一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)及3d紋理圖像構(gòu)造算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)及3D紋理圖像構(gòu)造算法，該系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)、二維移位固定支架、線激光器和二維調(diào)整平臺；所述CCD攝像機(jī)固定于所述二維移位固定支架的一端，所述線激光器固定于所述二維移位固定支架的另一端；所述二維調(diào)整平臺設(shè)置于所述二維移位固定支架上，用于放置被測物。基于該系統(tǒng)的3D紋理圖像構(gòu)造算法，以一種新的顏色紋理映射方法來構(gòu)建由真實(shí)圖像輪廓線構(gòu)成的不失真三維輪廓曲面，其核心思想是：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)。本發(fā)明能夠重建出具有真實(shí)表面紋理的三維紋理模型。
【專利說明】一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)及3D紋理圖像構(gòu)造算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物體三維測量領(lǐng)域，尤其涉及一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，以及基于該系統(tǒng)的3D紋理圖像構(gòu)造算法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器視覺、三維測量和計(jì)算機(jī)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(jià)值而成為研究熱點(diǎn)。基于激光掃描的光學(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(shí)幾何輪廓結(jié)構(gòu)，但顯示的三維圖像一般是網(wǎng)狀和點(diǎn)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(shí)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(shí)紋理甚至色彩。例如文物表面三維圖像，希望計(jì)算機(jī)所顯示的三維圖像要有真實(shí)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(shí)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]目前基于激光掃面獲取三維點(diǎn)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(shí)紋理變化的功能，其三維圖像的構(gòu)造算法也不能用于具有真實(shí)感的三維紋理圖像構(gòu)造。目前已有的三維紋理圖像顯示是用假紋理圖像模塊去填充網(wǎng)格點(diǎn)云之間的空白區(qū)域，以模擬物體表面紋理明暗變化，不具有真實(shí)性。在計(jì)算機(jī)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)，它能在一定程度上模擬物體表面的紋理細(xì)節(jié)。但它并不是物體表面紋理的真實(shí)反映。
[0004]以清華大學(xué)自主研發(fā)的三維激光與可見光同步掃描系統(tǒng)TH-3DLCS-2001為平臺，提出了基于激光同步掃描圖像的三維景物模型紋理映射方法。首先對同步掃描圖像和三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，估計(jì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，然后利用激光同步掃描圖像作為中介，采用兩步法進(jìn)行高分辨率圖像與激光掃描數(shù)據(jù)的全局和局部誤差估計(jì)，最后在高分辨率紋理映射過程中進(jìn)行反向誤差補(bǔ)償?；诩す馔綊呙鑸D像的紋理映射提出以激光同步掃描可見光圖像為中介，不固定相機(jī)位置的方式實(shí)現(xiàn)紋理映射，并通過兩步法進(jìn)行誤差估計(jì)和補(bǔ)償以提高映射精度。但該方法采用不固定相機(jī)位置的方式實(shí)現(xiàn)紋理映射，相機(jī)參數(shù)需要估計(jì)獲得，準(zhǔn)確性受到制約，必須進(jìn)行誤差估計(jì)和補(bǔ)償來提高映射精度。
[0005]激光點(diǎn)云的著色和三角網(wǎng)模型的紋理映射的總體設(shè)計(jì)另一種方案是，利用RieglLMS 420i三維激光掃描儀和Nikon DlOO數(shù)碼相機(jī)獲取點(diǎn)云及圖像數(shù)據(jù)，選定地理對象，經(jīng)過布設(shè)合理的測站，掃描得到目標(biāo)對象完整的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)及強(qiáng)度信息，數(shù)碼相機(jī)固定在激光掃描儀上時(shí)先獲取圖像，然后再將相機(jī)取下，從不同角度對目標(biāo)進(jìn)行拍攝，以獲得更全面的紋理數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯，除去點(diǎn)云中的非目標(biāo)采樣點(diǎn)。接著利用點(diǎn)云和影像中獲取的6對同名點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)直接線性變換原理確定點(diǎn)云模型采樣點(diǎn)與影像中對應(yīng)像素的行列號之間的關(guān)系，然后計(jì)算出每一個采樣點(diǎn)對應(yīng)的行列號，從而將該行列號處的RGB值賦給該點(diǎn)，這樣就得到了具有真實(shí)顏色信息的點(diǎn)云模型。根據(jù)點(diǎn)云中點(diǎn)的三維幾何坐標(biāo)信息通過直接線性變換對圖像進(jìn)行糾正，將糾正后的圖像保存，供下面的三角網(wǎng)模型的紋理映射使用。著色后的點(diǎn)云可以直接生成密集的三角網(wǎng)模型，對三角網(wǎng)模型進(jìn)行渲染時(shí)小三角面片的顏色RGB分別取三個頂點(diǎn)顏色RGB的平均值，這樣可以得到具有真實(shí)顏色的三角網(wǎng)模型。對于較稀疏的三角網(wǎng)模型，使用糾正后的紋理影像采用面面對應(yīng)的方式對每個三角形面片進(jìn)行紋理映射，最后得到具有紋理真實(shí)感的三維表面模型。但該技術(shù)只能對具有鮮明特征點(diǎn)的物體進(jìn)行紋理映射和點(diǎn)云著色，在對無特征點(diǎn)的模型映射時(shí)具有局限性。
