一種三維測量系統(tǒng)及獲得真實3d紋理點云數(shù)據(jù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維測量系統(tǒng)及獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)方法，方法包括以下步驟：S1：獲取激光器點亮?xí)r圖像I1和激光器關(guān)閉時圖像I11；S2：對I1、I11所得的鎖定成像進行圖像處理，獲得二值化輪廓線l1(u,v)；S3：獲得l1(u,v)對應(yīng)的無激光時的灰度曲線h(u,v)并還原獲得一條物體在三維空間某一橫截面的真實圖；S4：重復(fù)步驟S1～S3，獲得一系列有灰度信息的輪廓線；S5：獲得具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)，采用三維表面輪廓重建技術(shù)將的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出一個具有表面紋理信息的三維數(shù)字模型。本發(fā)明將紋理映射與三維模型重建相結(jié)合，重建出具有實物真實表面紋理的三維模型，將鎖定成像獲得的單像素輪廓線映射到無激光照明時獲得的灰度圖像，提高了紋理映射精度。
【專利說明】
一種三維測量系統(tǒng)及獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種三維測量系統(tǒng)及獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著機器視覺、三維測量和計算機圖形學(xué)的飛速發(fā)展，物體三維測量因其具有廣泛的應(yīng)用價值而成為研究熱點?；诩す鈷呙璧墓鈱W(xué)三維測量技術(shù)已經(jīng)能夠很容易獲取和顯示物體表面真實幾何輪廓結(jié)構(gòu)，但顯示的三維圖像一般是網(wǎng)狀和點狀的結(jié)構(gòu)，只能反映物體幾何輪廓，不能反映物體表面真實紋理變化。在很多應(yīng)用中，希望所顯示的三維圖像不僅能夠反映物體的幾何結(jié)構(gòu)，也能夠反映物體表面真實紋理甚至色彩。例如文物表面三維圖像，希望計算機所顯示的三維圖像要有真實的紋理感；衛(wèi)星組裝過程中視頻監(jiān)控，也需要所獲取的三維圖像能反映衛(wèi)星部件表面可能具有的真實裂紋或劃痕，以便在衛(wèi)星出事故后，回溯追蹤可能的事故根源。
[0003]如何獲取和構(gòu)造具有高度真實感的物體表面三維紋理圖像，具有一定相當難度。目前基于激光掃面獲取三維點云數(shù)據(jù)，是單色的灰度無變化的數(shù)據(jù)，不具有反映物體真實紋理變化的功能。本發(fā)明在基于線結(jié)構(gòu)激光掃描基礎(chǔ)上，解決三維問題數(shù)據(jù)快速獲取問題。生成具有真實感的三維模型涉及到若干具有挑戰(zhàn)性的問題:包括深度圖像和紋理圖像的獲取、系統(tǒng)標定、深度圖像的匹配、深度圖像的融合、紋理圖像與深度圖像的映射、三維模型重建等。紋理映射是真實感三維模型的關(guān)鍵技術(shù)，紋理映射的效果直接影響生成的三維模型表面紋理的真實性，是三維模型真實感的直接體現(xiàn)。
[0004]在計算機圖形學(xué)中，傳統(tǒng)的紋理映射是一種將二維紋理圖案按某種算法覆蓋到三維幾何模型表面的技術(shù)，它能有效地模擬物體表面的紋理細節(jié)，提高真實感，達到模擬現(xiàn)實世界的目的。但它并不是對客觀世界的真實反映，在應(yīng)用上存在局性。基于此，如何實現(xiàn)目標物體的真實紋理在三維模型中的真實還原，則成了應(yīng)用中需要解決的問題。
[0005]清華大學(xué)自主開發(fā)的TH-3DLCS-2001三維激光與可見光同步掃描系統(tǒng)由一單點激光傳感器(LRS)和一線陣CXD攝像機(LCC)組成，LRS和LCC安裝在同一旋轉(zhuǎn)平臺上。LRS獲得場景的三維激光數(shù)據(jù)，LCC采集場景紋理圖像，LRS和LCC之間剛性連接，并保持同步旋轉(zhuǎn)，由此可確定激光掃描數(shù)據(jù)和同步可見光圖像的配準關(guān)系。但存在以下兩點不足:(I)采用不固定相機位置的方式實現(xiàn)紋理映射，相機參數(shù)需要估計獲得，準確性受到制約，必須進行誤差估計和補償來提高映射精度；(2)三維網(wǎng)格模型與二維紋理圖像分開存儲，通過紋理映射生成具有紋理的三維模型，是三維模型紋理的模擬，而不是模型表面紋理的真實還原。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種固定CXD攝像機和激光器，移動待測物品相對于激光器的位置來掃描物體進行測量，并采用步進電機控制導(dǎo)軌的精確移動的三維測量系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于上述三維測量系統(tǒng)來獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)的方法，將紋理映射與三維模型重建相結(jié)合，重建出具有實物真實表面紋理的三維模型，將鎖定成像獲得的單像素輪廓線映射到無激光照明時獲得的灰度圖像，得到實物單像素的真實灰度輪廓線。