CN207637202U - 基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统。该系统包括线结构光发生器和单目相机；所述线结构光发生器用于发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成具有至少两个光线交点的交线图；所述单目相机用于采集待测物体的多视角图像。本实用新型利用线结构光与图像信息的结合获得待测物体的真实尺度三维重建模型，克服了基于图像信息的多视角三维重建缺少尺度信息的难题，同时也避免了IMU、POS和GPS等昂贵设备的使用，实现了低成本、高精度的真实尺度三维重建。

Description

基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统

技术领域

本实用新型属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统。

背景技术

多视图三维重建方法中的关键技术主要包括相机参数的恢复和多视图立体匹配。相机参数恢复也称为运动恢复结构，一般用于大规模的稀疏三维点云重构及相机位姿的估计。由于图像的获取过程涉及了光照、表面反射特性、三维场景几何形状特征，通过多视图立体匹配进行三维重建的本质，即在多幅视图上基于光照一致性约束的优化问题。基于单目多视角图像的三维重建方法，由于仅知道相机的内部参数，故得到的重建结果是一种度量重建。度量重建是一种在重建的模型中能保持直线夹角、线段长度比例关系的方法，但无法获得目标真实尺寸。换言之，所获得的目标模型与真实目标仅相差一个未知的尺度。

为了获得尺度信息，国内外主要采用IMU、POS和GPS系统等辅助得到真实的三维重建结果，高精度的IMU系统价格高昂，普通的IMU、POS、GPS 系统精度均较差，上述方法对于城市级别的大场景三维重建可以选用，但是对于小物体的三维重建则引入的误差过大；以GPS为例，精度为米级，远远不能满足高精确的真实尺度的三维重建需求。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，解决了现有的三维重建方法成本高、精度差的技术问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，其特殊之处在于：包括线结构光发生器和单目相机；所述线结构光发生器用于发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成具有至少两个光线交点的交线图；所述单目相机用于采集待测物体的多视角图像。

进一步地，上述线结构光发生器包括多个发生单元，所述发生单元包括激光器和柱面棱镜，所述激光器发出的激光光束斜入射柱面棱镜后发散生成线结构光。

进一步地，上述线结构光发生器中发生单元的数量为四个，其中两个发生单元产生竖直光平面，另外两个发生单元产生水平光平面；两个竖直光平面与两个水平光平面共同在待测物体表面生成“井”字型交线图。

本实用新型还提供一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建由线结构光发生器和单目相机构成的三维重建系统；

2)线结构光发生器发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成交线图，所述交线图中具有至少两个光线交点；

3)标定线结构光发生器与单目相机之间的距离和角度信息；

4)控制三维重建系统与待测物体之间产生相对运动，使单目相机拍摄得到待测物体在不同方位和角度的图像；

5)基于步骤4)拍摄的多视角图像求解得到归一化三维重建模型；

6)识别交线图中的光线信息，根据步骤3)标定的线结构光发生器与单目相机之间的关系解算得到交线图中多个光线交点的三维坐标M；

7)进行目标匹配，根据投影关系，计算确定光线交点在图像上的像素位置以及所述像素位置在归一化三维重建模型上的对应点坐标M′；

8)根据步骤6)和步骤7)中获得的两组坐标的对应关系得到尺度系数；

9)将步骤5)中的归一化三维重建模型乘以步骤8)中的尺度系数得到真实尺度三维重建模型。

进一步地，步骤1)中的线结构光发生器包括多个发生单元，所述发生单元包括激光器和柱面棱镜，所述激光器发出的激光光束斜入射柱面棱镜后发散生成线结构光。

进一步地，步骤2)中的线结构光的数量为四条，其中两条线结构光产生竖直光平面，另外两条线结构光产生水平光平面；两个竖直光平面与两个水平光平面共同在待测物体表面生成“井”字型交线图。

进一步地，步骤3)还包括调整单目相机的步骤，调整单目相机与线结构光发生器之间的距离和角度，使得线结构光产生的光线靠近单目相机的中心位置，然后标定调整后的线结构光发生器与单目相机之间的距离和角度信息。

进一步地，步骤4)中拍摄的相邻两幅图像之间的旋转角度小于5°。

进一步地，步骤5)中求解归一化三维重建模型的方法包括以下步骤：

5.1)提取特征点，并进行特征点匹配；

5.2)在已知单目相机内参的情况下，求解单目相机与待测物体之间的相对运动参数，得到稀疏的三维重建模型；

5.3)利用面片法得到稠密的归一化三维重建模型。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型利用线结构光与图像信息的结合获得待测物体的真实尺度三维重建模型，克服了基于图像信息的多视角三维重建缺少尺度信息的难题，同时也避免了IMU、POS和GPS等昂贵设备的使用，实现了低成本、高精度的真实尺度三维重建。

(2)相比于传统的线结构光三维重建方法，本实用新型仅利于线结构光产生特征完成尺度系数的计算而并未使用三角测量原理，因此可以用于远距离物体的三维重建。

(3)本实用新型充分考虑了三维重建的鲁棒性，如果仅仅依靠单目相机加四个激光点辅助的方法也可以进行三维重建，但是激光点不容易识别且定位时存在较大的误差，本实用新型在空间产生了四条相交的光线，线特征在图像中易于识别，提取四条线的交点信息，更加鲁棒。

