一種基于十字結(jié)構(gòu)光的物體表面三維重建方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于十字結(jié)構(gòu)光的物體表面三維重建 方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 線結(jié)構(gòu)光三維檢測技術(shù)主要用于測量物體幾何參數(shù)或恢復(fù)物體深度信息，其具有 非接觸、大量程、速度快、精度高、算法穩(wěn)定、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。隨著科技的不斷更 新發(fā)展，結(jié)構(gòu)光檢測技術(shù)現(xiàn)已逐步應(yīng)用于工業(yè)自動檢測、航天航空、人體工學(xué)、生物醫(yī)療及 食品檢測中。目前在線結(jié)構(gòu)光檢測系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的為一字結(jié)構(gòu)光，例如加拿大學(xué)者 Samuel J. Lochner將其應(yīng)用于足部掃描制造出可供醫(yī)用的模型，西班牙學(xué)者Samuel verdii 用其實現(xiàn)對面包發(fā)酵過程的監(jiān)測等。但一字結(jié)構(gòu)光存在當(dāng)與掃描物體邊緣平行時容易丟失 邊緣信息，或當(dāng)掃描界面狹窄時數(shù)據(jù)量較少需要多次掃描等缺陷，尚待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體三維重建的方法和三維重建 系統(tǒng)，所述三維重建方法和三維重建系統(tǒng)通過十字結(jié)構(gòu)光掃描物體得到物體的幾何參數(shù)信 息或?qū)ξ矬w表面進(jìn)行重建，可以避免一字結(jié)構(gòu)光邊緣信息丟失的情況，具有較好的時效性。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的方法， 其特征在于包括以下步驟：
[0005] 步驟1 :標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)，包括十字結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定和運(yùn)動方向標(biāo)定；
[0006] 步驟2 :提取光條中心，獲得兩條激光光條中心亞像素級坐標(biāo)；
[0007] 步驟3 :實現(xiàn)三維重建，通過上述系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及光條中心提取，解得激光平面所 掃描到的物體表面三維坐標(biāo)點(diǎn)；
[0008] 步驟4 :物體信息的獲取，通過擬合物體表面三維坐標(biāo)點(diǎn)得到物體的幾何參數(shù)。
[0009] 作為優(yōu)選，所述步驟1中，十字結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定包括以下步驟：
[0010] 步驟1-1 :變換靶標(biāo)的姿態(tài)，攝像機(jī)拍攝同一個姿態(tài)下無/有激光照射的靶標(biāo)圖像 兩幅；
[0011] 步驟1-2 :針對無激光照射時的靶標(biāo)圖像，利用張正友方法標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參矩 陣K和外參矩陣[R|t];
[0012] 步驟1-3 :調(diào)整攝像機(jī)模式，在高動態(tài)模式下拍攝有激光照射的靶標(biāo)圖像，針對帶 激光光條的靶標(biāo)圖像，用步驟1-4的方法標(biāo)定兩個激光平面的參數(shù)；
[0013] 步驟1-4 :首先采用OTSU閾值法分割有激光照射的靶標(biāo)圖像，提取兩條激光光條 條紋；其次基于RANSAC算法得到圖像坐標(biāo)系下的兩條激光光條直線方程，按斜率對激光光 條分類；然后求取攝像機(jī)坐標(biāo)系下的射影平面方程及靶標(biāo)平面方程，得到激光光條的空間 直線方程，從而求取激光平面法向[a，b，c] T;最后以激光光條到激光平面的距離為代價函 數(shù)，建立下式所示優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)求解激光平面方程的參數(shù)d，
[0015] 所述步驟1中，運(yùn)動方向標(biāo)定包括以下步驟：
【主權(quán)項】
