[发明专利]一种基于二元面结构光的高精度三维重建方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于二元面结构光的高精度三维重建方法及系统，该方法包括：先对CCD高清摄像机及投影仪进行标定；由LED灯发出定向光源，投射至目标物体所在场景，经由CCD高清摄像机获取图像，经过自适应识别模块匹配出与目标物体近似的轮廓；根据自适应识别模块识别的结果进行结构光信息编码，再由投影仪投射面结构光至目标轮廓平面所在的大概位置；CCD高清摄像机获取投影在目标物体的调制图像，将结构光特征点和LED光轮廓获取的梯度信息结合，得到最终的三维图像。本发明的有益效果是：本发明可以提高三维重建系统对环境变化的适应性，目标物体的重建精度和准确度有效提高，而且减少了因环境多目标带来的运算成本增加的问题。

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，尤其涉及一种基于二元面结构光的高精度三维重建方法及系统。

背景技术

三维重建技术处于交叉研究领域，涉及计算机视觉、计算机图形学、图像处理以及模式识别等诸多学科。通过国内外科研人员近几十年的研究，在理论和应用方面都涌现出大量的研究成果。结构光三维重建其发展最初由Rioux等人在80年代发表了多种基于点结构光模式的光点测距仪，它将从被测物体表面采集到的反射光点信息与三角原理相结合，从而获得物体的三维信息。再到由Y Shirai和M Oshima等人提出线结构光测量法，与点结构光测量方法相比速度得到很大的提升。面结构光测量方法，与其他模式相比具有更高的空间分辨率及测量速度。1988年Stockman等人提出一种提取精确三维结构信息的视觉系统。该系统是一种物体表面检测方法，用三维表面条纹的边缘检测与场景进行匹配，提出一种姿态累积法用于累积识别的匹配数据。Albitar等提出一种单色编码图案，该图案包含3个图形元素，它在一定程度上解决了M-阵列方法需要大量的符号及彩色图形对彩色场合不适用等问题。在国内，关丛荣等提出一种基于RGB颜色格雷码的结构光编码方法，该方法将R、B条纹按二进制格雷码方式进行编排，并且在其两者之间用一个像素的G条纹作为分界，提取G条纹中心即可获得条纹的准确位置，最后依据三角法原理实现物体的三维测量。2013年，韩成等人提出了适用于快速搭建三维重建测量系统和准确获取物体三维点云的方法，该方法运用编码图案自身的特点有效的提高了解码的准确率。2015年，唐苏明等人提出了对彩色编码结构光三步解码的方法，该方法在没有预先假设物体颜色和纹理的情况下，解码的准确度仍较高。

代表国际先进水平的有德国Gom公司开发的便携式Atos系列扫描仪，它具有操作简单、测量准确度高、携带方便的特点，应用比较广泛。目前的Atos III Triple Scan扫描仪的测量范围为38x 29–2000x 1500mm²，点间距为0.01-0.61mm,工作距离为490-2000mm。德国的Steinbichler公司开发了Comet系列的扫描设备，设备采用投影光栅和三角法相结合的原理，Comet5系列扫描系统的测量范围：80×80mm至80×800mm，测量距离为420至1700mm，最小点间距为0.04mm，z轴的分辨率为0.001mm，数据采集时间小于1秒。

国内的如北京天远、上海造数等公司也推出了具有自主知识产权的结构光测量系统等。北京天远三维科技有限公司与清华大学相关课题组密切合作，其中推出的OKIO-I型，最高精度可达到0.025mm，单面扫描速度小于5秒，但是扫描范围比较小，仅为200mm×150mm。上海造数推出了3DSS双目系列和3DCC单目系列三维光学扫描仪，结合结构光、相位测量和计算机视觉技术。其中的单目彩色三维扫描仪3DSS_3DCC单次扫描范围为400mm×300mm到500mm×400mm，扫描精度为0.05mm，单次扫描采集时间小于2秒。西安交通大学信息机电研究所研发了XJTUOM

三维光学面扫描系统以及XJTUDP三维光学点测量(工业三维摄影测量)系统等。其单幅测量幅面为200mm至3m,点间距为0.04至0.67mm,测量精度高于0.05mm，测速为3秒至6秒。