CN111189415B - 一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统及方法中，所述重建系统包括支架、第一采集组件、控制器以及数据处理装置，所述支架上固定安装有支撑平台和第一导轨，所述支撑平台上具有一托盘，所述托盘可旋转地安装在所述支撑平台上，所述第一采集组件可移动地安装在所述第一导轨上，所述第一采集组件包括第一激光器组和第一相机组，所述控制器用于控制所述托盘的转动、所述第一采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换。本发明通过设置两种不同的扫描方式，针对轴状物体采用轴向扫描重建方式，针对曲率大的物体采用环向扫描，从而实现具有针对性的精细重建。

Description

一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统及方法

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，特别涉及一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统及方法。

背景技术

三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。一般三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的部分。目前线激光三维重建技术多为单面扫描，由于线激光本身的特点，对于曲率大的物体，线激光照射均一性无法保证，而采用纯图像重建虽然可以实现大曲率物体的扫描，却无法实现精细重建。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种线结构光的多功能三维测量重建系统及其多功能三维测量重建方法，可针对轴状物体采用轴向扫描重建方式，针对曲率大的物体采用环向扫描，从而实现具有针对性的精细重建。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一方面，本发明公开了一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统，包括：

支架，所述支架上固定安装有支撑平台和第一导轨，所述支撑平台上具有一托盘，所述托盘可旋转地安装在所述支撑平台上，所述托盘的旋转轴线与所述支撑平台所在平面垂直，所述第一导轨沿第一方向延伸，所述第一方向与所述支撑平台所在平面垂直；

第一采集组件，所述第一采集组件可移动地安装在所述第一导轨上，所述第一采集组件包括第一激光器组和第一相机组；所述第一激光器组用于向待重建物体的表面投射第一激光，所述第一相机组用于获取所述第一激光照射在待重建物体表面上的图像、并将获取的图像发送至数据处理装置；

控制器，所述控制器与所述托盘、所述第一采集组件电连接，所述控制器用于控制所述托盘的转动、所述第一采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换；以及

数据处理装置，所述数据处理装置用于接收所述第一相机组发送的图像，并根据所述第一相机组发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第一扫描模式为所述托盘旋转，所述第一采集组件不移动，且所述第一采集组件在所述托盘旋转过程中采集不同角度的图像；所述第二扫描模式为所述托盘不旋转，所述第一采集组件移动，且所述第一采集组件在所述第一采集组件移动过程中采集不同角度的图像。

优选的，所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统中，所述支架上还固定安装有第二导轨，所述第二导轨沿第二方向延伸，所述第二方向与所述支撑平台所在平面平行，所述第一导轨和所述第二导轨分别位于所述托盘相邻的两侧；

所述多功能三维测量重建系统还包括第二采集组件，所述第二采集组件可移动地安装在所述第二导轨上，所述第二采集组件包括第二激光器组和第二相机组；所述第二激光器组用于向待重建物体的表面投射第二激光，所述第二相机组用于获取所述第二激光照射在所述待重建物体表面上的图像、并将获取的图像发送至所述数据处理装置；

所述控制器还与所述第二采集组件电连接，所述控制器还用于控制所述第二采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式、第二扫描模式和第三扫描模式之间切换；

所述数据处理装置还用于接收所述第二相机组发送的图像，并根据所述第二相机组发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第三扫描模式为所述托盘不旋转，所述第二采集组件移动，且所述第二采集组件在所述第二采集组件移动过程中采集不同角度的图像。

优选的，所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统中，所述第二相机组和第二激光器组朝向背离托盘的方向。

优选的，所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统中，所述第一相机组中的各个相机相互通信连接，所述第二相机组中的各个相机相互通信连接。

优选的，所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统中，所述控制器具体用于：

预设托盘旋转的角度，控制所述托盘按照预设角度进行多次转动；预设第一采集组件移动的距离，控制所述第一采集组件按照第一预设距离进行多次移动；预设第二采集组件移动的距离，控制所述第二采集组件按照第二预设距离进行多次移动。