1. 一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1 :標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)，包括十字結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定和運(yùn)動方向標(biāo)定； 步驟2 :提取光條中心，獲得兩條激光光條中心亞像素級坐標(biāo)； 步驟3 :實現(xiàn)三維重建，通過上述系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及光條中心提取，解得激光平面所掃描 到的物體表面三維坐標(biāo)點(diǎn)； 步驟4 :物體信息的獲取，通過擬合物體表面三維坐標(biāo)點(diǎn)得到物體的幾何參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的方法，其特征 在于：所述步驟1中，十字結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定包括以下步驟： 步驟1-1 :變換靶標(biāo)的姿態(tài)，攝像機(jī)拍攝同一個姿態(tài)下無/有激光照射的靶標(biāo)圖像兩 幅； 步驟1-2 :針對無激光照射時的靶標(biāo)圖像，利用張正友方法標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參矩陣K和 外參矩陣[R|t]; 步驟1-3 :調(diào)整攝像機(jī)模式，在高動態(tài)模式下拍攝有激光照射的靶標(biāo)圖像，針對帶激光 光條的靶標(biāo)圖像，用步驟1-4的方法標(biāo)定兩個激光平面的參數(shù)； 步驟1-4 :首先采用OTSU閾值法分割有激光照射的靶標(biāo)圖像，提取兩條激光光條條紋； 其次基于RANSAC算法得到圖像坐標(biāo)系下的兩條激光光條直線方程，按斜率對激光光條分 類；然后求取攝像機(jī)坐標(biāo)系下的射影平面方程及靶標(biāo)平面方程，得到激光光條的空間直線 方程，從而求取激光平面法向[a b c]T;最后以激光光條到激光平面的距離為代價函數(shù)，建 立下式所示優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)求解激光平面方程的參數(shù)d，
所述步驟1中，運(yùn)動方向標(biāo)定包括以下步驟： 步驟1-5 :將靶標(biāo)固定于移動平臺上做直線運(yùn)動，連續(xù)拍攝無激光照射時的靶標(biāo)圖像η 張（η>2)，得到每幀圖像的外參矩陣[R|t]，用最小二乘法對t直線擬合，得到運(yùn)動方向參 數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的方法，其 特征在于：所述步驟2中，提取光條中心包含以下步驟： 步驟2-1 :采用OTSU雙閾值法分割出激光光條條紋； 步驟2-2 :采用幾何中心法提取初始激光光條中心； 步驟2-3 :通過求取Hessian矩陣得到光條紋的法線方向，其中Hessian如下式所示，
g(x，y)為二維高斯函數(shù)，Hessian矩陣特征值絕對值的極大值對應(yīng)的特征向量就是法 線方向； 步驟2-4 :由灰度重心法得到激光光條中心亞像素級坐標(biāo)； 步驟2-5 :利用Hessian矩陣得到的法線方向確定產(chǎn)生該光條的激光平面，由法線方向 的不連續(xù)性剔除錯誤的點(diǎn)。
4. 一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述方法的三維重建系統(tǒng)，其特征在于：包括機(jī)架、通過水平導(dǎo) 軌安裝在機(jī)架上的移動平臺（2)、驅(qū)動移動平臺的絲桿以及電機(jī)、固定在移動平臺上方的十 字激光投射器（3)以及攝像機(jī)（4)，所述電機(jī)通過運(yùn)動控制卡與計算機(jī)連接，攝像機(jī)通過圖 像采集卡與計算機(jī)（5)連接。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于十字結(jié)構(gòu)光的物體表面三維重建方法和系統(tǒng)。目的是提供的三維重建方法和三維重建系統(tǒng)通過十字結(jié)構(gòu)光掃描物體得到物體的幾何參數(shù)信息或?qū)ξ矬w表面進(jìn)行重建，可以避免一字結(jié)構(gòu)光邊緣信息丟失的情況，具有較好的時效性。技術(shù)方案是：一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1：標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)；步驟2：提取光條中心；步驟3：實現(xiàn)三維重建；步驟4：物體信息的獲取。一種基于十字結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)物體表面三維重建的系統(tǒng)，包括機(jī)架、移動平臺、絲桿以及電機(jī)、十字激光投射器以及攝像機(jī)，電機(jī)與計算機(jī)連接，攝像機(jī)通過圖像采集卡與計算機(jī)連接。
【IPC分類】G06T17-00, G01B11-24, G06T7-00
【公開號】CN104677305
【申請?zhí)枴緾N201510071721
【發(fā)明人】吳珊珊, 賀磊盈, 武傳宇
【申請人】浙江理工大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月11日