；接着重复拍摄15-20次棋盘格标定板，将每次得到M1、M2、D1、D2、R、T求和取平均。

本发明所述的双目匹配算法是为了获取物体待测面的三维坐标。根据双目相机对物体拍摄得到的照片，利用特征匹配提取物体待测面所有点左像素坐标及对应点的右像素坐标，计算视差，进而计算待测物体表面点坐标，并保存为三维点云数据文件。

本发明所述的3D建模算法是应用OPEGL函数库，将获取的三维点云数据进行三维重建；经过双目匹配后得到物体绕旋转盘4中心轴逆时针旋转得到的四个面的三维点云数据，及物体上面三维点云数据；因此每个面的位置坐标均不是相对于一个坐标系，需要将所有面旋转、平移后统一到同一个坐标系中，然后附和上物体的下部的平整面，使其拼接成为一个3D模型，并设置光源和透明度达到物体3D还原的目的。

附图说明

图1为3D建模装置功能框图。

图2为3D建模装置结构图。

以下为图2中的注释：

1—置物箱 2—LED光源 3—显示屏

4—旋转盘 5—步进电机 6—双目相机二

7—双目相机一 8—连接架 9—嵌入式系统

10—左摄像头 11—右摄像头 12—右面

13—后面 14—左面 15—前面

16—上面。

具体实施方式

如图1、图2所示本发明提供一种基于双目视觉的物体3D建模装置，包括测量机构壳体、摄像机单元、旋转式置物台、嵌入式系统。其中摄像机单元、嵌入式系统和旋转式置物台固定连接，然后再固定到测量机构壳体中。同时双目相机一、双目相机二、显示屏以及步进电机用连接线连接到嵌入式系统中。

实施例还提供一种基于双目视觉的物体3D建模方法，通过以下步骤进行说明。

1）进入相机矫正模式。

1.1）分别用双目相机一、双目相机二手动拍采集棋盘格标定板不同倾斜度的照片，各15—20组。

1.2）通过嵌入式系统运行相机标定算法，读取拍摄的棋盘格标定板照片，计算得到双目相机一、双目相机二的7个矫正参数矩阵，并且更新保存。

2）进入物体测量模式。

2.1）通过双目相机一对待测物体前面进行拍照，获得照片组1；通过双目相机二对待测物体上面进行拍照，获得照片组2。

2.2）嵌入式系统控制步进电机旋转90°后，双目相机一对物体左面进行拍照，获得照片组3。

2.3）步进电机再旋转90°后，双目相机一对物体后面进行拍照，获得照片组4。

2.4）步进电机再旋转90°后，双目相机一对物体右面进行拍照，获得照片组5。

2.5）通过嵌入式系统运行双目匹配算法，读取照片组1-5及7个参数矩阵，计算得到五个面对应的视差图及五个面对应的三维点云数据。

2.6）根据3D建模装置的结构，计算得出五个点云模型相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。

2.7）通过嵌入式系统运行3D建模算法，将五个面的三维点云数进行平移、旋转后，拼接为3D点云模型，并计算出待测物体体积、表面积数据。

2.8）通过显示屏显示物体3D模型、体积、表面积，并保存为文件。

上述实施例仅为清楚地说明本发明的举例，而并非是对实施方式的限定；对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉的物体3D建模装置，包括测量机构壳体、摄像机单元、旋转式置物台、嵌入式系统；其特征在于：所述测量机构壳体包括置物箱、LED光源、显示屏；所述置物箱为不透光长方体盒子，并且设有可闭合盖子，用于排除外界光源和复杂环境对相机拍摄的干扰，减小模型的误差；所述LED光源用于通过匀光板给光源散射后给各待测物体补射光照，保证待测物体均匀受光，不会受到光斑的影响；所述显示屏是为了得到物体的3D模型后，显示计算得出的体积、表面积以及3D模型，同时便于相机矫正模式和物体测量模式的切换；所述摄像机单元包括双目相机一、双目相机二和连接架，其中双目相机均由左摄像头和右摄像头组成，左摄像头和右摄像头均用工业级摄像头；所述双目相机一用于收集物体前面、后面、左面、右面的图片信息；所述双目相机二用于收集物体上面的图片信息；所述旋转式置物台包括旋转盘和步进电机，为了放置好待测物体后保证双目相机一可以对物体每旋转90°后拍摄一组照片，收集物体前面、后面、左面、右面的图片信息；所述嵌入式系统用于控制双目相机一、双目相机二、显示屏以及步进电机，并运行相机标定算法、双目匹配算法及3D建模算法。

2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的物体3D建模装置，其特征在于：所述摄像机单元包括双目相机一、双目相机二和连接架，其中双目相机均由左摄像头和右摄像头组成，且双目相机一和双目相机二以一定的相对位姿固定在连接架上；所述旋转式置物台包括旋转盘和步进电机，步进电机转轴和旋转盘齿合；所述的摄像机单元与旋转式置物台连接固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的物体3D建模装置，其特征在于：所述嵌入式系统用于控制双目相机一、双目相机二、显示屏以及步进电机，并运行相机标定算法、双目匹配算法及3D建模算法，同时实时将3D模型显示在显示屏上。

4.一种基于权利要求1所述物体3D建模装置的3D建模方法，其特征在于，工作流程为：

1）通过嵌入式系统运行双目匹配算法，计算得到五个面对应的三维点云数据；

2）根据3D建模装置的结构，计算得出五个点云模型相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

3）通过嵌入式系统运行3D建模算法，将五个面的三维点云数进行固定值平移、旋转后，拼接为3D点云模型，并计算出待测物体体积、表面积数据。