本发明专利技术涉及一种利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法，该方法将物体放在电动二维旋转台上，根据视点最优规划，控制WNSC400精确的调整各最优视点所需的旋转角度，利用PCL点云库对点云进行滤波，分割，采样，配准，能够快速重建出未知物体的三维模型。该方法不仅重建速度快，实用性好，而且操作简单，重建成本低，容易操作，重建效果好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及快速自动三维重建
，特别是一种利用单目结构光和电动二维 旋转平台快速获取未知物体的三维模型的自动重建方法。
技术介绍
人类对外部世界的感知主要是依靠视觉。据研究，人类通过自身感官所获得的外 界信息，有80%来源于视觉。而视觉本身是一个能够感受光信号，并可以传输、处理、存储与 理解视觉信息的过程。随着科技的发展与人类的进步，人们开始通过摄像机模仿人眼获取 环境图像，并将其转换成数字信号，然后通过计算机实现对视觉信息的处理，这就是计算机 视觉。另一方面，由于工业生产等方面的需要，使得人们对物体外形的测量技术不断提出新 的要求。而计算机视觉的发展，使人们渐渐意识到这将引起测量技术尤其是非接触式测量 技术的重大变革。 随着科学技术和工业生产的迅猛发展，许多领域都需要对三维物体的形状进行快 速准确的测量。而且，随着计算机技术的发展以及数字成像装置、激光器和其他光电元件的 出现，三维形状测量技术已逐渐成熟，并根据各自特点广泛应用于机器人视觉，自动制造和 产品质量控制等不同领域。三维测量技术根据测量方式的不同可分为两大类，即接触式测 量和非接触式测量。传统的三维测量方法是接触法，如三坐标机，它用可以精确定位的测头 去接触物体表面，测出被接触点的空间坐标。测头在物体表面扫描一遍，就可以得到物体表 面各点的空间坐标.以三坐标机为代表的接触式测量技术在精度上是其他方法所不能替代 的，但是接触式测量固有的一些缺陷也同样限制了其自身的发展。第一，测头在与被测物接 触时会产生一定程度的压力，这种压力足以使柔软物体的表面产生微小形变，因而影响测 量结果；第二，理想测头应该是一个表面积为零的点，而实际中的测头表面积不可能为零， 所以无法测量某些复杂表面的细微特征：第三，逐点测量的方式限制了测量的速度，不适合 对表面积较大的物体进行测量。第四，与精密被测物接触还会导致其表面磨损，同时也会使 测头本身造成损伤，限制了测量次数和精度。因此，接触式测量的缺陷来源于三维测量技 术，己成为各国研究的热点，它弥补了接触式测量的不足，虽然测量精度不能与接触式测量 相比，但是随着计算机与微电子技术的进步，这一问题也正在得到解决。基于视觉的非接触 式三维测量是以三维视觉传感器所获得的深度图像来恢复物体的三维形状。这种非接触三 维测量技术具有效率高、自动化程度高、造价较低等优点，在工业生产和现实生活中有着广 阔的应用前景。 准确和高效率的三维测量方法不仅是三维重建的基础，而且也是快速、自动的进 行三维重建所必须的。现有的三维模型测量方法分接触式测量和非接触式测量两种。 1、接触式测量：接触式测量主要是使用一些机械式的手工测量仪器或由接触式传 感器组成的电子测量仪器，其中以手工测量为主。手工测量的工具主要包括：布带尺、钢卷 尺、划笔、量高仪、踏脚印器和量脚卡尺。手工测量从测量方法上又分为直接法和间接法。直 接法比较简单。首先用笔在脚的特征部位上标出有关测量点，利用布带尺、量高仪等工具可 以直接测量出脚的各个有关数据。间接法利用脚印器踏出脚印并绘制出脚的轮廓线，然后 再进行测量分析。接触式脚型测量的优点是投资少、操作步骤简单、灵活性强、方便携带、便 于短时间内在不同的测量地点进行测量。缺点是接触式测量方式会对脚部产生压力，引起 脚部形变，造成测量误差，测量时间长，而且测量的脚部参数有限，有些较复杂的参数或曲 线无法测量，工作效率低、劳动强度大、重复再现性差、测量者之间的误差大，同时，这种测 量方式难以获得脚部整体的数据信息。也不能对脚的截面形态进行数据采集。无法进行更 深层次的研究。 2、非接触式测量：在计算机、光学等学科发展的带动下。光学非接触式测量作为近 年来兴起的一门测量技术受到越来越多的重视。目前，光学非接触式测量方法主要有构光 测量、立体视觉测量、激光测量等。 (1)结构光测量：结构光三维视觉基于光学三角法原理，其基本原理是由结构光投 射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机）获 得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有 计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。但 是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度与速度相互矛盾，难以同时得到提 商。 (2)立体视觉测量：在计算机视觉系统中，利用两台位置相对固定的摄像机或一个 摄像机在两个不同的位置，从不同角度同时获取同一景物的两幅图像，通过计算空间点在 两幅图像中的视差来获得其三维坐标值。立体视觉方法最大的特点是拍摄速度快，可以在 不到一秒时间内完成拍摄任务，适合于需要快速测量场合。