[发明专利]一种高性价比的3D实景复制装置

说明书

（一）技术领域

本发明属于立体成像技术、光学技术和计算机视觉技术在三维重构方面的应用。

（二）背景技术

基于计算机视觉的空间三维信息获取与立体重构技术，是一门极具发展潜力和实用价值的应用技术。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，反向工程技术、实景复制技术的发展推动着测绘技术由二维平面向三维立体，由模拟测绘向数字测绘的演进。尤其是3D打印机的出现，迫切需要一种与其配套的3D实景复制技术。3D实景复制技术的核心是对被重构物体的三维重建。三维重建是要研究三维空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系。实景复制技术是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型的一种三维重建技术，它可以被广泛的应用于工业、医学、安防、考古及游戏等领域。

三维重建技术包括了三维测量与立体重构。就目前而言，三维测量技术被分为两大类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量的原理是利用探针接触被重构物体表面来获取其三维坐标数据，典型的代表有坐标测量机、接触式影像测量仪等等，这种测量技术虽然对被重构物体表面三维坐标测量精度很高，但本身存在着很多缺点：1.由于收到扫描速度与机械运动的限制，其测量速度慢且测量前需要进行路径规划；2.对软质材料测量效果不好，对一些边缘、尖角等区域也无法测量；3.测量仪器复杂，对环境要求高，必须防震，防尘，恒温等；4.价格昂贵。

作为非接触式三维测量技术，又可以分成光学式与非光学式两大类。随着计算机视觉与数字图像检测这一新兴学科的兴起与发展，近年来对物体表面的三维测量技术的研究集中于非接触式的光学三维测量方面。其中，研究最多、应用最广的便是双目立体视觉的三维测量与立体重构技术。双目立体视觉的测量原理是：从两个视点观察同一景物，获取被重构物体在不同视角下的图像，通过三角测量的方法将匹配点的视差信息转换为深度信息。一般的，基于双目立体视觉的三维重建分为以下几个步骤：

1）图像的获取，由不同位置的多台(包括两台)摄像机或者一台摄像机移动或旋转拍摄同一景物，获得立体图像对。

2）摄像机标定，通常先对单摄像机进行标定，分别获得每台摄像机的内外参数；再通过同一世界坐标系中的一组或多组标定点来建立两个摄像机之间的位置关系。

3）特征提取与匹配，提取图像对中被重构物体表面的特征点并对其进行匹配，一般的，特征点的选取需要满足以下要求：具有足够的鲁棒性和一致性，不会因为视角、光线等外界因素的变化而改变；具有足够明显的特征可以被摄像机检测到。

4）立体图像匹配，根据匹配基元的不同，可以分为区域匹配、特征匹配和相位匹配，通过立体图像匹配可以计算出视差图。

5）三维重建，利用视差计算点的深度值，获得图像对中所有前景的深度点云，对点云进行插值或网格化就可以得到物体的三维模型。

从上面这五个步骤依次分析整个三维重建过程的实现难度：首先是图像获取，图像获取的方式有两种，一是采用多台摄像机拍摄同一景物获得图像对；二是采用单个摄像机平移或旋转拍摄同一景物获得图像对。前者需要保证多台摄像机具有相同的角距和内部参数，且光轴互相平行，后者则需摄像机每次旋转角度或平移的距离能保持一致。在一般情况下，上述条件都很难严格满足，因而这也制约了三维重建的精度。其次是摄像机标定，在多摄像机标定中，需要得到精确的外部参数。由于结构配置上的误差，多台摄像机的距离和视角受到限制，一般需要6个以上的已知世界坐标点才能得到比较满意的参数矩阵。因此，整个标定过程不但复杂，而且标定结果并不一定理想。此外，多摄像机的标定还需考虑镜头的非线性校正、测量范围等问题。然后是特征提取与立体图像匹配，关于图像对的特征匹配主要存在以下两个问题：一是对于一些形状规则，表面纹理均匀的被重构物体很难提取理想的特征点；二是无论那种匹配算法都需要耗费很多的计算资源。最后是三维重建，对被测景物表面的任意点，它的世界坐标是通过该点在两幅图像中的对应坐标和两摄像机的参数矩阵联合计算得到的，其计算量大且受标定误差与匹配误差影响较大。

一种理想的立体视觉系统希望拍摄的硬件装置简单可靠、成本低廉，进行三维重构的软件算法准确率高、实时性强和计算量小。

（三）发明内容

为了克服已有三维重构技术中存在的实时性差、计算复杂度高、硬件成本高、维护和使用困难等不足，本发明提供一种实时性好、计算简单、硬件成本低廉、便于维护和使用的3D实景复制技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：