[发明专利]一种基于十字结构光的物体表面三维重建方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，具体是一种基于十字结构光的物体表面三维重建方法和系统。

背景技术

线结构光三维检测技术主要用于测量物体几何参数或恢复物体深度信息，其具有非接触、大量程、速度快、精度高、算法稳定、使用方便、结构简单等特点。随着科技的不断更新发展，结构光检测技术现已逐步应用于工业自动检测、航天航空、人体工学、生物医疗及食品检测中。目前在线结构光检测系统中，应用最为广泛的为一字结构光，例如加拿大学者Samuel J.Lochner将其应用于足部扫描制造出可供医用的模型，西班牙学者Samuel verdú用其实现对面包发酵过程的监测等。但一字结构光存在当与扫描物体边缘平行时容易丢失边缘信息，或当扫描界面狭窄时数据量较少需要多次扫描等缺陷，尚待改进。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于十字结构光实现物体三维重建的方法和三维重建系统，所述三维重建方法和三维重建系统通过十字结构光扫描物体得到物体的几何参数信息或对物体表面进行重建，可以避免一字结构光边缘信息丢失的情况，具有较好的时效性。

本发明采用的技术方案是：一种基于十字结构光实现物体表面三维重建的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：标定系统参数，包括十字结构光参数标定和运动方向标定；

步骤2：提取光条中心，获得两条激光光条中心亚像素级坐标；

步骤3：实现三维重建，通过上述系统参数标定及光条中心提取，解得激光平面所扫描到的物体表面三维坐标点；

步骤4：物体信息的获取，通过拟合物体表面三维坐标点得到物体的几何参数。

作为优选，所述步骤1中，十字结构光参数标定包括以下步骤：

步骤1-1：变换靶标的姿态，摄像机拍摄同一个姿态下无/有激光照射的靶标图像两幅；

步骤1-2：针对无激光照射时的靶标图像，利用张正友方法标定摄像机的内参矩阵K和外参矩阵[R|t]；

步骤1-3：调整摄像机模式，在高动态模式下拍摄有激光照射的靶标图像，针对带激光光条的靶标图像，用步骤1-4的方法标定两个激光平面的参数；

步骤1-4：首先采用OTSU阈值法分割有激光照射的靶标图像，提取两条激光光条条纹；其次基于RANSAC算法得到图像坐标系下的两条激光光条直线方程，按斜率对激光光条分类；然后求取摄像机坐标系下的射影平面方程及靶标平面方程，得到激光光条的空间直线方程，从而求取激光平面法向[a,b,c]^T；最后以激光光条到激光平面的距离为代价函数，建立下式所示优化的目标函数求解激光平面方程的参数d，

所述步骤1中，运动方向标定包括以下步骤：

步骤1-5：将靶标固定于移动平台上做直线运动，连续拍摄无激光照射时的靶标图像n张(n>2)，得到每帧图像的外参矩阵[R|t]，用最小二乘法对t直线拟合，得到运动方向参数。

作为优选，所述步骤2中，提取光条中心包含以下步骤：

步骤2-1：采用OTSU双阈值法分割出激光光条条纹；

步骤2-2：采用几何中心法提取初始激光光条中心；

步骤2-3：通过求取Hessian矩阵得到光条纹的法线方向，其中Hessian如下式所示，

g(x，y)为二维高斯函数，Hessian矩阵特征值绝对值的极大值对应的特征向量就是法线方向；

步骤2-4：由灰度重心法得到激光光条中心亚像素级坐标；

步骤2-5：利用Hessian矩阵得到的法线方向确定产生该光条的激光平面，由法线方向的不连续性剔除错误的点。

本发明提供的另一个技术方案是：一种基于十字结构光实现物体表面三维重建的系统，包括机架、通过水平导轨安装在机架上的移动平台、驱动移动平台的丝杆以及电机、固定在移动平台上方的十字激光投射器以及摄像机，所述电机通过运动控制卡与计算机连接，摄像机通过图像采集卡与计算机连接。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的三维重建方法和系统只需要一个十字激光投射器、一个摄像机和一个传送装置，就可以重建出物体的表面，或者通过重建信息得到被测对象的几何参数，而且本发明的所有标定都基于自由移动的平面靶标，适合现场标定，操作方便；

2、本发明采用十字结构光对物体进行扫描，信息量增加、精度提高、减少了需重复扫描而增加的工作量，可满足一般的工业需求。

附图说明

图1是本发明提供的三维重建系统的示意图。