一种三维重建方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维重建方法，采用光投射设备、光感应设备重建目标物体的三维模型；所述光投射设备将一图案投影至所述目标物体上任一目标点，以形成投影点，所述光感应设备记录所述投影点以形成记录点，并建立第三坐标系计算目标点在光感应设备平面的坐标系内的坐标。采用上述技术方案后，三维测量与重建方法更加简单、快速，可使非接触式扫描的扫描方式建立的物体三维模型更加精确，且整套建模系统成本低，实施方便。
【专利说明】一种三维重建方法及系统【技术领域】
[0001]本发明涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种三维重建方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着三维打印技术的发展，快速并且精确地获取物体的三维数据并进行三维建模具有重要的现实意义和研究价值。通常，人们获取物体三维模型的方式有三种:第一种方式是利用建模软件，例如AutoCAD等软件构造出接近真实物体的三维模型；第二种方式是利用对场景实拍的一系列图像或者视频来重建三维模型；而第三种方式则是通过三维扫描设备对物体表面进行三维扫描以获取物体的三维信息从而重建三维模型。
[0003]其中，第三种方式即三维扫描的方式，相比前两种方式，能够获得比较精确的三维数据，适用于有一定精度要求的建模应用中，如复杂机械零件，文物等。而且三维扫描的方式除了精度高的优点外，另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时间很少。而三维扫描的方式按照测距探头不同，基本上可以分为两个大类:接触式扫描和非接触式扫描。接触式扫描利用接触式探头，在测量时探头需要和被测物体接触，虽然测量精度非常高，而且测量时完全不受物体表面反光、色彩等属性的影响，但是由于测距探头要接触被测物体表面且要产生一定的压力，所以会对被测物体造成一定程度的损伤，而且扫描时需要逐点测量，速度较慢，获取效率难以忍受；且由于测距探头需要接触被测物体并产生压力，因此对被测物体的材质有一定的要求，只能测量表面材质比较硬的物体。
[0004]而非接触式扫描采用光投射装置将激光或者可见光投射到被测物体表面，然后利用光感应设备对投射的光进行感光，再利用各种理论和技术计算出被测物体表面的深度信息，从而无需与被测物体直接 接触，所以不会直接对被测物体产生物理损伤。这种非接触式扫描方式也称为光学三维测量，其在工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、生物医学、三维文物数字信息记录、人体测量等众多领域中具有广泛应用。
[0005]关于如何利用光感应设备所获得数据计算被测物体的深度信息，发展了很多不同的理论和方法，其中，干涉度量法，飞行时间法和三角测量法是公用的方法，其中三角测量法尤其通用，其通过光感应设备，光投射装置和被测物体点构成的三角形关系来计算被测物体点的深度信息。关于三角测量法的基本原理如图1所示。光投射设备O1发射的光线经过透镜F1的光心，物体表面A点将光反射，反射光经过透镜F2的光心到达光感应设备上的
O2,O1AO2构成的三角形，如果已知O1, O2的位置，O1F1和O2F2的方向，就可以求解A的位置，图中B点虽然也在射线O1F1上，但是在光感应设备上为O3点，因此可以看到，使用三角测量法可以区分A和B的深度。即可以基于光投射设备所产生的光点O1和光感应设备上的O2点的位置来确定A的位置，从而实现三维测量和三维重建。
[0006]但是，传统的三角测量法在实践中具有许多局限性，I)三角测量法涉及光投射装置和光感应装置的各自的焦平面和底片平面坐标系之间的换算，即涉及四个坐标系之间的换算，并且需要无限逼近来取得最后值，算法计算量大，数据精确度较低；2)定标过程复杂，需要使用高精度的定标板以及专门的定标算法；3)无法直接获得三维物体的色彩信息，不能实现颜色匹配填充。