另一方面，本发明公开了一种基于线结构光的多功能三维测量重建方法，适用于如上所述的多功能三维测量重建系统，所述方法包括：

接收扫描选择指令，所述扫描选择指令用于指示是否切换为所述第一扫描模式或所述第二扫描模式；

根据所述扫描选择指令，确定所述托盘和/或所述第一采集组件的运动轨迹；

控制所述托盘和/或所述第一采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，所述图像组由多个连续视角的图像组成；

根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建。

优选的，所述的多功能三维测量重建方法中，所述根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建的步骤，包括：

S1、将所述图像组的图像分为多个图像块，每个图像块由若干个连续视角的图像组成，每个图像块均包括一关键帧图像，关键帧的位姿为所述运动轨迹下满足预定条件的位置，各个所述图像块之间没有图像交集；

S2、选取所述图像组中的其中一个图像块，并获取选取的图像块中各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组；

S3、获取选取的图像块中的关键帧的位姿，并利用所述关键帧的位姿计算出所述图像块中的非关键帧的位姿；根据所述非关键帧的位姿与所述关键帧的位姿的相对姿态信息调整所述非关键帧的点云数据，以完成选取的图像块中的各个图像的点云拼接；

S4、重复步骤S2至S3，以完成所有图像块中的各个图像的点云拼接；

S5、利用各个图像块中的关键帧的位姿的相对姿态信息，调整各个图像块的点云数据组，以完成所有点云数据组的拼接。

优选的，所述的多功能三维测量重建方法中，所述步骤S1中，所述满足预定条件的位置为所述运动轨迹下间隔相同角度或相同长度的位置。

优选的，所述的多功能三维测量重建方法中，所述步骤S2包括：

选取所述图像组中的其中一个图像块，获取所述采集组件中的各个相机的内参数和外参数；

利用三角测距法计算出其中一帧图像的各个像素点的深度信息；

根据所述图像的各个像素点的深度信息以及对应的相机内参数和外参数进行像素坐标系和世界坐标系的转换，并获取所述图像的点云数据；

获取选取的图像块的各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组。

优选的，所述的多功能三维测量重建方法还包括：

对拼接获得的点云模型进行三角化处理得到三维重建模型。

相较于现有技术，本发明提供的基于线结构光的多功能三维测量重建系统及其方法中，所述重建系统包括支架、第一采集组件、控制器和数据处理装置，所述支架上固定安装有支撑平台和第一导轨，所述支撑平台上具有一托盘，所述托盘可旋转地安装在所述支撑平台上，所述第一采集组件可移动地安装在所述第一导轨上，所述第一采集组件包括第一激光器组和第一相机组，所述控制器用于控制所述托盘的转动、所述第一采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换，所述数据处理装置用于进行三维模型的重建。本发明通过设置两种不同的扫描方式，针对轴状物体采用轴向扫描重建方式，针对曲率大的物体采用环向扫描，从而实现具有针对性的精细重建。

附图说明

图1为本发明提供的基于线结构光的多功能三维测量重建系统的一较佳实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为本发明提供的基于线结构光的多功能三维测量重建方法中图像处理的一较佳实施例的流程图；

图4为本发明提供的基于线结构光的多功能三维测量重建方法中所述步骤S2的一较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统及其多功能三维测量重建方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的基于线结构光的多功能三维测量重建系统，包括：

支架1，所述支架1上固定安装有支撑平台2和第一导轨3，所述支撑平台2上具有一托盘4，所述托盘4可旋转地安装在所述支撑平台2上，所述托盘4的旋转轴线与所述支撑平台2所在平面垂直，所述第一导轨3沿第一方向延伸，所述第一方向与所述支撑平台2所在平面垂直；

第一采集组件5，所述第一采集组件5可移动地安装在所述第一导轨3上，所述第一采集组件5包括第一激光器组51和第一相机组52；所述第一激光器组51用于向待重建物体的表面投射第一激光，所述第一相机组52用于获取所述第一激光照射在待重建物体表面上的图像、并将获取的图像发送至数据处理装置；

控制器(图中未示出)，所述控制器与所述托盘4、所述第一采集组件5电连接，所述控制器用于控制所述托盘4的转动、所述第一采集组件5的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换；以及

