快速高精度三维面形重构方法技术

本发明专利技术公开了一种快速高精度三维面形重构方法，通过对待测物体投影7幅可见光的条纹图案，利用多频条纹相移法和相机与投影仪之间的标定参数可以获得左右两个相机视角下待测物体的三维数据，利用迭代最近点算法(ICP)对左右两个视角的三维信息进行计算得到二者之间的旋转、平移矩阵，进而对其融合，进而实现两个视角下待测物体的三维数据的拼接。本发明专利技术仅需要投影7幅条纹图案，在保证高精度的前提下保证了测量速度，并且利用ICP算法对两个视角下的待测物体三维数据进行融合，保证了测量数据的完整度。

【技术实现步骤摘要】
快速高精度三维面形重构方法
本专利技术属于光学测量
，具体为一种快速高精度三维面形重构方法。
技术介绍
三维面形测量技术经过几十年的研究，其中光学三维测量技术凭借非接触、高精度和高速度等优势成为当今最具发展前景的三维形貌测量技术。根据是否需要主动光源照明，基于计算机视觉理论的非接触式的三维数据获取技术大致可分为主动式和被动式两类。被动式测量一般不需要借助于主动光源，而仅仅是在自然光照下利用普通摄像机获取被测物体的多幅图像，然后根据立体视觉技术来计算出物体的空间三维坐标。而主动式测量是通过测量系统主动在被测物体表面发射可控光束，如激光、结构光等，然后采集光束在物体表面上所形成的图像，通过几何关系计算出被测物体表面的空间三维坐标。目前，脉冲激光测距法被大多数的三维激光扫描仪采用。数字散斑相关方法是以物体表面的灰度信息为基础，通过对被测物体移动或变形前后表面灰度值信息的分析，对被测物体全场位移和应变进行量化分析的一种新型光学测量方法。基于散斑编码的方法虽然可以一定程度上提高双目匹配的精度和效率，但是散斑编码算法中的相关系数的计算依然比较费时，另外，散斑编码还比较容易受到光强噪声的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种快速高精度三维面形重构方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种快速高精度三维面形重构方法，包括：步骤1：构建物体测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于测量范围内的待测物体；步骤2：通过投影仪向待测物体投影7幅条纹图案，同时左右两个相机同步采集被待测物体表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下待测物体的相位；利用相机与投影仪之间的标定参数，将待测物体的相位信息转换为三维信息，获得左右两个视角下待测物体的三维数据；步骤3：利用ICP迭代算法获得两个视角下的三维数据之间的旋转、平移矩阵，基于得到的旋转、平移矩阵，对两视角的三维数据进行拼接融合，完成待测物体的三维重构。优选地，待测物体到测量系统的距离为50cm。优选地，投影仪投影的条纹图案为灰度图。优选地，采集条纹图案的相机为黑白相机。优选地，7幅条纹图案包括3组，第一组2幅图像，对应相移为4步，对应条纹周期数为1；第二组2幅图像，对应相移为4步，对应条纹周期数为15；第三组对应相移为3步，对应条纹周期数为180。优选地，单个视角下待测物体的三维数据是一组三维点云。优选地，基于ICP迭代算法得到的旋转、平移矩阵，将一个视角的三维点云通过旋转和平移后，与另一个视角的三维点云相加，得到一组新点云数据；对相加后的新点云数据进行降采样及移动最小二乘处理，实现两个视角下三维数据的拼接融合。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术利用多频条纹相移法对待测物体进行重构，仅需要投影7幅条纹图案，在保证高精度的前提下保证了测量速度，并且利用ICP算法对两个视角下的待测物体三维数据进行融合，保证了测量数据的完整度。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2为采集的条纹图案相位结果及三维数据：(a)为采集的条纹图案；(b)为得到的包裹相位图；(c)为得到的绝对相位图；(d)为得到的三维人脸数据。图3为人脸三维数据拼接融合结果示意图：(a)为左相机视角下的三维人脸数据；(b)为右相机视角下的三维人脸数据；(c)为拼接融合后的单位人脸数据。具体实施方式如图1所示，一种快速高精度三维面形重构方法，包括：步骤1：构建物体测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于测量范围内的待测物体；进一步的实施例中，待测物体到测量系统的距离为50cm。进一步的实施例中，所述相机为黑白相机。步骤2：通过投影仪向待测物体投影7幅条纹图案，同时左右两个相机同步采集被待测物体表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下待测物体的相位；利用相机与投影仪之间的标定参数，将待测物体的相位信息转换为三维信息，获得左右两个视角下待测物体的三维数据；进一步的实施例中，投影仪投影的条纹图案为灰度图。