專利名稱：三維彩色點云非接觸掃描方法
技術領域：
本發(fā)明屬于圖像三維信息重構的技術領域，涉及一種三維彩色點云非接觸掃描方法。
背景技術：
目前，非接觸彩色三維建模一般采用彩色紋理貼圖方法進行，這種方法精度不夠， 而且操作起來非常復雜，而黑白三維掃描系統(tǒng)物體拼接采用貼標記點的方式進行，這個過 程操作復雜，識別算法穩(wěn)定性不高，屬于一種半自動方法。用這種進行方法進行拼接時，物 體表面標記點作為參考點，系統(tǒng)可以根據(jù)不同角度的這些公共參考點，將其拼合在統(tǒng)一坐 標系內，從而獲得完整的三維掃描數(shù)據(jù)。準確識別這些參考點位置是整個系統(tǒng)關鍵，通常需 要人工輔助提高識別精度。如果這一步操作不當，在整個后續(xù)拼接過程就會出現(xiàn)三維點云 分層現(xiàn)象。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種操作簡單，精度高的三維彩
色點云非接觸掃描方法。 本發(fā)明的技術方案如下 三維彩色點云非接觸掃描方法，利用利用結構光投影機和兩個CCD攝像機采集圖 像，包括下列步驟 1)首先對整個系統(tǒng)進行初始化進行結構光投影機和CCD攝像機的焦距調節(jié)，使 其成像尺寸與被測物的實際大小做到匹配；調節(jié)完畢后，進行兩個CCD攝像機的鏡頭參數(shù) 標定處理，計算出兩個CCD攝像機的相對位置及鏡頭的焦距、主點、徑向及切向畸變；
2)接著進行被測物體單面圖像采集利用結構光投影機將多幅不同尺度的條紋 結構光透射到被測物體表面，利用兩個CCD攝像機采集多對帶有條紋結構的圖像，采集的 圖像被送入計算機后進行圖像預處理； 3)利用條紋光的相位信息對每幅條紋結構光投射到被測物體表面的彩色圖像進 行格雷空時編碼； 4)根據(jù)每對圖像像素同名相位位置和兩個CCD傳感器的相對位置計算出被測物 體的空間三維坐標； 5)利用三維空間線性插值法計算被測物體三維坐標點的彩色信息；
6)進行彩色圖像紋理特征的提?。? 7)根據(jù)計算出的三維坐標和其彩色信息，形成單面的彩色點云； 8)多面點云形成將被測物體旋轉一個角度，重新進行步驟2-7，形成一個新的彩
色點云面； 9)將新生彩色點云面與前次生成面紋理特征進行匹配，計算出兩幅面不同特征間 的馬氏距離，找到最近的距離匹配特征，根據(jù)其相對位置計算出兩幅點云面相對旋轉和平移，進而將兩幅彩色點云面歸一在同一個坐標下，完成基于紋理特征點的不同彩色點云面
拼接；重復上述過程，可以將旋轉多次彩色點云面歸一化在一個尺度下，從而完成整個被測
物體全拼接過程。 本發(fā)明的創(chuàng)新點有兩處 1、基于插值色彩的物體三維點云坐標形成與傳統(tǒng)黑白三維掃描系統(tǒng)相比，系統(tǒng) 紋理信息更加豐富，以前非接觸彩色三維建模都采用彩色紋理貼圖方法進行，這種方法精 度不夠，而且操作起來非常復雜，而本發(fā)明的直接生成彩色點云可以彌補這種缺陷；本發(fā)明 在進行三維數(shù)據(jù)重構的同時保持物體表面真彩顯示，較好的保留了被測物體本色，非常適 用于數(shù)字文物、古建筑測量等對紋理和色彩要求高的場合。 2、基于彩色紋理的自動拼接方法傳統(tǒng)黑白三維掃描系統(tǒng)物體拼接采用貼標記點 的方式進行，這個過程操作復雜，識別算法穩(wěn)定性不高，屬于一種半自動方法；本發(fā)明采用 了像素的局部色彩紋理特征匹配方法，能夠快速找到拼接曲面的同名特征點，通過換算它 們之間的相互旋轉和平移關系，將其歸一化在同一坐標系下，完成拼接轉換過程，該法屬于 自動拼接方法。本發(fā)明由于無需在物體表面粘貼任何參考點，就能夠完成拼接功能，與其 他的參考點法進行拼接的方法相比，大大提高了拼接效率。此外，系統(tǒng)也支持參考點拼接方 法，適用于被測物體表面紋理特征不明顯的場合。 3、本發(fā)明具有靈活的點云處理方法，即支持刪除、取消、分塊顯示等基本操作，又 可進行點云噪聲處理及修剪。三維點云的處理效率高，運算速度快，適合高精度物體掃描。 對三維圖像實現(xiàn)任意旋轉、縮放、局部縮放等操作。