附图说明

图1为本实用新型三维重建系统的一种较佳实施例结构示意图(正视图)。

图2为本实用新型三维重建系统的一种较佳实施例结构示意图(俯视图)。

图3为本实用新型三维重建系统中线结构光产生示意图。

图4为本实用新型中线结构光在待测物体表面形成的“井”字型交线图。

其中，附图标记为：1-单目相机，2-发生单元，3-激光器，4-柱面棱镜， 5-光平面。

具体实施方式

本实施例为一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建方法，主要包括以下步骤：

1)搭建由线结构光发生器和单目相机1构成的三维重建系统；参见图1 和图2，作为一种优选实施例，线结构光发生器包括四个呈矩形布置的发生单元2，每个发生单元均包括激光器3和柱面棱镜4。

如图3所示，激光器3发出的激光光束斜入射柱面棱镜4后发散生成线结构光。除此之外，也可以采用针孔滤波结合柱面透镜与球面镜组合成像法、直边菲涅耳衍射法、等腰棱镜衍射法、高速转镜扫描法等产生线结构光的方法。

2)线结构光发生器发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成交线图，交线图中具有至少两个光线交点。

对于具有四个呈矩形布置的发生单元的线结构光发生器而言，位于上方的两个发生单元可以产生竖直光平面，位于下方的两个发生单元可以产生水平光平面(或者位于上方的两个发生单元可以产生水平光平面，位于下方的两个发生单元可以产生竖直光平面)。两个竖直光平面与两个水平光平面共同在待测物体表面生成如图4所示的“井”字型交线图。

另外，如果采用具有六个发生单元的线结构光发生器，那么将在空间产生三个水平光平面和三个竖直光平面。

3)调整单目相机与线结构光发生器之间的距离和角度，使得线结构光产生的光线靠近单目相机的中心位置，以便于识别线结构光并且尽量减少由于镜头畸变产生的误差。然后标定调整后的线结构光发生器与单目相机之间的距离和角度信息，为解算激光束在空间中的坐标提供基础。

4)控制三维重建系统与待测物体之间产生相对运动，使单目相机拍摄得到待测物体在不同方位和角度的图像。具体可以是将三维重建系统相对于被测物体运动，在被测物体不同的方位和角度拍摄图像。相邻两幅图像之间的旋转角度小于5°，三维重建系统和待测物体之间的距离为单目相机能够大致拍摄到待测物体为佳；如果拍摄到待测物体的局部信息也能够进行三维重建；同理，三维重建系统不动，被测物体在空间旋转和平移产生相对于三维重建系统的运动也可以得出三维重建结果。

5)基于步骤4)拍摄的多视角图像求解得到归一化三维重建模型；具体包括以下步骤：

5.1)提取特征点，并进行特征点匹配；可采用SIFT算法提取特征点；

5.2)在已知单目相机内参的情况下，求解单目相机与待测物体之间的相对运动参数，得到稀疏的三维重建模型；

5.3)利用面片法得到稠密的归一化三维重建模型。

该步骤得到的三维重建结果缺少尺度信息。

6)识别交线图中的光线信息，根据步骤3)标定的线结构光发生器与单目相机之间的关系解算得到交线图中多个光线交点的三维坐标M；对应图4中的交线图，可以获得四个交点的三维坐标(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)、 (X₄,Y₄,Z₄) 。

7)进行目标匹配，根据投影关系，计算确定光线交点在图像上的像素位置以及所述像素位置在归一化三维重建模型上的对应点坐标M′；对应图4中的交线图，可以获得四个交点在归一化三维重建模型上的对应点坐标(X′₁,Y′₁, Z′₁)、(X′₂,Y′₂,Z′₂)、(X′₃,Y′₃,Z′₃)、(X′₄,Y′₄,Z′₄)。

8)根据步骤6)和步骤7)中获得的两组坐标的对应关系得到尺度系数。当交点数目≥2时，便可以确定尺度系数，从而得到目标的三维重建结果；为了保证重建结果的鲁棒性，采用四个交点可进行最小二乘求解得到精确的三维重建结果；本实用新型并不局限于提取四条直线的交点信息，利用两条光线的距离信息也可以完成尺度系数的确定，进而完成真实尺度的三维重建。

9)将步骤5)中的归一化三维重建模型乘以步骤8)中的尺度系数得到真实尺度三维重建模型。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下所做出若干简单推演或替换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，其特征在于：包括线结构光发生器和单目相机；所述线结构光发生器用于发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成具有至少两个光线交点的交线图；所述单目相机用于采集待测物体的多视角图像。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，其特征在于：所述线结构光发生器包括多个发生单元，所述发生单元包括激光器和柱面棱镜，所述激光器发出的激光光束斜入射柱面棱镜后发散生成线结构光。

3.根据权利要求2所述的基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，其特征在于：所述线结构光发生器中发生单元的数量为四个，其中两个发生单元产生竖直光平面，另外两个发生单元产生水平光平面；两个竖直光平面与两个水平光平面共同在待测物体表面生成“井”字型交线图。