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種三維測量系統(tǒng)，是基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量系統(tǒng)，包括支架、導(dǎo)軌、兩個CCD攝像機和三個共面線的線結(jié)構(gòu)激光器，支架包括矩形的頂部支架、相對設(shè)置的第一側(cè)面支架和第二側(cè)面支架，第一側(cè)面支架和第二側(cè)面支架頂部與頂部支架的四個端點固定連接；第一 CCD攝像機和第二 CCD攝像機分別通過二維移位固定支架固定安裝在第一側(cè)面支架上，第一激光器和第二激光器通過二維調(diào)整平臺安裝在第二側(cè)面支架上，第三激光器通過二維調(diào)整平臺安裝在頂部支架上，三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，三個線結(jié)構(gòu)激光器與被測物品中心線的距離相等，待測物品放置在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌通過步進電機進行驅(qū)動。
[0009]采用上述的三維測量系統(tǒng)來獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)的方法為:調(diào)節(jié)二維調(diào)整平臺使線結(jié)構(gòu)激光器的激光面共面，三個線結(jié)構(gòu)激光器發(fā)射的激光在待測物表面形成一個環(huán)形橫截面輪廓的激光光帶，再使用CCD攝像機獲取光帶圖像，將獲取的圖像傳送到計算機中計算被測物的輪廓信息，CCD攝像機分別捕獲激光光帶的左右兩部分，保證了最終獲取一個完整的環(huán)形橫截面輪廓圖，通過顏色紋理映射使無任何色彩的二值化的輪廓線具有色彩信息或灰度信息；具體操作步驟如下:
[0010]S1:獲取圖像，打開三個線結(jié)構(gòu)激光器，兩個CCD攝像機分別捕獲的圖像，并將捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線結(jié)構(gòu)激光器，CXD攝像機再次捕獲相同位置的圖像，記為I11 ；
[0011]S2:對由圖像Ip I11K得的鎖定成像進行圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線記為I1(WV)；
[0012]S3:獲得曲線I1(Uj)對應(yīng)的沒有激光照明時的灰度曲線，即曲線I1(WV)映射到圖像I11中形成一條灰度曲線，該灰度曲線記為h(u，V)，然后將記為h(u，V)的灰度曲線還原，獲得一條物體在三維空間某一橫截面的真實圖；
[0013]S4:重復(fù)步驟SI?S3，將待測物品以沿導(dǎo)軌平移，獲得一系列有灰度信息的輪廓線.
[0014]S5:利用系統(tǒng)標定獲得的隱參數(shù)將從灰度輪廓線上提取出灰度信息與從單像素輪廓線上提取的位置點云數(shù)據(jù)匹配，獲得具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)，利用VTK(visualizat1ntoolkit)軟件進行計算，采用三維表面輪廓重建技術(shù)將具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出一個具有表面紋理信息的三維數(shù)字模型。
[0015]進一步地，步驟S2中的圖像處理包括圖像濾波、二值化處理和細化處理。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1、采用基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量系統(tǒng)，固定CCD攝像機和激光器，移動待測物品相對于激光器的位置來掃描物體進行測量，并采用步進電機控制導(dǎo)軌的精確移動，保證待測物品在導(dǎo)軌上移動速度和距離的均勻化，使測量結(jié)果更準確；