圖1 :三維彩色點云掃描方法結構框圖。
圖2三維彩色點云處理工作流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用的三維掃描系統(tǒng)圖像采集單元由兩個彩色掃描攝像機和一個工業(yè)結 構光投影機組成，見圖1。整個掃描系統(tǒng)采用計算機控制，通過結構光投影機將不同分辨率 的8副條紋光投射到被測物體表面，與此同時計算機控制兩個CCD圖像傳感器采集每次投 射的彩色圖像，形成格雷空時編碼，計算機會根據(jù)兩幅圖像像素同名相位(即格雷空時編 碼相同)位置和兩個CCD傳感器的相對位置計算出被測物體空間三維坐標。
系統(tǒng)軟件處理主要流程如圖2所示首先對左右攝像機拍攝的圖像進行預處理， 進行紋理分析后將每一個紋理特征點保存下來，然后根據(jù)左右攝像機的空間位置解算圖像 像素的三維空間坐標，形成被測物體空間點云，最后根據(jù)點云紋理特征，通過插值方法將其 像素顏色還原出來，形成一個彩色點云面；通過旋轉被測物體，重復上述過程形成多個相互 交疊彩色點云面；最后系統(tǒng)根據(jù)點云面的紋理特征匹配程度將這些彩色點云面自動拼接出 來，形成被測物體的三維彩色點云。下面詳細介紹本發(fā)明的工作流程 (1)首先對整個系統(tǒng)進行初始化包括進行結構光投影機和CCD攝像機的焦距調 節(jié)，使其成像尺寸與被測物的實際大小做到匹配；調節(jié)完畢后，進行兩個CCD攝像機的鏡頭 參數(shù)標定處理，系統(tǒng)采用符合國家標準、精度達到0. 001mm的標靶進行圖像采集，然后采用張正友[2]標定方法計算出CCD的相對位置及鏡頭的焦距、主點、徑向及切向畸變，構造旋 轉矩陣R和平移矢量T，旋轉矩陣R = [rl， r2， r3 ;r4， r5， r6 ;r7， r8， r9]和平移矢量T = [tx， ty， tz];其中旋轉矩陣R和平移矢量T表示中第二個CCD相對于第一個CCD攝像機坐 標系原點的旋轉向量和位置平移向量。 (2)接著進行被測物體單面圖像采集將8幅(根據(jù)掃描精度要求，確定掃描的幅 數(shù))不同尺度的條紋結構光透射到物體表面，CCD圖像傳感器實時采集到帶有條紋結構的 圖像，經過計算機采集后進行圖像預處理； (3)利用兩CCD的相對位置和條紋光的相位信息，計算出圖像中每個像素的實際 三維坐標，像素的彩色信息采用如下的雙線性插值方法得到 通過結構光投影機將不同分辨率的8副條紋光投射到被測物體表面，兩個CCD圖 像傳感器采集每次投射的彩色圖像，形成格雷空時編碼，計算機會根據(jù)兩幅圖像像素同名 相位(即格雷空時編碼相同)位置和兩個CCD傳感器的相對位置計算出被測物體空間三維 坐標。 —般雙目CCD三坐標測量模型可用下式表示[1]: <formula>formula see original document page 5</formula>
已知焦距f"&、旋轉矩陣R和平移矢量T。公式里(&，Y》，(X2，Y2)分別為兩幅圖 里的同相位像素點。就可以得到被測物體點的三維空間坐標。該方法不僅能方便計算物體 表面的三維尺寸，而且保留下物體表面像素的彩色信息，與傳統(tǒng)黑白三維掃描相比，更加適 合數(shù)字文物，古建筑測量等色彩要求高的應用場合。 對于一個待計算像素，它的位置坐標可以表示為(i+u， j+v)(其中i、 j均為浮點 坐標的整數(shù)部分，u、 v為浮點坐標的小數(shù)部分，是取值[O，l)區(qū)間浮點數(shù))，則這個像素的 值P(i+u， j+v)可由原圖像中坐標為(i， j)、 (i+l， j)、 (i， j+l)、 (i+l， j+1)所對應的周圍 四個像素值決定，艮卩 <formula>formula see original document page 5</formula>式中P(i， j)表示圖像(i， j)處的像素值。 由于是對三維彩色空間中色彩進行插值，因此發(fā)明采用的是三維空間線性插值 法，它是在三維離散數(shù)據(jù)張量積網格上進行線性插值的方法。這個張量積網格可能在每一 維度上都有任意不重疊的網格像素點，但并不是三角化的有限元分析網格。網格上像素點 在局部矩形棱柱上線性地近似可以計算出點被測物體三維坐標點RGB(x， y， z)的色彩值；