数据处理装置，所述数据处理装置用于接收所述第一相机组52发送的图像，并根据所述第一相机组52发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第一扫描模式为所述托盘4旋转，所述第一采集组件5不移动，且所述第一采集组件5在所述托盘旋转过程中采集不同角度的图像；所述第二扫描模式为所述托盘4不旋转，所述第一采集组件5移动，且所述第一采集组件5在所述第一采集组件5移动过程中采集不同角度的图像。

具体的，所述托盘4嵌设于所述支撑平台2并可按照预设角度进行多次转动，实现360°圆周旋转，具体实施时，所述托盘4可连接于一转动电机，所述转动电机受所述控制器的控制，所述控制器可带动所述转动电机转动以使所述托盘按照预设角度转动，实现对待重建物体的全方位扫描，优选的，所述预设角度可以为0.1°，且每帧图片之间相机的角度偏移量一致，能确保重建的精度和准度。

进一步的，为保证第一采集组件5在运动时所述第一相机组52和第一激光器组51的相对位置不变，所述第一采集组件5还包括第一固定架53和一纵向电机(图中未示出)，所述第一相机组52和第一激光器组51安装在第一固定架53上，所述第一固定架53与第一导轨3滑动连接并可相对于所述第一导轨3进行第一方向的移动，本实施例中，所述第一方向为纵向，对于一些轴状且纵向长度较大的待重建物体，通过控制所述第一固定架53进行纵向移动来实现对待重建物体的全方位扫描，从而实现精细的重建，具体的，所述第一固定架53与纵向电机连接，所述纵向电机与控制器电连接并可带动所述第一固定架53在所述第一导轨上做纵向移动，具体实施时，在第一扫描模式下，所述第一相机组52在托盘4转动预设角度后获取所述第一激光器组51发射的激光照射在待重建物体表面上的图像，在第二扫描模式下，所述第一相机组52和第一激光器组51可通过纵向移动实现对待重建物体的全方位扫描，其中，所述第一相机组51包括若干个相机(可以为工业相机)，此外，所述第一相机组51和第一激光器组52之间的距离还可调节，以使所述相机能够拍摄到待重建物体，所述第一激光器组51可以为一字激光器或者红外线光源等结构。

本发明针对轴状物体采用第二扫描模式，针对曲率大的物体采用第一扫描模式，从而实现具有针对性的精细扫描，而且扫描精度高，可方便后续的三维重建。

进一步的实施例中，所述支架1上还固定安装有第二导轨6，所述第二导轨6沿第二方向延伸，所述第二方向与所述支撑平台2所在平面平行，所述第一导轨3和所述第二导轨6分别位于所述托盘4相邻的两侧，且所述第一导轨3和所述第二导轨6不相交；

所述多功能三维测量重建系统还包括第二采集组件7，所述第二采集组件7可移动地安装在所述第二导轨6上，所述第二采集组件7包括第二激光器组71和第二相机组72；所述第二激光器组71用于向待重建物体的表面投射第二激光，所述第二相机组72用于获取所述第二激光照射在所述待重建物体表面上的图像；

所述控制器还与所述第二采集组件7电连接，所述控制器还用于控制所述第二采集组件7的移动和采集，使得所述多功能三维测量重建系统能够在第一扫描模式、第二扫描模式和第三扫描模式之间切换；

所述数据处理装置还用于接收所述第二相机组72发送的图像，并根据所述第二相机组72发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第三扫描模式为所述托盘4不旋转，所述第二采集组件8移动，且所述第二采集组件7在所述第二采集组件7移动过程中采集不同角度的图像。

具体的，为保证第二采集组件7在运动时所述第二相机组72和第二激光器组71的相对位置不变，所述第二采集组件7还包括第二固定架73和一横向电机(图中未示出)，所述第二相机组72和第二激光器组71安装在第二固定架73上，所述第二固定架73与所述第二导轨6滑动连接上并可相对于所述第二导轨6进行第二方向的运动，本实施例中，所述第二方向为横向，对于一些轴状且横向长度较大的待重建物体，通过控制所述第二固定架73进行横向移动来实现对待重建物体的全方位扫描，从而实现精细的重建，具体的，所述第二固定架73与横向电机连接，所述横向电机可带动所述第二固定架73在所述第二导轨上做横向移动，具体实施时，在第三扫描模式下，所述第二相机组72和第二激光器组71可通过横向移动实现对待重建物体的全方位扫描，其中，所述第二相机组72包括若干个相机(可以为工业相机)，此外，所述第二相机组72和第二激光器组71之间的距离还可调节，以使所述相机能够拍摄到待重建物体，所述第二激光器组71可以为一字激光器或者红外线光源等结构，另外，需说明的是，所述第二固定架73还可反向安装，以使所述第二相机组72和第二激光器组71朝向背离托盘4的方向，进而实现对悬挂的物体(例如硅胶等软性材料的物体)进行扫描，避免放置在支撑平台上时物体发生变形而影响重建精度。

