[发明专利]基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统及方法

说明书

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统及方法。该系统包括线结构光发生器和单目相机；所述线结构光发生器用于发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成具有至少两个光线交点的交线图；所述单目相机用于采集待测物体的多视角图像。本发明利用线结构光与图像信息的结合获得待测物体的真实尺度三维重建模型，克服了基于图像信息的多视角三维重建缺少尺度信息的难题，同时也避免了IMU、POS和GPS等昂贵设备的使用，实现了低成本、高精度的真实尺度三维重建。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统及方法。

背景技术

多视图三维重建方法中的关键技术主要包括相机参数的恢复和多视图立体匹配。相机参数恢复也称为运动恢复结构，一般用于大规模的稀疏三维点云重构及相机位姿的估计。由于图像的获取过程涉及了光照、表面反射特性、三维场景几何形状特征，通过多视图立体匹配进行三维重建的本质，即在多幅视图上基于光照一致性约束的优化问题。基于单目多视角图像的三维重建方法，由于仅知道相机的内部参数，故得到的重建结果是一种度量重建。度量重建是一种在重建的模型中能保持直线夹角、线段长度比例关系的方法，但无法获得目标真实尺寸。换言之，所获得的目标模型与真实目标仅相差一个未知的尺度。

为了获得尺度信息，国内外主要采用IMU、POS和GPS系统等辅助得到真实的三维重建结果，高精度的IMU系统价格高昂，普通的IMU、POS、GPS系统精度均较差，上述方法对于城市级别的大场景三维重建可以选用，但是对于小物体的三维重建则引入的误差过大；以GPS为例，精度为米级，远远不能满足高精确的真实尺度的三维重建需求。

发明内容

本发明目的是提供一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统及方法，解决了现有的三维重建方法成本高、精度差的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建系统，其特殊之处在于：包括线结构光发生器和单目相机；所述线结构光发生器用于发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成具有至少两个光线交点的交线图；所述单目相机用于采集待测物体的多视角图像。

进一步地，上述线结构光发生器包括多个发生单元，所述发生单元包括激光器和柱面棱镜，所述激光器发出的激光光束斜入射柱面棱镜后发散生成线结构光。

进一步地，上述线结构光发生器中发生单元的数量为四个，其中两个发生单元产生竖直光平面，另外两个发生单元产生水平光平面；两个竖直光平面与两个水平光平面共同在待测物体表面生成“井”字型交线图。

本发明还提供一种基于线结构光和图像信息的真实尺度三维重建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建由线结构光发生器和单目相机构成的三维重建系统；

2)线结构光发生器发出多条线结构光，多条线结构光在待测物体表面生成交线图，所述交线图中具有至少两个光线交点；

3)标定线结构光发生器与单目相机之间的距离和角度信息；

4)控制三维重建系统与待测物体之间产生相对运动，使单目相机拍摄得到待测物体在不同方位和角度的图像；

5)基于步骤4)拍摄的多视角图像求解得到归一化三维重建模型；

6)识别交线图中的光线信息，根据步骤3)标定的线结构光发生器与单目相机之间的关系解算得到交线图中多个光线交点的三维坐标M；

7)进行目标匹配，根据投影关系，计算确定光线交点在图像上的像素位置以及所述像素位置在归一化三维重建模型上的对应点坐标M′；

8)根据步骤6)和步骤7)中获得的两组坐标的对应关系得到尺度系数；