[0007]因此，需要一种能够同时满足高计算速度、高数据精度、低成本、易实施的三维测
量和重建方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种简单、快速的三维测量与重建方法，可使非接触式扫描的扫描方式建立的物体三维模型更加精确，且整套建模系统成本低，实施方便。
[0009]本发明公开了一种三维重建方法，采用光投射设备、光感应设备和控制设备重建目标物体的三维模型；其包括如下步骤:S1:基于所述光投射设备的底片平面形成一第一坐标系，由所述光投射设备将一图案投影至所述目标物体上任一目标点，以形成投影点，并由控制设备测量所述投影点在所述第一坐标系内的第一坐标；S2:基于光感应设备的底片平面形成一第二坐标系，所述光感应设备记录和所述投影点相对应的目标点以形成记录点；并由控制设备测量所述记录点在所述第二坐标系内的第二坐标；S3:将所述光投射设备的第一焦点及所述光感应设备的第二焦点相连，形成一 Z轴，并以距离所述第一焦点的距离为N并垂直于所述Z轴的平面形成一由X轴及Y轴构成的XY平面,所述X轴、Y轴、Z轴形成一第三坐标系；S4:连接所述目标点及投影点形成一第一连线，所述第一连线与所述XY平面相交于一第一连线点；S5:连接所述目标点及记录点形成一第二连线，所述第二连线与所述XY平面相交于一第二连线点；S6:基于所述目标点在所述XY平面上的射影形成一射影点，其中所述第一连线点和所述射影点的连线经过所述第三坐标系的原点，并且所述第二连线点和所述射影点的连线也经过所述第三坐标系的原点；S7:基于所述第一坐标计算所述第一连线点在所述第三坐标系下的第四坐标；S8:基于所述第二坐标计算所述第二连线点在所述第三坐标系下的第五坐标；S9:基于所述第四坐标及第五坐标计算所述目标点在第三坐标系下的坐标。
[0010]优选地，对所述光投射设备及光感应设备形成的三维重建系统进行定标，计算所述光投射设备及光感应设备的内部参数及外部参数。
[0011]优选地，所述内部参数包括所述光投射设备的第一焦距，及所述光感应设备的第
二焦距。
[0012]优选地，所述外部参数包括:所述第一坐标系的X轴与所述第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A ;所述第一坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B ;所述第一坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C ;所述第二坐标系的X轴与所述XZ平面的夹角A’ ；所述第二坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B’ ；所述第二坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C’ ；所述第一焦点与第二焦点的距离L ;XY平面与所述第一焦点间的距离N ;所述第一坐标的坐标值；所述第二坐标的坐标值。
[0013]优选地，所述图案为光栅图案，所述目标点及所述投影点的数量相同，为至少一个。
[0014]优选地，所述图案为单光条光栅图案。
[0015]优选地，所述三维重建方法还包括:步骤S9-1:计算每一所述记录点及投影点在所述第三坐标系内的第一连线点和第二连线点的坐标，基于每一组第一连线点及第二连线点的连接线经过所述第三坐标系的原点来匹配每一记录点与其投影点。[0016]优选地，所述三维重建方法还包括:步骤SlO:将所述第三坐标转化为第二坐标系下的所述目标点的坐标。
[0017]优选地，所述三维重建方法还包括:步骤Sll:提取所述第二坐标系内的记录点的色彩信息，将所述色彩信息发送至与所述记录点匹配的所述目标点上，使所述目标点的色彩信息与所述记录点的色彩信息相同。
[0018]本发明还公开了 一中应用上述三维重建方法的三维重建系统。