此时，支架1上还可以设置有用于悬挂物体的横梁8，横梁8设置在第二采集组件7远离托盘4的一侧(本实施例中，所述横梁8设置在所述第二采集组件7的上方)，

优选的实施例中，所述支架上还固定有两块安装板9，两块安装板9位于所述托盘4的上方，两块安装板9分别可安装一采集装置，所述采集装置包括相机组和激光器组，所述采集装置用于实现具有较多细节的物体的边缘的扫描，增加重建的精度。

优选的实施例中，所述第一方向与所述第二方向垂直，可以通过两个方向上的采集组件来分别对不同形状的物体进行扫描。

进一步的实施例中，所述第一相机组52中的各个相机相互通信连接，所述第二相机组72中的各个相机相互通信连接，使得各个相机可以相互通信实现同步采集，保证采图的同时性，由于进行多相机协同处理时，处理过程涉及图像缓冲、互相运算等过程，故通过同步进行图像采集，能够减少运算的过程，节约资源，增加可靠性。

进一步的实施例中，所述控制器具体用于：

预设托盘旋转的角度，控制所述托盘按照预设角度进行多次转动；预设第一采集组件移动的距离，控制所述第一采集组件按照第一预设距离进行多次移动；预设第二采集组件移动的距离，控制所述第二采集组件按照第二预设距离进行多次移动。

具体来说，在第一扫描模式下，所述控制器会记录第一相机组52反馈的时刻，如果两帧图片的间隔时间过大，表示托盘4已经转盘一圈并开始新一圈的转动，此时如果继续采集则会导致前一圈采集的图片和后一圈采集的图片具有重叠，所以此时报错终止采集，进而确保重建的精度和准度；在第二扫描模式或第三扫描模式下，所述控制器控制第一采集组件5或第二采集组件7运动，并控制第一相机组52或第二相机组72在运动时同步进行采图，当运动停止时，终止采图，能够保证相机采图操作与运动控制保持同步，确保重建的精度和准度，当然，需说明的是，所述第一扫描模式下也可采用停止运动终止采图的方式，所述第二扫描模式或第三扫描模式下也可采用报错终止彩图的方式，本发明对此不做限定。

进一步来说，本发明实施例提供的多功能三维测量重建系统在根据待重建物体的形状采取合适的扫描方式(第一扫描方式、第二扫描方式或第三扫描方式)后，获取扫描过程中采集的图像，然后对采集的各个视角的图像进行处理，进而得到三维重建模型，具体实施时，所述数据处理装置可以为一计算机，直接利用计算机来进行算法处理，进而输出三维重建模型。

基于上述基于线结构光的多功能三维测量重建系统，本发明实施例还相应的提供一种基于线结构光的多功能三维测量重建方法，所述多功能三维测量重建方法适用于上述实施例所述的多功能三维测量重建系统，具体的，当所述多功能三维测量重建系统中不包含第二采集组件7时，所述方法包括如下步骤：

接收扫描选择指令，所述扫描选择指令用于指示是否切换为所述第一扫描模式或所述第二扫描模式；

根据所述扫描选择指令，确定所述托盘和/或所述第一采集组件的运动轨迹；

控制所述托盘和/或所述第一采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，所述图像组由多个连续视角的图像组成；

根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建。

具体来说，当所述多功能三维测量重建系统中不包含第二采集组件7时，所述多功能三维测量重建系统具有第一扫描模式和第二扫描模式，所述控制器在接收到扫描选择指令后，在第一扫描模式下，所述控制器确定所述托盘4的运动轨迹，在第二扫描模式下，所述控制器确定所述第一采集组件5的运动轨迹，在确定好运动轨迹后，所述控制器开始控制所述托盘和/或所述第一采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，之后再利用数据处理装置对图像组进行分析处理实现三维模型的重建，从而能够针对轴状物体采用第二扫描模式，针对曲率大的物体采用第一扫描模式，实现具有针对性的精细扫描，而且扫描精度高，可方便后续的三维重建。