但立体视觉方法数据处理量大， 处理时间长，而且需要进行两幅图像的匹配，在物体表面灰度和面形变化不大时，会影响匹 配和测量精度。 (3)激光测量：由一个多边形镜头定位的一根直线可视激光束，通过高频扫描来对 物体表面进行扫描测量；应用三角定律，激光束在物体表面经反射后由激光接受器接收，然 后经计算获得物体表面的坐标。激光扫描可以可以精确地提供三维环境信息，数据处理简 单，受环境影响小。但成本高，精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。 三维重建技术近年来发展迅速，这主要得益于科学技术的发展，三维重建成本的 降低，特别是三维重建技术的成熟，结构光系统的迅速发展，极大地激发了广大研究者将三 维重建技术应用到医学、娱乐、机械等各研究领域。 本专利所用的系统包含短焦相机、投影仪、WNSC400,以及相对应的软件设备。该重 建技术利用格雷码与相移相结合的方法，根据三角测量原理对放入WNSC400上的物体进行 三维测量，由视点1分析未知物体的几何及拓朴信息，从而相继得到其它视点的三维信息， 由几个视点配准得到完整的三维模型。 与人工测量和其他三维扫描测量相比，该系统的优势在于：（1)能够快速对未知 物体进行三维测量；（2)能自动对视点进行拼接，快速完成整理模型的重建；（3)结构光系 统价格低廉，使用成本低；（3)操作简单，用户能快速掌握其原理。
技术实现思路
本专利技术涉及一种，该方 法不仅重建速度快，实用性好，而且操作简单，重建成本低，容易操作，重建效果好。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种利用单目和二维平台获取物体图像 信息及三维模型的方法，包括以下步骤： (1) 快速重建：首先标定出相机与投影仪的内外参数，根据格雷码与相移结合的方法， 利用单目结构光中的短焦获取图像信息，对未知物体进行三维重建，由三角测量原理得到 某一视点的点云数据，剔除杂点，得到该视点下的三维模型； (2) 视点规划：用户将待重建物体放在WNSC400(电动二维旋转台）上，利用相机获取 该视点下的几何信息及拓朴信息，通过比较左右参考位置下所获可视面积的大小，取大者 所在位置作为下一视点的位置，最后通过规划自终止判据，判断是否完成重建； (3) 配准点云：将视点1-n重建出来的三维点云，将点云数据转化到视点1坐标系下， 利用PCL点云库读取点云，进行ICP(迭代最近点算法）迭代，当迭代趋于稳定，配准结束， 去除重合区域点云，分析重建本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）快速重建：首先标定出相机与投影仪的内外参数，根据格雷码与相移结合的方法，利用单目结构光中的短焦获取图像信息，对未知物体进行三维重建，由三角测量原理得到某一视点的点云数据，剔除杂点，得到该视点下的三维模型；（2）视点规划：用户将待重建物体放在二维旋转台上，利用相机获取该视点下的几何信息及拓朴信息，通过比较左右参考位置下所获可视面积的大小，取大者所在位置作为下一视点的位置，最后通过规划自终止判据，判断是否完成重建；（3）配准点云：将视点1‑n重建出来的三维点云，将点云数据转化到视点1坐标系下，利用PCL点云库读取点云，进行ICP迭代最近点算法迭代，当迭代趋于稳定，配准结束，去除重合区域点云，分析重建出的点云数据，获得物体的完整三维模型。
【技术特征摘要】
1. 一种利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法，其特征在于，包括 以下步骤： (1) 快速重建：首先标定出相机与投影仪的内外参数，根据格雷码与相移结合的方法， 利用单目结构光中的短焦获取图像信息，对未知物体进行三维重建，由三角测量原理得到 某一视点的点云数据，剔除杂点，得到该视点下的三维模型； (2) 视点规划：用户将待重建物体放在二维旋转台上，利用相机获取该视点下的几何信 息及拓朴信息，通过比较左右参考位置下所获可视面积的大小，取大者所在位置作为下一 视点的位置，最后通过规划自终止判据，判断是否完成重建； (3) 配准点云：将视点1-n重建出来的三维点云，将点云数据转化到视点1坐标系下， 利用PCL点云库读取点云，进行ICP迭代最近点算法迭代，当迭代趋于稳定，配准结束，去除 重合区域点云，分析重建出的点云数据，获得物体的完整三维模型。2. 根据权利要求1所述的利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法， 其特征在于，所述步骤（1)包括以下步骤： (1. 1)内外参数的标定：根据张正友标定方法，利用matlab标定工具箱，标定出投影仪 和短焦相机的内参数矩阵，再利用棋盘格标定出短焦与投影仪的R (旋转)、T (平移）矩阵， 从而标定得到内外参数； (1.2)根据格雷码与相移结合的方法，利...
【专利技术属性】
技术研发人员：何炳蔚，赵强，李海榕，雷阿唐，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35
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