CN113624159A - 微型激光三维模型重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微型激光三维模型重建系统及方法，本三维模型重建系统包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台；三维模型重建方法包括系统标定、三维扫描、数据反求及处理三部分。其中，系统标定建立了一张联系图像点坐标与三维坐标的对应查找表，以此建立图像点与三维坐标之间的对应关系；三维扫描方法采用三步相移法完成，通过软件控制激光振镜投射三幅等相移量的正弦光栅条纹，CCD相机结合旋转工作台捕捉并获取多个视角的图像；数据反求及处理部分采用三步相移算法和经典相位展开算法，计算得到物体的点云三维坐标数据，完成三维模型的重构。

Description

微型激光三维模型重建系统及方法

技术领域

本发明属于结构光三维重建技术领域，涉及一种微型激光三维模型重建系统及方法。

背景技术

三维模型重建技术即在计算机内生成物体三维表示，其主要有两类方法。一类是使用三维建模软件生成物体三维几何模型，比如:3DMAX、Maya、UG、Solidworks等等；另一类是指利用二维投影恢复物体三维信息的数字过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。

基于上述两种方法，中国发明专利——申请号为CN201410243056.X涉及“一种基于光栅扫描的数字化三维重建系统及方法”公开了一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建系统,包括管理单元、数据采集单元、数据处理单元和三维重建单元；利用光栅扫描设备和软件并进行颜色贴图和材质复原实现对物体的三维重建。其三维重建系统硬件设施复杂，设备体积大；光栅扫描方法采用数字化DLP投影仪，与激光振镜投射光栅相比具有成像精度低、投影图像易失帧、人工调节速度慢等缺点。

发明内容

为了克服现有的三维数字化重建系统及方法的如下缺点：

1.三维数字化重建系统设备体积大，硬件设施复杂，技术成本高；

2.图像特征点提取方法恢复物体三维形貌速度慢，对于结构复杂的物体易出错；

3.数字化DLP投影仪投影图像易失帧造成的成像精度低、人工调节速度慢。

本发明提供一种微型激光三维模型重建系统及方法，该方法采用激光振镜投射光栅，使用FPGA编程控制激光振镜产生三幅等相移量的光栅图像，并投射到物体表面，由CCD相机获取变形条纹图，采用标准的三步相移算法计算光栅图像的相位主值，由相位计算模型提取相位，最后通过激光三角测量方法和高度映射公式计算出物体的三维坐标数据。其优势在于具有较高的成像精度，克服了背景技术中存在的投影图像易失真、人工调节速度慢的缺点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微型激光三维模型重建系统，其特点是包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台。

红绿蓝三色激光器通过高反镜和合束镜使合成光路进入激光振镜；激光振镜由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机对应采集三帧变形条纹图；CCD相机与旋转工作台在同一高度，旋转工作台由自身的步进电机控制旋转。

本发明还提供了一种相应的微型激光三维模型重建方法，包括以下步骤：

步骤1.系统标定

首先使用CCD相机采集三维靶标特征点数据，并提取其对应的二维图像坐标，利用标定算法精确获取相机参数；投影设备标定采用将坐标已知的二维特征点图案投射到靶标板上，CCD相机采集特征图案并提取特征点，利用CCD相机的标定参数和靶标板当前三维值，计算特征点的三维坐标值，进而获取投影设备的输入数据参数。

步骤2.三维扫描

通过计算机控制激光振镜产生三幅等相移量的正弦光栅，投射到物体表面；同时计算机实时控制旋转工作台以预设的步幅移动，使物体能够完全被激光扫描，同时CCD相机实时捕捉图像并存储入计算机中。

步骤3.数据反求及处理

剪裁图像，去除图像非有效照射部分和环境图像等冗余信息；采用阈值分割算法对图像进行二值化处理使图像具有更明显的黑白效果，提取变形的光栅条纹使用相位展开算法得到物体的三维坐标数据；最后对伪数据做剔除处理和断线插补处理。