进一步来说，当所述多功能三维测量重建系统中包含第二采集组件7时，所述方法包括如下步骤：

接收扫描选择指令，所述扫描选择指令用于指示是否切换为所述第一扫描模式、所述第二扫描模式或所述第三扫描模式；

根据所述扫描选择指令，确定所述托盘、所述第一采集组件或所述第二采集组件的运动轨迹；

控制所述托盘、所述第一采集组件或所述第二采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，所述图像组由多个连续视角的图像组成；

根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建。

具体来说，当所述多功能三维测量重建系统中包含第二采集组件7时，所述多功能三维测量重建系统具有第一扫描模式、第二扫描模式和第三扫描模式，所述控制器在接收到扫描选择指令后，在第一扫描模式下，所述控制器确定所述托盘4的运动轨迹，在第二扫描模式下，所述控制器确定所述第一采集组件5的运动轨迹，在第三扫描模式下，所述控制器确定所述第二采集组件7的运动轨迹，在确定好运动轨迹后，所述控制器开始控制所述托盘、所述第一采集组件或所述第二采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，之后再利用数据处理装置对图像组进行分析处理实现三维模型的重建，从而能够针对轴状物体采用第二扫描模式或第三扫描模式，针对曲率大的物体采用第一扫描模式，实现具有针对性的精细扫描，而且扫描精度高，可方便后续的三维重建。

优选的实施例中，请参阅图3，所述根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建的步骤包括：

S1、将所述图像组的图像分为多个图像块，每个图像块由若干个连续视角的图像组成，每个图像块均包括一关键帧图像，关键帧的位姿为所述运动轨迹下满足预定条件的位置，各个所述图像块之间没有图像交集；

S2、选取所述图像组中的其中一个图像块，并获取选取的图像块中各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组；

S3、获取选取的图像块中的关键帧的位姿，并利用所述关键帧的位姿计算出所述图像块中的非关键帧的位姿；根据所述非关键帧的位姿与所述关键帧的位姿的相对姿态信息调整所述非关键帧的点云数据，以完成选取的图像块中的各个图像的点云拼接；

S4、重复步骤S2至S3，以完成所有图像块中的各个图像的点云拼接；

S5、利用各个图像块中的关键帧的位姿的相对姿态信息，调整各个图像块的点云数据组，以完成所有点云数据组的拼接。

具体来说，由于每采集一帧图像相机或电机就会运动到下一个位置，由于每次实际运动位置和预设运动位置会有误差，本发明实施例引入了关键帧来对位姿进行优化，从而获取精准的点云数据，具体的，本发明实施例将获取的图像组分为若干个图像块，首先利用关键帧的位姿来对图像块中的各帧进行位姿优化，实现了局部位姿优化，然后再利用关键帧的位姿对图像块之间进行位姿优化，实现了全局的位姿优化，这样可以剥离出关键帧，减少存储和待处理的数据，并且这种分层优化方法减少了每次优化时的未知量，保证该方法可扩展到大场景而漂移很小。另外，本发明实施例中，由于关键帧的位姿为直接测量获取，所以相比于一般的选取图像块中的第一帧作为关键帧，然后计算出关键帧位姿的方式，准确度更高，可以减少累积误差，增加重建的精度。

优选的实施例中，所述满足预定条件的位置为所述预设扫描模式下间隔相同角度或相同长度的位置。具体实施时，当在第一扫描模式下时，所述满足预定条件的位置可以为与圆周运动的初始位置形成预设角度的N倍的夹角的位置，其中N为不小于1的自然数，优选的，所述预设角度为5度，在所述托盘4从初始位置转动5°、10°、15°……时，即判断此位置为关键帧位置。