[0018]2、將紋理映射與三維模型重建相結(jié)合，重建出具有實物真實表面紋理的三維模型，將鎖定成像獲得的單像素輪廓線映射到無激光照明時獲得的灰度圖像，得到實物單像素的真實灰度輪廓線，由系統(tǒng)標定的隱參數(shù)將得到的灰度輪廓線還原到世界坐標系內(nèi)，提取出具有實物真實灰度值的點云數(shù)據(jù)，再由VTK根據(jù)基于輪廓線的拼接算法的思想重構(gòu)出實物真實紋理三維模型，實現(xiàn)具有高度真實感的紋理映射，提高了三維紋理模型的重建效率；本發(fā)明提出的顏色映射不僅能夠真實反映出物體的紋理細節(jié)，并且還能不破壞被測物體的拓撲結(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)標定獲得的隱參數(shù)匹配物體真實灰度值提高了紋理映射的精度，重建出具有真實表面紋理的三維紋理模型。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]附圖標記說明:1_支架，1.1-頂部支架，1.2-第一側(cè)面支架，1.3-第二側(cè)面支架，2-導(dǎo)軌,3-第一 (XD攝像機,4-第二 (XD攝像機,5-第一激光器,6-第二激光器,7-第三激光器，8-待測物品。

【具體實施方式】
[0021]顏色映射能夠真實反映出物體的紋理細節(jié)，并且還能不破壞被測物體的拓撲結(jié)構(gòu)。在線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)中將顏色映射與曲面的還原過程相融合，即將輪廓表面重建與紋理重建相結(jié)合能夠極大的縮短整個表面重建的時間，利用系統(tǒng)相機標定的隱參數(shù)匹配物體真實灰度值提高了紋理映射的精度。
[0022]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明所保護的內(nèi)容不局限于以下所述。
[0023]如圖1所示，一種三維測量系統(tǒng)，其特征在于，是基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量系統(tǒng)，包括支架1、導(dǎo)軌2、兩個CCD攝像機和三個共面線的線結(jié)構(gòu)激光器，支架I包括矩形的頂部支架1.1、相對設(shè)置的第一側(cè)面支架1.2和第二側(cè)面支架1.3，第一側(cè)面支架1.2和第二側(cè)面支架1.3頂部與頂部支架1.1的四個端點固定連接，第一側(cè)面支架1.2和第二側(cè)面支架1.3頂部的地步放置在地面上；第一 CXD攝像機3和第二 CXD攝像機4分別通過二維移位固定支架固定安裝在第一側(cè)面支架1.1上，第一激光器5和第二激光器6通過二維調(diào)整平臺安裝在第二側(cè)面支架1.2上，第三激光器7通過二維調(diào)整平臺安裝在頂部支架1.1上，三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，三個線結(jié)構(gòu)激光器與被測物品中心線的距離相等，待測物品8放置在導(dǎo)軌2上，導(dǎo)軌2通過步進電機進行驅(qū)動。
[0024]由于CCD攝像機和線結(jié)構(gòu)激光器均固定在測量系統(tǒng)的支架上，要實現(xiàn)激光對被測物的縱向掃描來獲取系列的輪廓線，如果移動攝像機和激光器來掃描，那么系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性將會下降，并且很難控制掃描速度。為了解決上述問題，本測量系統(tǒng)采用固定CCD攝像機和線結(jié)構(gòu)激光器的位置，移動待測物品相對于激光的位置來掃描物體，為方便被測物的移動速度和距離的控制，使用步進電機來對被測物的移動進行精確控制。
[0025]線結(jié)構(gòu)光三維輪廓測量系統(tǒng)重構(gòu)出的輪廓曲面是用二值化(灰度沒有變化)輪廓線構(gòu)成的三維曲面，為了反映三維曲面紋理，必須用真實灰度輪廓線構(gòu)成三維曲面。基于此，本發(fā)明提出了一種新的顏色紋理映射方法來構(gòu)建由真實圖像輪廓線(灰度有變化)構(gòu)成的不失真三維輪廓曲面。采用上述的三維測量系統(tǒng)來獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)的方法為:調(diào)節(jié)二維調(diào)整平臺使線結(jié)構(gòu)激光器的激光面共面，三個線結(jié)構(gòu)激光器發(fā)射的激光在待測物表面形成一個環(huán)形橫截面輪廓的激光光帶，再使用CCD攝像機獲取光帶圖像，將獲取的圖像傳送到計算機中計算被測物的輪廓信息，CCD攝像機分別捕獲激光光帶的左右兩部分，保證了最終獲取一個完整的環(huán)形橫截面輪廓圖，通過顏色紋理映射使無任何色彩的二值化的輪廓線具有色彩信息或灰度信息；具體操作步驟如下:
[0026]S1:獲取圖像，打開三個線結(jié)構(gòu)激光器，兩個CCD攝像機分別捕獲的圖像，并將捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線結(jié)構(gòu)激光器，CXD攝像機再次捕獲相同位置的圖像，記為I11 ；
[0027]S2:對由圖像Ip I11所得的鎖定成像進行圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線記為I1(WV)；