(4)在處理同時，進行彩色圖像紋理特征的提取，系統(tǒng)利用基于小波紋理特征[3] [4]提取方法，將像素對應的局部特征記錄下來； (5)形成單面彩色點云根據(jù)計算出的三維坐標和其彩色像素信息，形成單面的 彩色點云。系統(tǒng)采用DirectX編程，可以方便控制三維彩色曲面得旋轉、縮放及局部刪除等 操作； (6)多面點云形成將被測物體旋轉一個角度，重新進行3-5步的操作，形成一個 新的彩色點云面，同樣記錄下成面上每個像素的色彩紋理信息；將新生彩色點云面與前次生成面紋理特征進行匹配，計算出兩幅面不同特征間的馬氏距離，找到最近的距離匹配特 征，根據(jù)其相對位置計算出兩幅點云面相對旋轉和平移，進而將兩幅彩色點云面歸一在同 一個坐標下，完成基于紋理特征點的不同彩色點云面拼接。重復上述過程，可以將旋轉多次 彩色點云面歸一化在一個尺度下，從而完成整個被測物體全拼接過程。
參考文獻 [1]周富強，邾繼貴，楊學友，葉聲華等，雙目視覺傳感器的現(xiàn)場標定技術，儀器儀 表學報，2000， 21 (2) ， 142-145 [2]Z. Zhang. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence,22(11) : 1330-1334，2000
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權利要求
三維彩色點云非接觸掃描方法，利用結構光投影機和兩個CCD攝像機采集圖像，包括下列步驟1)首先對整個系統(tǒng)進行初始化進行結構光投影機和CCD攝像機的焦距調節(jié)，使其成像尺寸與被測物的實際大小做到匹配；調節(jié)完畢后，進行兩個CCD攝像機的鏡頭參數(shù)標定處理，計算出兩個CCD攝像機的相對位置及鏡頭的焦距、主點、徑向及切向畸變；2)接著進行被測物體單面圖像采集利用結構光投影機將多幅不同尺度的條紋結構光透射到被測物體表面，利用兩個CCD攝像機采集多對帶有條紋結構的圖像，采集的圖像被送入計算機后進行圖像預處理；3)利用條紋光的相位信息對每幅條紋結構光投射到被測物體表面的彩色圖像進行格雷空時編碼；4)根據(jù)每對圖像像素同名相位位置和兩個CCD傳感器的相對位置計算出被測物體的空間三維坐標；5)利用三維空間線性插值法計算被測物體三維坐標點的彩色信息；6)進行彩色圖像紋理特征的提??；7)根據(jù)計算出的三維坐標和其彩色信息，形成單面的彩色點云；8)多面點云形成將被測物體旋轉一個角度，重新進行步驟2-7，形成一個新的彩色點云面；9)將新生彩色點云面與前次生成面紋理特征進行匹配，計算出兩幅面不同特征間的馬氏距離，找到最近的距離匹配特征，根據(jù)其相對位置計算出兩幅點云面相對旋轉和平移，進而將兩幅彩色點云面歸一在同一個坐標下，完成基于紋理特征點的不同彩色點云面拼接；重復上述過程，可以將旋轉多次彩色點云面歸一化在一個尺度下，從而完成整個被測物體全拼接過程。
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像三維信息重構的技術領域，涉及一種三維彩色點云非接觸掃描方法，利用利用結構光投影機和兩個CCD攝像機采集圖像，包括下列步驟進行被測物體單面圖像采集；利用條紋光的相位信息對每幅條紋結構光投射到被測物體表面的彩色圖像進行格雷空時編碼；根據(jù)每對圖像像素同名相位位置和兩個CCD傳感器的相對位置計算出被測物體的空間三維坐標；利用三維空間線性插值法計算被測物體三維坐標點的彩色信息；進行彩色圖像紋理特征的提?。桓鶕?jù)計算出的三維坐標和其彩色信息，形成單面的彩色點云；形成多面點云形成；并進行不同彩色點云面拼接。本發(fā)明的三維彩色點云非接觸掃描方法，具有操作簡單，精度高的優(yōu)點。
文檔編號G06T17/00GK101739717SQ20091022850
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權日2009年11月12日
發(fā)明者楊岳, 馬杰, 高陽, 魏兵 申請人:天津匯信軟件有限公司