此时，关键帧位姿的获取方法为：通过托盘转动的角度来计算位姿，具体的，以托盘的转动中心为坐标原点，则初始位姿为(r，0，0)，其中r为圆周运动的转轴半径，所以托盘在进行圆周运动时，根据几何原理，关键帧X轴坐标即为x＝r-rcosα，其中r为转轴半径，α为从初始位置累积转动的角度0<α<360，关键帧Y轴坐标为y＝rsinα，此时即计算出了关键帧位姿为(x，y，0)。

当在第二扫描模式下时，所述满足预定条件的位置可以为直线运动到与初始位置的距离为预设距离的M倍的位置，其中，M为不小于1的自然数。

此时，关键帧位姿的获取方法为：以第一采集组件的初始位置作为坐标原点，则初始位姿为(0，0，0)，然后第一采集组件在直线运动预设位置后，关键帧位姿即为(0，y，0)，y即为第一采集组件在y方向移动的距离。

当在第三扫描模式下时，所述满足预定条件的位置可以为直线运动到与初始位置的距离为预设距离的P倍的位置，其中，P为不小于1的自然数。

此时，关键帧位姿的获取方法为：以第二采集组件的初始位置作为坐标原点，则初始位姿为(0，0，0)，然后第二采集组件在直线运动预设位置后，关键帧位姿即为(x，0，0)，x即为第二采集组件在x方向移动的距离。

进一步来说，请参阅图4，所述步骤S2包括：

S201、选取所述图像组中的其中一个图像块，获取所述采集组件中的各个相机的内参数和外参数；

S202、利用三角测距法计算出其中一帧图像的各个像素点的深度信息；

S203、根据所述图像的各个像素点的深度信息以及对应的相机内参数和外参数进行像素坐标系和世界坐标系的转换，并获取所述图像的点云数据；

S204、获取选取的图像块的各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组。

本实施例中，由于相机无法获取像素点的深度信息，所以需要计算出像素点的深度信息，具体的，在某一时刻的固定视角下，相机组可输出物体纹理，所以可利用三角测距法来获取深度信息，之后再根据获得的相机内外参数完成像素坐标系与世界坐标系的转换，构建出单幅图像的点云数据，相机运动过程中获得不同视角下的点云图像，然后得到一个图像块的点云数据组。其中相机的内参数包括fx、fy、u0、v0。fx也就是F*Sx，其中F是焦距，Sx是像素/每毫米，表示x方向一个像素分别占多少个单位，是反映现实中的图像物理坐标关系与像素坐标系转换的关键。u0，v0代表图像的中心像素坐标和图像原点像素坐标之间相差的横向和纵向像素数；相机的外参数包括三个轴的旋转参数，分别是(w、δ、θ)，三个轴的平移参数，分别是(Tx、Ty、Tz)。

在利用三角测距法进行深度信息计算时，由于激光发射器与工业相机在同一水平线(称为基准线)上，其距离为s，摄像头焦距为f，激光头与基准线的夹角为β。假设目标物体在点状激光器的照射下，反射回摄像头成像平面的位置为点P。由几何知识可作相似三角形，激光头、摄像头与目标物体组成的三角形，相似于摄像头、成像点P与辅助点P′，即f/x＝q/s＝＝>q＝fs/x，其中，X＝x1+x2＝f/tanβ+像素尺寸*成像的像素坐标与成像中心的距离，所以最后可求得相机与目标物体之间的距离d＝q/sinβ。在得到了深度信息后，即可实现像素坐标系和世界坐标系的转换，得到一个图像的点云数据，然后继续重复上述步骤得到所有像素点的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组。

之后调用提取图像SIFT特征点，再做特征点匹配，形成特征点对，得到单应矩阵，再利用单应矩阵进行图像的配准。具体过程调用Opencv函数实现，通过匹配的特征点对来求单应矩阵的原理如下：

