[发明专利]三维模型的测量和重建一体化方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维模型的测量和重建一体化方法及其系统。

背景技术

由实物样件生成产品三维模型的技术，通常称为逆向设计或逆向重建。参 见图1，逆向重建通常包括两个主要步骤：1)实物样件的测量；2)三维模型的 重建。利用各种测量设备获取实物样件表面数据的过程称为实物样件的测量； 以测量数据为输入生成计算机辅助设计(简称CAD)系统可以接受的三维模型的 过程称为三维模型的重建。

逆向重建在制造、医学、地理信息系统、虚拟现实等领域应用广泛。制造 领域的逆向重建以获得精确、完备的三维模型为目标；而地理信息系统、虚拟 现实等领域对重建模型的精确性、完备性要求不高，但常常需要完成大量的三 维模型的快速重建。而目前的测量重建系统多数起源于制造领域，难以很好的 满足地理信息系统、虚拟现实等领域对快速逆向重建的需求。本发明以三维模 型的快速重建为目标，在地理信息系统、虚拟现实等领域有着广泛的应用前景。 参见图1，目前的逆向重建方案将将测量和重建看作两个相对独立的步骤，实物 样件的测量过程通常不考虑后续的三维模型重建，两个步骤仅仅通过测量获得 的三维数据交换信息。

光学方法是最为流行的测量手段之一，参见图2，常用光学测量方法包括两 大类：1)主动光源法，包括点激光、线激光、结构光；2)被动光源法，既立 体视觉方法。其他测量方法与本发明关系不大，在此不做说明。

基于主动光源法的测量系统主要由具有特定模式的光源以及数量不等的数 字相机构成，根据光源的类型可以将其分为点激光、线激光、结构光扫描测量 方法三类。

1、点激光扫描测量系统。参见图3，主要由顺序扫描测量空间的点激光系 统和多个数字式相机构成。测量时扫描机构控制激光在测量空间顺序运动，同 时数字式相机获取点激光在物体上的投射光点的图像，利用光点图像之间的像 差计算投影光点的三维位置。其缺点是：1)激光光点按照固定的模式扫描测量 空间，造成大量的重复扫描；2)无法获得样件表面的颜色及纹理信息；3)获 得的测量点数量大，不适合网络环境下使用；4)测量过程不考虑模型的设计意 图，测量规划难度大。

2、线激光扫描测量系统。参见图4，通常由机械臂以及固定于其上的线激 光扫描头构成。线激光扫描头一般包括线激光投射器和多个数字式相机。测量 时测量人员手持扫描头顺序扫描实物样件表面完成测量，在每一个固定测量位 置，线激光投射器投射出一个光条，光条受实物样件表面调制发生变形，由数 字式相机获取光条的图像并根据光条图像的像差计算获得光条所对应实物样件 表面的测量数据。其缺点是：1)需要按照一定的次序扫描实物样件，大量的区 域会被重复扫描；2)需要与机械臂相连接，测量精度受连接设备影响；3)无 法获得样件表面的颜色及纹理信息；4)获得的测量点数量大，不适合在网络环 境下使用；5)测量过程不考虑模型的设计意图，测量规划难度大。

3、结构光测量系统。参见图5，一般由光栅投射器、数字式相机构成。光 栅投射器将一定模式的结构光投射于物体的表面，在表面形成由被测物体表面 形状所调制的结构光，数字式相机可以采集获得结构光的二维畸变图像。当光 学投射器与数字式相机之间的相对位置固定时，由畸变的二维光条图像便可计 算得到物体表面点的三维坐标。其缺点是：1)无法获得样件表面的颜色及纹理 信息；2)不同角度的测量数据必然存在重复，造成重复测量；3)获得的测量 点数量大，不适合在网络环境下使用；4)测量过程不考虑模型的设计意图，测 量规划难度大。

立体视觉方法通过分析处理采集自自然环境下的图像/视频，利用立体视觉 原理根据数字相机方向以及样件上的纹理、颜色差异获得样件表面的三维测量 数据。其缺点是：1)立体视觉是从物体的二维到三维信息的转化，这种转化实 际上是一个有着不确定解的病态问题；2)用立体视觉方法恢复物体的三维形貌 过程中的很多问题仍然有待于进一步研究解决，商业化难度大；3)计算量大， 不适于实时、在线测量是立体视觉方法的另一个缺点。

为了弥补上述单一测量方法的缺点，出现了几种集成测量系统，主要包括：