[0028]S3:獲得曲線I1(Uj)對應(yīng)的沒有激光照明時的灰度曲線，即曲線I1(WV)映射到圖像I11中形成一條灰度曲線，該灰度曲線記為h (U，V)，然后將記為h (U，V)的灰度曲線還原，獲得一條物體在三維空間某一橫截面的真實圖；
[0029]S4:重復(fù)步驟SI?S3，將待測物品8以沿導(dǎo)軌2平移，獲得一系列有灰度信息的輪廓線；
[0030]S5:利用系統(tǒng)標定獲得的隱參數(shù)將從灰度輪廓線上提取出灰度信息與從單像素輪廓線上提取的位置點云數(shù)據(jù)匹配，獲得具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)，利用VTK(visualizat1ntoolkit)軟件進行計算，計算過程中，采用三維表面輪廓重建技術(shù)將具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出一個具有表面紋理信息的三維數(shù)字模型。
[0031]進一步地，本實施例的步驟S2中的圖像處理包括圖像濾波、二值化處理和細化處理。
[0032]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三維測量系統(tǒng)，其特征在于，是基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量系統(tǒng)，包括支架(I)、導(dǎo)軌(2)、兩個CCD攝像機和三個共面線的線結(jié)構(gòu)激光器，支架(I)包括矩形的頂部支架(1.D、相對設(shè)置的第一側(cè)面支架(1.2)和第二側(cè)面支架(1.3)，第一側(cè)面支架(1.2)和第二側(cè)面支架(1.3)頂部與頂部支架(1.1)的四個端點固定連接；第一 CCD攝像機(3)和第二CCD攝像機(4)分別通過二維移位固定支架固定安裝在第一側(cè)面支架(1.1)上，第一激光器(5)和第二激光器(6)通過二維調(diào)整平臺安裝在第二側(cè)面支架(1.2)上，第三激光器(7)通過二維調(diào)整平臺安裝在頂部支架(1.1)上，三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，三個線結(jié)構(gòu)激光器與被測物品中心線的距離相等，待測物品(8)放置在導(dǎo)軌(2)上，導(dǎo)軌(2)通過步進電機進行驅(qū)動。
2.一種獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)的方法，采用如權(quán)利要求1所述的三維測量系統(tǒng)，其特征在于，調(diào)節(jié)二維調(diào)整平臺使線結(jié)構(gòu)激光器的激光面共面，三個線結(jié)構(gòu)激光器發(fā)射的激光在待測物表面形成一個環(huán)形橫截面輪廓的激光光帶，再使用CCD攝像機獲取光帶圖像，將獲取的圖像傳送到計算機中計算被測物的輪廓信息，通過顏色紋理映射使無任何色彩的二值化的輪廓線具有色彩信息或灰度信息；具體操作步驟如下: 51:獲取圖像，打開三個線結(jié)構(gòu)激光器，兩個CCD攝像機分別捕獲的圖像，并將捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線結(jié)構(gòu)激光器，CXD攝像機再次捕獲相同位置的圖像，記為I11 ； 52:對由圖像Ip I11所得的鎖定成像進行圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線記為Ku, V)； 53:獲得曲線I1(Uj)對應(yīng)的沒有激光照明時的灰度曲線，即曲線I1(Uj)映射到圖像I11中形成一條灰度曲線，該灰度曲線記為h (U，V)，然后將記為h (U，V)的灰度曲線還原，獲得一條物體在三維空間某一橫截面的真實圖； 54:重復(fù)步驟SI?S3，將待測物品(8)以沿導(dǎo)軌(2)平移，獲得一系列有灰度信息的輪廓線； 55:利用系統(tǒng)標定獲得的隱參數(shù)將從灰度輪廓線上提取出灰度信息與從單像素輪廓線上提取的位置點云數(shù)據(jù)匹配，獲得具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)，采用三維表面輪廓重建技術(shù)將具有灰度信息的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出一個具有表面紋理信息的三維數(shù)字模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獲得真實3D紋理點云數(shù)據(jù)的方法，其特征在于，所述的步驟S2中的圖像處理包括圖像濾波、二值化處理和細化處理。
【文檔編號】G01B11/24GK104266587SQ201410485980
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】余學(xué)才, 王寧寧, 江倩, 蔣波 申請人:電子科技大學(xué)