本发明的有益效果是：由于采用激光振镜投影光栅条纹，降低了系统设备成本，解决了图像特征点提取方法速度慢和DLP投影技术易失帧的不足，提高了系统的扫描精度和效率。

附图说明

图1为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的系统标定示意图；

图1中，1为计算机，2为激光振镜，3为CCD相机；

图2为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的硬件设施图；

图2中，2为激光振镜，3为CCD相机，4为红绿蓝三色激光器，5为高反镜，6为合束镜，7为旋转工作台；

图3为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的三幅等相移量的光栅图像；

图4为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的方法流程图；

图5为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的伪数据处理和断线插补处理的具体步骤流程图；

图6为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的系统测量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

系统实施例：

一种微型激光三维模型重建系统，包括计算机1、激光振镜2、CCD相机3、红绿蓝三色激光器4、高反镜5、合束镜6和旋转工作台7。

CCD相机3和激光振镜2与计算机1以USB方式相连接，由红绿蓝三色激光器4发射的激光通过高反镜5和合束镜6使合成光路进入激光振镜2；激光振镜2由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机3对应采集三帧变形条纹图；CCD相机3与旋转工作台7在同一高度，旋转工作台7由自身的步进电机控制旋转。

方法实施例：

参照图4，为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的方法流程图。

步骤1、三维重构的系统标定。

本发明采用的系统标定方法的原理参照图1的系统标定示意图，进而建立了一张联系图像点坐标与三维坐标的对应查找表，该方法即通过在光平面上放置一块特征点三维坐标已精确知道的系统标定板，再经过测量特征点点阵的图像坐标并以像素表示，以此建立图像点与三维坐标之间的对应关系；通过MATLAB软件记录下每个点的图像坐标及世界坐标，测量时其余点坐标按照一定的步长并通过插值法求出；该系统标定步骤如下：

步骤1.1:参照图1，建立系统标定示意图的系统标定结构及参考坐标系；

步骤1.2:激光打印一张特征点三维坐标已精确知道的系统标定板；

步骤1.3:将系统标定板置于投射光平面与CCD相机3的有效范围内，系统标定板垂直于激光振镜2光心方向；

步骤1.4:拍摄一张图像并检测图像中的特征点；

步骤1.5:为特征点编号，记录每个特征点的索引号、图像坐标(X,Y)与世界坐标(Xw，Yw，Zw)；

步骤1.6:重复步骤1.3、1.4、1.5，多次取平均值，将最后结果填入对应查找表。

步骤2、三维重构的三维扫描。

参照图2的硬件设施图，本发明的微型激光三维模型重建系统包含如下设备：计算机1、激光振镜2、CCD相机3、红绿蓝三色激光器4、高反镜5、合束镜6、旋转工作台7。

步骤2.1：打开红绿蓝三色激光器4调节光路，然后通过高反镜5和合束镜6使合成光路进入激光振镜2。

步骤2.2：本发明采用三步相移法实现物体三维图像信息的获取，具体为使用FPGA编程控制激光振镜2产生三幅等相移量的光栅图像，三幅等相移量的光栅图像参照图3为本发明所述的微型激光三维模型重建系统的三幅等相移量的光栅图像。

步骤2.3：将该三幅图像依次投射到被测物体表面，光栅条纹经被测物体表面调制后发生变形，被测物体的高度信息包含在这些发生变形的条纹相位信息中，找到相位和高度的映射关系就可以重构出被测物体的高度。

步骤2.4：为获得物体360°的三维信息，本发明采用计算机实时控制旋转工作台7以预设的步幅移动，CCD相机3实时捕捉图像并存储入计算机。

步骤3、三维重构的数据反求及处理。

步骤3.1：对由CCD相机3获取到的图像进行预期处理，包括如下步骤：

步骤3.1.1：剪裁图像，去除冗余信息。

捕捉获得的物体图像包含大量无用信息，包括物体非有效照射部分、环境图像等，需要进行必要处理，以提高处理速度。

步骤3.1.2：图像二值化。

采用阈值分割算法对图像进行二值化处理，将光栅条纹与背景分离，使物体图像中的光栅条纹像素值基本为0，即黑色；其余的背景像素值基本为225，即为白色。此步骤将图像的噪声降到最低，信息量大大减少，对提高后续图片处理速度至关重要。