首先，我们假设两张图像中的对应点对齐次坐标为(x′，y′，1)和(x，y，1)，单应矩阵H定义为

根据特征点对应关系得到如下等式：

带入化简得：

乘以分母展开，得到

(h₃₁x+h₃₂y+h₃₃)x′＝h₁₁x+h₁₂y+h₁₃

(h₃₁x+h₃₂y+h₃₃)y′＝h₂₁x+h₂₂y+h₂₃，

h₁₁x+h₁₂y+h₁₃-h₃₁xx′-h₃₂yx′-h₃₃x′＝0

h₂₁x+h₂₂y+h₂₃-h₃₁xy′-h₃₂yy′-h₃₃y′＝0

如果得到了两幅图片中对应得N个特征点对，那么可得如下线性方程组：

求解方程组，即可得到单应矩阵。

进一步来说，在进行点云匹配时，需要进行位姿优化处理，以保证点云数据的准确度，本发明利用分层的local-to-global(像素坐标系-世界坐标系)的优化方法，总共分两层，在最低的第一层，每连续几帧的图像组成一个图像块，例如连续10帧的图像作为一个图像块，每个图像块中均包括一个关键帧，然后对这个图像块内所有帧做一个局部位姿优化。具体的，进行局部位姿优化的方式为：将关键帧的位姿代入运动轨迹方程中，利用运动轨迹方程计算出非关键帧的位姿，然后利用所述非关键帧的位姿与所述关键帧的位姿的相对姿态信息调整所述非关键帧的点云数据，进而实现了对非关键帧的点云数据的优化，然后拼接相邻两帧的点云数据即可实现一个图像块中的各个图像的点云拼接；其中，所述运动轨迹方程可根据实际运动方式而定，本发明对此不做限定。之后再重复步骤S2至S3即可完成所有图像块中的各个图像的点云拼接。

在第二层，只使用所有的图像块的关键帧进行互相关联然后进行全局优化。具体优化的方式是利用各个关键帧的相对姿态信息，来调整各个图像块的点云数据组，然后再对各个点云数据组进行拼接即可得到点云模型；这样可以剥离出关键帧，减少存储和待处理的数据，并且这种分层优化方法减少了每次优化时的未知量，保证该方法可扩展到大场景而漂移很小。

优选的实施例中，所述多功能三维测量重建方法还包括：

对拼接获得的点云模型进行三角化处理得到三维重建模型。

此外，本发明实施例对点云模型进行三角化处理，可是将离散的点云数据生成闭合的三角面片，从而得到精细高质量的三维模型，实现可3D打印的重建模型输出。

应该理解的是，虽然图3至图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。

综上所述，本发明提供的基于线结构光的多功能三维测量重建系统及其方法中，所述重建系统包括支架、第一采集组件、控制器以及数据处理装置，所述支架上固定安装有支撑平台和第一导轨，所述支撑平台上具有一托盘，所述托盘可旋转地安装在所述支撑平台上，所述第一采集组件可移动地安装在所述第一导轨上，所述第一采集组件包括第一激光器组和第一相机组，所述控制器用于控制所述托盘的转动、所述第一采集组件的移动和采集，使得所述多功能三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换。本发明通过设置两种不同的扫描方式，针对轴状物体采用轴向扫描重建方式，针对曲率大的物体采用环向扫描，从而实现具有针对性的精细重建。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于线结构光的多功能三维测量重建系统，其特征在于，所述多功能三维测量重建系统包括：

支架，所述支架上固定安装有支撑平台和第一导轨，所述支撑平台上具有一托盘，所述托盘可旋转地安装在所述支撑平台上，所述托盘的旋转轴线与所述支撑平台所在平面垂直，所述第一导轨沿第一方向延伸，所述第一方向与所述支撑平台所在平面垂直；

第一采集组件，所述第一采集组件可移动地安装在所述第一导轨上，所述第一采集组件包括第一激光器组和第一相机组；所述第一激光器组用于向待重建物体的表面投射第一激光，所述第一相机组用于获取所述第一激光照射在所述待重建物体表面上的图像、并将获取的图像发送至数据处理装置；

控制器，所述控制器与所述托盘、所述第一采集组件电连接，所述控制器用于控制所述托盘的转动、所述第一采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式和第二扫描模式间切换；以及

数据处理装置，所述数据处理装置用于接收所述第一相机组发送的图像，并根据所述第一相机组发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第一扫描模式为所述托盘旋转，所述第一采集组件不移动，且所述第一采集组件在所述托盘旋转过程中采集不同角度的图像；所述第二扫描模式为所述托盘不旋转，所述第一采集组件移动，且所述第一采集组件在所述第一采集组件移动过程中采集不同角度的图像；