[0006]密歇根州立大學(xué)的Hu Han和Anil K.Jain提出了一種基于人臉正面和側(cè)面圖像的三維人臉紋理模型重構(gòu)。由于通常捕獲人臉正面和側(cè)面圖像未經(jīng)校準(zhǔn)，首先通過地標(biāo)對準(zhǔn)的方式將人臉正面和側(cè)面圖像進(jìn)行對齊，并從正面圖像重構(gòu)出初始的三維人臉模型，再利用側(cè)面圖像細(xì)化三維人臉輪廓，最后通過正面圖像的映射提取面部紋理來恢復(fù)三維人臉紋理輪廓。但該技術(shù)只能對有鮮明特征點(diǎn)的物體的部分紋理進(jìn)行映射，并且對所提供的圖像有嚴(yán)格的角度要求，限制了其適用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)及3D紋理圖像構(gòu)造算法。
[0008]技術(shù)方案:
[0009]一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，包括CXD攝像機(jī)、二維移位固定支架、線激光器和二維調(diào)整平臺；所述CCD攝像機(jī)固定于所述二維移位固定支架的一端，所述線激光器固定于所述二維移位固定支架的另一端；所述二維調(diào)整平臺設(shè)置于所述二維移位固定支架上，用于放置被測物。
[0010]進(jìn)一步的，所述線激光器共有三個，分別設(shè)置于所述二維移位固定支架的同一豎直截面上，且該三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，每一個線結(jié)構(gòu)激光器與被測物中心線之間等距。
[0011]進(jìn)一步的，所述CXD攝像機(jī)共一對，分別用于捕獲所述線激光器在被測物上投射的激光光帶的左右兩部分。
[0012]進(jìn)一步的，所述二維調(diào)整平臺在所述二維移位固定支架上相對于所述CXD攝像機(jī)和線激光器移動，以使CCD攝像機(jī)和線激光器完成對被測物的縱向掃描。
[0013]一種基于上述線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的3D紋理圖像構(gòu)造算法，包括以下步驟:
[0014]S1、獲取圖像，線激光器點(diǎn)亮?xí)rC⑶攝像機(jī)捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線激光器，此時(shí)CCD攝像機(jī)捕獲的與激光器點(diǎn)亮?xí)r相同位置的圖像記為I11 ；
[0015]S2、對由步驟SI所述的圖像Ip I11所得的鎖定成像進(jìn)行二值化和細(xì)化的圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線，并將該輪廓線記為I1(Uj)；
[0016]S3、獲得步驟S2所述曲線I1(Uj)對應(yīng)的沒有激光照明時(shí)的灰度曲線，即曲線Ii (u, v)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)；
[0017]S4、將步驟S3所述h(u，v)的灰度曲線還原，即可獲得一條被測物在三維空間某一橫截面的真實(shí)輪廓線圖。
[0018]進(jìn)一步的，在所述步驟S4之后，將被測物相對于CXD攝像機(jī)和線激光器移動，并重復(fù)步驟SI至步驟S4，以獲得被測物的在三維空間的完整紋理圖像。
[0019]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020](I)、本發(fā)明通過構(gòu)建由真實(shí)圖像輪廓線(灰度有變化)構(gòu)成的不失真輪廓線，將其應(yīng)用于線結(jié)構(gòu)光三維重建過程中，實(shí)現(xiàn)具有高度真實(shí)感的紋理映射，重建出具有真實(shí)表面紋理的三維紋理模型；
[0021](2)、采用固定CCD攝像機(jī)和線激光器的位置，移動被測物相對于線激光器的位置來掃描被測物，使相機(jī)獲得準(zhǔn)確的被測物的圖像，提高了測試精度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性也會大大提升；
[0022](3)、本發(fā)明不需要對圖像進(jìn)行特征點(diǎn)的提取及匹配，對于沒有明顯特征點(diǎn)的物體同樣適用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明3D紋理圖像構(gòu)造算法的流程示意圖。
[0025]圖3為獲取具有灰度信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0027]如圖1所示，一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，包括兩個C⑶攝像機(jī)及其二維移位固定支架、三個共面線激光器及其二維調(diào)整平臺；三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，每一個離被測物中心線等距，這樣保證投射到待測物表面的激光帶均勻變化，調(diào)節(jié)二維平臺使激光面共面，使在待測物表面形成一個環(huán)形橫截面輪廓激光光帶，再使用攝像機(jī)獲取光帶圖像，將獲取的圖像傳送到計(jì)算機(jī)中計(jì)算被測物的輪廓信息。兩個CCD攝像機(jī)分別捕獲環(huán)形光帶的左右兩部分，從而保證了最終獲取一個完整的環(huán)形橫截面輪廓圖。由于CCD攝像機(jī)和激光器均固定在測量系統(tǒng)的支架上，要實(shí)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(jī)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)采用固定攝像機(jī)和激光器的位置，移動被測物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(jìn)電機(jī)來對被測物的移動進(jìn)行精確控制。
[0028]線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(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(shí)灰度輪廓線構(gòu)成三維曲面?；诖?，本發(fā)明提出了一種3D紋理圖像構(gòu)造算法來構(gòu)建由真實(shí)圖像輪廓線(灰度有變化)構(gòu)成的不失真三維輪廓曲面。其核心思想是: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)。如圖2，具體操作步驟如下:
[0029]S1、獲取圖像，線激光器點(diǎn)亮?xí)rC⑶攝像機(jī)捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線激光器，此時(shí)CCD攝像機(jī)捕獲的與激光器點(diǎn)亮?xí)r相同位置的圖像記為I11 ；
[0030]S2、對由步驟SI所述的圖像Ip I11所得的鎖定成像進(jìn)行二值化和細(xì)化的圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線，并將該輪廓線記為I1(Uj)；
[0031]S3、獲得步驟S2所述曲線I1(Uj)對應(yīng)的沒有激光照明時(shí)的灰度曲線，即曲線Ii (u, v)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)；
[0032]S4、將步驟S3所述h(u，v)的灰度曲線還原，即可獲得一條被測物在三維空間某一橫截面的真實(shí)輪廓線圖。
[0033]重復(fù)上述步驟，將物體以沿Z軸方向平移就可以獲得一系列有灰度信息的輪廓線。利用系統(tǒng)標(biāo)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(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配，獲得具有灰度信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用VTK(visualizat1ntoolkit)采用三維表面輪廓重建技術(shù)就可以將這些具有灰度信息的點(diǎn)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。獲取具有灰度信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。
[0034]顏色映射能夠真實(shí)反映出物體的紋理細(xì)節(jié)，并且還能不破壞被測物體的拓?fù)浣Y(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(shí)間，利用系統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定的隱參數(shù)匹配物體真實(shí)灰度值提高了紋理映射的精度。
[0035]本發(fā)明技術(shù)方案將紋理映射與三維模型重建相結(jié)合，重建出具有實(shí)物真實(shí)表面紋理的三維模型，提高了三維紋理模型的重建效率。本方案提出的顏色映射不僅能夠真實(shí)反映出物體的紋理細(xì)節(jié)，并且還能不破壞被測物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)標(biāo)定獲得的隱參數(shù)匹配物體真實(shí)灰度值提高了紋理映射的精度。本方案不需要對圖像進(jìn)行特征點(diǎn)的提取及匹配，對于沒有明顯特征點(diǎn)的物體同樣適用。
[0036]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)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(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)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(shí)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(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，其特征在于:包括CCD攝像機(jī)、二維移位固定支架、線激光器和二維調(diào)整平臺；所述CCD攝像機(jī)固定于所述二維移位固定支架的一端，所述線激光器固定于所述二維移位固定支架的另一端；所述二維調(diào)整平臺設(shè)置于所述二維移位固定支架上，用于放置被測物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述線激光器共有三個，分別設(shè)置于所述二維移位固定支架的同一豎直截面上，且該三個線結(jié)構(gòu)激光器采用120°夾角分布，每一個線結(jié)構(gòu)激光器與被測物中心線之間等距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述CCD攝像機(jī)共一對，分別用于捕獲所述線激光器在被測物上投射的激光光帶的左右兩部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，其特征在于:所述二維調(diào)整平臺在所述二維移位固定支架上相對于所述CCD攝像機(jī)和線激光器移動，以使CCD攝像機(jī)和線激光器完成對被測物的縱向掃描。
5.一種基于上述線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的3D紋理圖像構(gòu)造算法，其特征在于，包括以下步驟: 51、獲取圖像，線激光器點(diǎn)売時(shí)CCD攝像機(jī)捕獲的圖像記為I1，然后關(guān)閉線激光器，此時(shí)CXD攝像機(jī)捕獲的與激光器點(diǎn)亮?xí)r相同位置的圖像記為I11 ； 52、對由步驟SI所述的圖像IpI11所得的鎖定成像進(jìn)行二值化和細(xì)化的圖像處理，獲得一條單像素的二值化輪廓線，并將該輪廓線記為I1(Uj)； 53、獲得步驟S2所述曲線I1O1,V)對應(yīng)的沒有激光照明時(shí)的灰度曲線，即曲線I1O1, V)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)； 54、將步驟S3所述h(u，V)的灰度曲線還原，即可獲得一條被測物在三維空間某一橫截面的真實(shí)輪廓線圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于上述線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的3D紋理圖像構(gòu)造算法，其特征在于:還包括，在所述步驟S4之后，將被測物相對于CCD攝像機(jī)和線激光器移動，并重復(fù)步驟SI至步驟S4，以獲得被測物的在三維空間的完整紋理圖像。
【文檔編號】G06T17/00GK104236479SQ201410487499
【公開日】2014年12月24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, 江倩, 王寧寧, 蔣波 申請人:電子科技大學(xué)