步骤3.1.3：提取条纹。

对于表面反射情况较好，图像对比度和清晰度较高的场合，采用几何中心法提取条纹中心点；而对于较复杂的情况采用如下方法完成：

(1)光条图像滤波

(2)光条图像分割

(3)光条的中心坐标计算

步骤3.1.4：伪数据剔除处理和插补处理。

若物体表面情况复杂，造成条纹光栅的堆积、错位或条纹相对初级的不确定，获得错误的物体表面信息即伪数据；此外由于其他原因造成得到的条纹图像是部分缺失的，即出现断线。因此需要进行伪数据剔除处理和断线插补处理，参照图5，为本发明所述微型激光三维模型重建系统的伪数据处理和断线插补处理的具体步骤流程图。

步骤3.2：三步相移法解包裹计算。

采用数字相移法得到物体的三维坐标数据，三步相移法计算被测物体的包裹相位原理如下：

一幅理想的数字条纹图像的灰度；表达式如下

I(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[Φ(x,y)] (1)

其中，I'(x,y)是平均灰度，或是背景灰度，I”(x,y)是灰度调制值；Φ(x,y)是要求解的相位场。

理想的三幅相移条纹图像的灰度表达式如下

I₁(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[Φ(x,y)-2π/3] (2)

I₂(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[Φ(x,y)] (3)

I₃(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[Φ(x,y)+2π/3] (4)

联立式(2)、式(3)和式(4)可得到式(5)。把由式(5)得到的相位解包裹即可得到经被测物体调制后的相位和高度的映射关系

系统测量示意图参照图6，该测量系统减少了CCD相机3和激光振镜2之间的约束关系，CCD相机3和激光振镜2可以分在两个平面，CCD相机3和激光振镜2的光心可以在不同的参考面上，通过计算可得到相位和高度的关系式

1/h(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)/ΔΦ(x,y) (6)

h(x,y)为(x,y)点的高度；ΔΦ(x,y)为被测物体相对参考平面的相位差；a(x,y)和b(x,y)为关系因子，通过系统标定获得。

步骤3.3：相位展开。

由上述公式(5)计算得到的相位差ΔΦ(x,y)是相位的主值，即一个周期内的值，因此出现相位的不连续性，为了计算物体的真实高度必须将原来卷折的相位展开成连续分布的相位，采用传统的相位展开算法进行相位展开。传统的相位展开算法系现有技术，在此不做赘述。

步骤3.4：采用激光三角测量方法和高度映射公式(5)计算出物体的三维坐标数据。

Claims (3)

1.一种微型激光三维模型重建系统，其特征在于：包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台。

2.根据权利要求1所述的微型激光三维模型重建系统，其特征在于：CCD相机和激光振镜与计算机相连接，红绿蓝三色激光器通过高反镜和合束镜使合成光路进入激光振镜；激光振镜由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机对应采集三帧变形条纹图；CCD相机与旋转工作台在同一高度，旋转工作台由自身的步进电机控制旋转。

3.一种采用权利要求1或2的微型激光三维模型重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、系统标定。

首先使用CCD相机采集三维靶标特征点数据，并提取其对应的二维图像坐标，利用标定算法精确获取相机参数；投影设备标定采用将坐标已知的二维特征点图案投射到靶标板上，CCD相机采集特征图案并提取特征点，利用CCD相机的标定参数和靶标板当前三维值，计算特征点的三维坐标值，进而获取投影设备的输入数据参数。

步骤2、三维扫描。

通过计算机控制激光振镜产生三幅等相移量的正弦光栅，投射到物体表面；同时计算机实时控制旋转工作台以预设的步幅移动，使物体能够完全被激光扫描，同时CCD相机实时捕捉图像并存储入计算机中。

步骤3、数据反求及处理。

剪裁图像，去除图像非有效照射部分和环境图像等冗余信息；采用阈值分割算法对图像进行二值化处理使图像具有更明显的黑白效果，提取变形的光栅条纹使用相位展开算法得到物体的三维坐标数据；最后对伪数据做剔除处理和断线插补处理。

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