[0019]采用上述技术方案后，本发明基于第三空间理论，摆脱了传统理论的束缚，重新定义了图像相互关系及其相互转换关系，可在较短时间内快速获得被测对象的高精度彩色三维点云数据，并具有以下有益效果:1)精度高，误差小；2)操作简单，避免复杂的数学计算；3)系统操作简单方便，计算速度快，并且成本低；4)可实现颜色匹配填充以重建彩色的三维目标物体。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为现有技术中三角测量法的基本原理示意图；
[0021]图2为本发明三维投影基本原理图；
[0022]图3为本发明第二坐标系XZ平面不意图；
[0023]图4为本发明第三坐标系XY平面示意图；
[0024]图5为本发明三维重建方法流程图；
[0025]图6为本发明三维重建系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
[0027]参阅图2及图3，为实现本发明的三维重建方法，采用光投射设备及光感应设备重建目标物体的三维模型。其中，光投射设备将一图案投影至目标物体上，该被投影到目标物体上的图案将随着目标物体的表面形状的起伏而变形，从而在目标物体表面将形成一“变形”图案，对“变形”图案中的任一点取为“目标点”(该目标点同时也是目标物体上的点)，由光投射设备所产生的图案上和该目标点相对应的点称为“投影点”。同时，光感应设备记录目标点，从而在光感应设备上形成一对应该目标点的“记录点”。以上目标点、投影点、记录点为方便识别，分别取为目标点B、投影点B’、记录点B’ ’。
[0028]该方法中，首先基于光投射设备的底片平面形成一第一坐标系，其中该第一坐标系的Z轴为该光投射设备的光轴(光投射设备的光心和焦点的连线)所在的直线，光投射设备的底片所在的平面形成了第一坐标系的X轴及Y轴所在的XY平面(如附图2所示的由X1和Y1所构成的光投射设备的底片平面)，该第一坐标系的坐标原点O1为光投射设备的底片的成像中心，即光投射设备的光心。因此，可得到投影点B’在第一坐标系的第一坐标为(X1,Y1,0)。
[0029]同样地，光感应设备的底片平面形成一第二坐标系，其中该第二坐标系的Z轴为该光感应设备的光轴(光感应设备的光心和焦点的连线)所在的直线，光感应设备的底片所在的平面形成了第二坐标系的X及Y轴所在的XY平面(如附图2所示的由X2和Y2所构成的光感应设备的底片平面)，该第二坐标系的坐标原点O2为光感应设备的底片的成像中心，即光感应设备的光心。因此，可得到记录点B”在第二坐标系的第二坐标为(X2，Y2,0)。
[0030]本发明实施例中，在第一坐标系及第二坐标系的基础上引入了第三坐标系的概念。将光投射设备的焦点(记作第一焦点F1)及光感应设备的焦点(记作第二焦点F2)连接，可形成一直线，该直线即为该第三坐标系的Z轴(如附图2所示的Z3轴)，同时，以距离第一焦点F1距离为N并垂直于该Z轴的平面为第三坐标系的XY平面(如图2所示的由X3和Y3所构成的平面)，从而形成了第三坐标系的X轴及Y轴，该第三坐标系的原点即为上述Z轴与XY平面相交的点03。
[0031]引入该第三坐标系后，将目标点B分别与投影点B’及记录点B’’连接，可形成一第一连线及一第二连线，其中第一连线与第三坐标系的XY平面相交于一第一连线点，记为B/，其在第三坐标系的坐标为(X3，Y3，0)，第二连线与第三坐标系的XY平面相交于一第二连线点，记为B/’，其在第三坐标系的坐标为(X4，Y4,0)。同时，目标点B在第三坐标系的XY平面上的射影可形成一射影点，在图3记为B’’’，其在第三坐标系的坐标值记为(X，Y,O),而因为B’ ’ ’点为目标点B沿着第三坐标系的Z轴在第三坐标系的XY平面上的投影，所以目标点B在第三坐标系的坐标值则为(X，Y，Ζ)。
[0032]至此，可以计算目标点B在第三坐标系的坐标值，相类似的，目标物体上的每一个点的三维坐标值均可计算得出，从而可以进行目标物体的三维重建。并且进一步可选的，可计算目标点B在第二坐标系(光感应设备的底片平面坐标系)的坐标值，从而使得从视觉的角度上更容易观察重建后的物体。