所述数据处理装置进行三维模型的重建的步骤具体为：

S1、将图像组的图像分为多个图像块，每个图像块由若干个连续视角的图像组成，每个图像块均包括一关键帧图像，关键帧的位姿为运动轨迹下满足预定条件的位置，所述运动轨迹为所述托盘和/或所述第一采集组件的运动轨迹，各个所述图像块之间没有图像交集；

S2、选取所述图像组中的其中一个图像块，并获取选取的图像块中各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组；

S3、获取选取的图像块中的关键帧的位姿，并利用所述关键帧的位姿计算出所述图像块中的非关键帧的位姿；根据所述非关键帧的位姿与所述关键帧的位姿的相对姿态信息调整所述非关键帧的点云数据，以完成选取的图像块中的各个图像的点云拼接；

S4、重复步骤S2至S3，以完成所有图像块中的各个图像的点云拼接；

S5、利用各个图像块中的关键帧的位姿的相对姿态信息，调整各个图像块的点云数据组，以完成所有点云数据组的拼接。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统，其特征在于，所述支架上还固定安装有第二导轨，所述第二导轨沿第二方向延伸，所述第二方向与所述支撑平台所在平面平行，所述第一导轨和所述第二导轨分别位于所述托盘相邻的两侧；

所述多功能三维测量重建系统还包括第二采集组件，所述第二采集组件可移动地安装在所述第二导轨上，所述第二采集组件包括第二激光器组和第二相机组；所述第二激光器组用于向待重建物体的表面投射第二激光，所述第二相机组用于获取所述第二激光照射在所述待重建物体表面上的图像、并将获取的图像发送至所述数据处理装置；

所述控制器还与所述第二采集组件电连接，所述控制器还用于控制所述第二采集组件的移动和采集，使得所述三维测量重建系统能够在第一扫描模式、第二扫描模式和第三扫描模式之间切换；

所述数据处理装置还用于接收所述第二相机组发送的图像，并根据所述第二相机组发送的图像，进行三维模型的重建；

所述第三扫描模式为所述托盘不旋转，所述第二采集组件移动，且所述第二采集组件在所述第二采集组件移动过程中采集不同角度的图像。

3.根据权利要求2所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统，其特征在于，所述第二相机组和第二激光器组朝向背离托盘的方向。

4.根据权利要求2所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统，其特征在于，所述第一相机组中的各个相机相互通信连接，所述第二相机组中的各个相机相互通信连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于线结构光的多功能三维测量重建系统，其特征在于，所述控制器具体用于：

预设托盘旋转的角度，控制所述托盘按照预设角度进行多次转动；预设第一采集组件移动的距离，控制所述第一采集组件按照第一预设距离进行多次移动；预设第二采集组件移动的距离，控制所述第二采集组件按照第二预设距离进行多次移动。

6.一种基于线结构光的多功能三维测量重建方法，其特征在于，适用于权利要求1至5任一项所述的多功能三维测量重建系统，所述方法包括：

接收扫描选择指令，所述扫描选择指令用于指示是否切换为所述第一扫描模式或所述第二扫描模式；

根据所述扫描选择指令，确定所述托盘和/或所述第一采集组件的运动轨迹；

控制所述托盘和/或所述第一采集组件沿所述运动轨迹移动，并采集图像组，所述图像组由多个连续视角的图像组成；

根据所述图像组的图像，进行三维模型的重建。

7.根据权利要求6所述的多功能三维测量重建方法，其特征在于，步骤S1中，所述满足预定条件的位置为所述运动轨迹下间隔相同角度或相同长度的位置。

8.根据权利要求6所述的多功能三维测量重建方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

选取所述图像组中的其中一个图像块，获取所述采集组件中的各个相机的内参数和外参数；

利用三角测距法计算出其中一帧图像的各个像素点的深度信息；

根据所述图像的各个像素点的深度信息以及对应的相机内参数和外参数进行像素坐标系和世界坐标系的转换，并获取所述图像的点云数据；

获取选取的图像块的各个图像的点云数据，以得到选取的图像块的点云数据组。

9.根据权利要求6所述的多功能三维测量重建方法，其特征在于，所述方法还包括：

对拼接获得的点云模型进行三角化处理得到三维重建模型。

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