进一步的实施例中，7幅条纹图案包括3组，第一组2幅图像，对应相移为4步，对应条纹周期数为1；第二组2幅图像，对应相移为4步，对应条纹周期数为15；第三组对应相移为3步，对应条纹周期数为180。具体地，投影仪与相机保持同步工作，即投影仪投影完一幅条纹图案后相机对待测物体进行条纹图案的采集。步骤3：利用ICP迭代算法获得两个视角下的三维数据之间的旋转、平移矩阵，基于得到的旋转、平移矩阵，对两视角的三维数据进行拼接融合，完成三维人脸重构，具体方法为：基于ICP迭代算法得到的旋转、平移矩阵，将一个视角的三维点云通过旋转和平移后，与另一个视角的三维点云相加，得到一组新点云数据。对相加后的新点云数据进行降采样及移动最小二乘处理，实现两个视角下三维数据的拼接融合。本专利技术利用ICP迭代算法对两视角下的待测物体三维数据进行拼接融合，使得测量物体的三维数据更加完整，精度更高。本专利技术首先将两个相机沿着水平方向放置，投影仪位于两个相机中间，利用多频条纹相移法于左右两个相机视角下对待测物体进行二维图像采集，计算得到待测物体的相位信息。利用相机和投影仪之间的标定参数，将相位信息转为对应的三维信息。然后通过ICP迭代算法对两组三维待测物体数据进行拼接融合，得到更加完整的三维数据。与传统三维重构方法相比，本专利技术可实现快速、高精度的三维面形重构。实施例为验证本专利技术的有效性，使用两台相机(型号acA1300-60gm，Basler)，一台投影仪(型号DLPPRO4500)和一台计算机构建了一套快速高精度的三维面形重构系统及其方法的三维测量装置。该套装置在进行待测物体的三维测量时的拍摄速度为60帧每秒。利用步骤1所述，在基于两个相机与一台投影仪组成的三维面形测量系统中，将待测物体位于距离系统50cm处。利用步骤2所述，利用多频条纹相移法得到待测物体的相位信息，再利用相机与投影仪之间的标定参数，将相位信息转换为待测物体的三维信息；利用步骤3所述，利用ICP迭代算法对两个视角下的三维数据进行拼接融合，从而实现快速、高精度的三维面形重构。进行人脸的三维重构实验，单个相机视角下的重构结果如图2所示，拼接融合后的人脸三维重构结果如图3所示。图2(a)为采集的条纹图案，图2(b)为得到的包裹相位图，图2(c)为得到的绝对相位图，图2(d)为得到的三维人脸数据，图3(a)为左相机视角下的三维人脸数据，图3(b)为右相机视角下的三维人脸数据，图3(c)为拼接融合后的单位人脸数据。通过实验结果证明，本专利技术可以实现快速、高精度的三维面形重构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速高精度三维面形重构方法，其特征在于，包括：/n步骤1：构建物体测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于测量范围内的待测物体；/n步骤2：通过投影仪向待测物体投影7幅条纹图案，同时左右两个相机同步采集被待测物体表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下待测物体的相位；利用相机与投影仪之间的标定参数，将待测物体的相位信息转换为三维信息，获得左右两个视角下待测物体的三维数据；/n步骤3：利用ICP迭代算法获得两个视角下的三维数据之间的旋转、平移矩阵，基于得到的旋转、平移矩阵，对两视角的三维数据进行拼接融合，完成待测物体的三维重构。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速高精度三维面形重构方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建物体测量系统，所述测量系统包括沿水平方向放置的左右两个相机和处于相机中间的投影仪系统，以及位于测量范围内的待测物体；
步骤2：通过投影仪向待测物体投影7幅条纹图案，同时左右两个相机同步采集被待测物体表面信息调制后的条纹图案，获得两组条纹图案，得到两个相机视角下待测物体的相位；利用相机与投影仪之间的标定参数，将待测物体的相位信息转换为三维信息，获得左右两个视角下待测物体的三维数据；
步骤3：利用ICP迭代算法获得两个视角下的三维数据之间的旋转、平移矩阵，基于得到的旋转、平移矩阵，对两视角的三维数据进行拼接融合，完成待测物体的三维重构。


2.根据权利要求1所述的快速高精度三维面形重构方法，其特征在于，待测物体到测量系统的距离为50cm。


3.根据权利要求1所述的快速高精度三维面形重构方法，其特征在于，投...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊彤，左超，陈钱，尹维，冯世杰，孙佳嵩，胡岩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32