[0033]参阅图4，为本发明第三坐标系中XY平面的示意图。可以发现，由于点B、F1、F2S点确定一平面，该平面上具有直线BF1及直线BF2,而又因为点B’、B’ ’、B/及B1"均在前述两条直线上，故点B’、B’’、B/及B/’均在平面BF1F2上。且由于此时点B’’’为B点在第三坐标系的XY平面上的射影，所以点B’’’也在平面BF1F2上。由第三坐标系定义可知，第三坐标系Z轴即直线F1F2，所以BF1F2平面和第三坐标系的XY平面垂直，且有一条交线，第三坐标系原点O3在交线上。由于平面的垂直关系，从BF1F2平面方向看过去，BF1F2平面所有直线都会过O3，从而，在第三坐标系的XY平面上，点B’’’和点B/的连线，以及B’’’点和B/’点的连线均通过O3。
[0034]本发明提出了一种基于“目标点、投影点和记录点在第三坐标系的射影点之间的连线均通过第三坐标系的原点的原理”进行目标点的三维坐标的重建的方法。既本发明提出了一种基于第三坐标系的根据投影点和记录点的坐标值计算目标点的三维目标值的方法。
[0035]为了基于第三坐标系根据投影点和记录点的坐标值计算目标点的三维目标值，需要利用光投射设备和光感应设备的内部参数和外部参数。其中内部参数包括:第一焦距f1;即第一焦点F1到第一坐标系的XY平面的距离，及第二焦距f2，即第二焦点F2到第二坐标系的XY平面的距离。而外部参数则包括:第一坐标系的X轴与第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A ;第一坐标系的Y轴与第三坐标系的XZ平面的夹角B ;第一坐标系的Z轴与第三坐标系的Z轴的夹角C ;第二坐标系的X轴与第三坐标系的XZ平面的夹角A’ ；第二坐标系的Y轴与第三坐标系的XZ平面的夹角B’;第二坐标系的Z轴与第三坐标系的Z轴的夹角C’ ；第一焦点F1与第二焦点F2的距离L ；XY平面与所述第一焦点间的距离N ;所述投影点B’在第一坐标系的第一坐标值(X1, Y1,0);所述记录点B’’在第二坐标系的第二坐标值《2，￥2，0)。为方便说明，将上述夹角分别记为:
[0036]夹角Α:Ζ α ;夹角 Β:Ζ Ω ;夹角 C:Z θ ；
[0037]夹角A’: Z α ’ ；夹角 B’:Ζ Ω ’ ；夹角 C’: Z θ ’。
[0038]上述内部参数和外部参数代表了光投射设备和光感应设备本身的光学特性和相互之间的位置关系。所以只要利用同一组投射设备和光感应设备进行重建，并且保持光投射设备和光感应设备的位置固定不变的话，在整个三维重建过程中，上述参数不会发生变化。
[0039]上述内部参数及外部参数的值可通过标定来确定。优选的，可以利用下述方法进行标定:设定控制设备(例如，和光投射设备相连接的计算机)发出的标定图像在第一坐标系下的坐标；光感应设备分别记录光投射设备在不同焦距:第一焦距Fl和第二焦距F2下投射的投影图像，形成第一投影图像及第二投影图像，光感应设备分别记录第一投影图像及第二投影图像形成第一记录图像及第二记录图像；控制设备分析第一记录图像及第二记录图像，并计算光投射设备的光心坐标及标定图像在第二坐标系下的坐标。同理，其他内部参数(光感应设备及光投射设备的焦距和光心位置)及外部参数(Ζ Q5ZQ5Ze5Za^;Z Ω’ ；ζ θ ’)也可利用等比原理或相似三角形的原理标定出。需要注意的是，本发明不局限于利用上述方式进行标定，还可以利用本领域的其它常规方式对上述内部和外部参数进行标定。而且，因为在利用同一组投射设备和光感应设备进行重建并且保持光投射设备和光感应设备的位置固定不变的情况下，上述参数不会发生变化，所以也可以通过调用已标定的参数进行三维重建，因此标定步骤并不是本发明的三维重建方法中的必须步骤，而是可选步骤。
[0040]当上述参数确定完成后，可基于第一坐标系和第三坐标系之间的坐标转换关系以及BI和BI’的射影关系，按照以下方式计算第一连线点BI’在第三坐标系下的第四坐标值(X3, Υ3,0):
[0041]
【权利要求】
1.一种三维重建方法，采用光投射设备、光感应设备和控制设备重建目标物体的三维模型；其包括如下步骤: 51:基于所述光投射设备的底片平面形成一第一坐标系，由所述光投射设备将一图案投影至所述目标物体上任一目标点，以形成投影点，并由控制设备测量所述投影点在所述第一坐标系内的第一坐标； 52:基于光感应设备的底片平面形成一第二坐标系，所述光感应设备记录和所述投影点相对应的目标点以形成记录点；并由控制设备测量所述记录点在所述第二坐标系内的第二坐标； 53:将所述光投射设备的第一焦点及所述光感应设备的第二焦点相连，形成一 Z轴，并以距离所述第一焦点的距离为N并垂直于所述Z轴的平面形成一由X轴及Y轴构成的XY平面，所述X轴、Y轴、Z轴形成一第三坐标系； S4:连接所述目标点及投影点形成一第一连线，所述第一连线与所述XY平面相交于一第一连线点； 55:连接所述目标点及记录点形成一第二连线，所述第二连线与所述XY平面相交于一第二连线点； 56:基于所述目标点在所述XY平面上的射影形成一射影点，其中所述第一连线点和所述射影点的连线经过所述第三坐标系的原点，并且所述第二连线点和所述射影点的连线也经过所述第三坐标系的原点； 57:基于所述第一坐标计算所述第一连线点在所述第三坐标系下的第四坐标； 58:基于所述第二坐标计算所述第二连线点在所述第三坐标系下的第五坐标；` 59:基于所述第四坐标及第五坐标计算所述目标点在第三坐标系下的坐标。
2.如权利要求1所述的三维重建方法，其特征在于: 对所述光投射设备及光感应设备形成的三维重建系统进行定标，计算所述光投射设备及光感应设备的内部参数及外部参数。
3.如权利要求2所述的三维重建方法，其特征在于: 所述内部参数包括所述光投射设备的第一焦距，及所述光感应设备的第二焦距。
4.如权利要求2所述的三维重建方法，其特征在于: 所述外部参数包括: (1)所述第一坐标系的X轴与所述第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A； (2)所述第一坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B； (3)所述第一坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C； (4)所述第二坐标系的X轴与所述XZ平面的夹角A’； (5)所述第二坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B’； (6)所述第二坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C’； (7)所述第一焦点与第二焦点的距离L;以及 (8)所述N。
5.如权利要求1所述的三维重建方法，其特征在于: 所述图案为光栅图案，所述目标点及所述投影点的数量相同，为至少一个。
6.如权利要求1或5所述的三维重建方法，其特征在于:所述图案为单光条光栅图案。
7.如权利要求6所述的三维重建方法，其特征在于: 所述三维重建方法还包括: 步骤S9-1:计算每一所述记录点及投影点在所述第三坐标系内的第一连线点和第二连线点的坐标，基于每一组第一连线点及第二连线点的连接线经过所述第三坐标系的原点来匹配每一记录点与其投影点。
8.如权利要求1所述的三维重建方法，其特征在于: 所述三维重建方法还包括: SlO:将所述第三坐标转化为第二坐标系下的所述目标点的坐标。
9.如权利要求1所述的三维重建方法，其特征在于: 所述三维重建方法还包括: 步骤Sll:提取所述第二坐标系内的记录点的色彩信息，将所述色彩信息发送至与所述记录点匹配的所述目标点上，使所述目标点的色彩信息与所述记录点的色彩信息相同。
10.一种应用如权利要求1-9任一项所述三维重建方法的三维重建系统。
【文档编号】G06T17/00GK103559735SQ201310542302
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】周蓉, 王凤麟, 杨树臣 申请人:重庆安钻理科技股份有限公司