微型激光三维模型重建系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种微型激光三维模型重建系统及方法，本三维模型重建系统包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台；三维模型重建方法包括系统标定、三维扫描、数据反求及处理三部分。其中，系统标定建立了一张联系图像点坐标与三维坐标的对应查找表，以此建立图像点与三维坐标之间的对应关系；三维扫描方法采用三步相移法完成，通过软件控制激光振镜投射三幅等相移量的正弦光栅条纹，CCD相机结合旋转工作台捕捉并获取多个视角的图像；数据反求及处理部分采用三步相移算法和经典相位展开算法，计算得到物体的点云三维坐标数据，完成三维模型的重构。完成三维模型的重构。完成三维模型的重构。

【技术实现步骤摘要】
微型激光三维模型重建系统及方法


[0001]本专利技术属于结构光三维重建
，涉及一种微型激光三维模型重建系统及方法。

技术介绍

[0002]三维模型重建技术即在计算机内生成物体三维表示，其主要有两类方法。一类是使用三维建模软件生成物体三维几何模型，比如:3DMAX、Maya、UG、Solidworks等等；另一类是指利用二维投影恢复物体三维信息的数字过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。
[0003]基于上述两种方法，中国专利技术专利——申请号为CN201410243056.X涉及“一种基于光栅扫描的数字化三维重建系统及方法”公开了一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建系统,包括管理单元、数据采集单元、数据处理单元和三维重建单元；利用光栅扫描设备和软件并进行颜色贴图和材质复原实现对物体的三维重建。其三维重建系统硬件设施复杂，设备体积大；光栅扫描方法采用数字化DLP投影仪，与激光振镜投射光栅相比具有成像精度低、投影图像易失帧、人工调节速度慢等缺点。

技术实现思路

[0004]为了克服现有的三维数字化重建系统及方法的如下缺点：
[0005]1.三维数字化重建系统设备体积大，硬件设施复杂，技术成本高；
[0006]2.图像特征点提取方法恢复物体三维形貌速度慢，对于结构复杂的物体易出错；
[0007]3.数字化DLP投影仪投影图像易失帧造成的成像精度低、人工调节速度慢。
[0008]本专利技术提供一种微型激光三维模型重建系统及方法，该方法采用激光振镜投射光栅，使用FPGA编程控制激光振镜产生三幅等相移量的光栅图像，并投射到物体表面，由CCD相机获取变形条纹图，采用标准的三步相移算法计算光栅图像的相位主值，由相位计算模型提取相位，最后通过激光三角测量方法和高度映射公式计算出物体的三维坐标数据。其优势在于具有较高的成像精度，克服了
技术介绍
中存在的投影图像易失真、人工调节速度慢的缺点。
[0009]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种微型激光三维模型重建系统，其特点是包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台。
[0010]红绿蓝三色激光器通过高反镜和合束镜使合成光路进入激光振镜；激光振镜由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机对应采集三帧变形条纹图；CCD相机与旋转工作台在同一高度，旋转工作台由自身的步进电机控制旋转。
[0011]本专利技术还提供了一种相应的微型激光三维模型重建方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1.系统标定
[0013]首先使用CCD相机采集三维靶标特征点数据，并提取其对应的二维图像坐标，利用
标定算法精确获取相机参数；投影设备标定采用将坐标已知的二维特征点图案投射到靶标板上，CCD相机采集特征图案并提取特征点，利用CCD相机的标定参数和靶标板当前三维值，计算特征点的三维坐标值，进而获取投影设备的输入数据参数。
[0014]步骤2.三维扫描
[0015]通过计算机控制激光振镜产生三幅等相移量的正弦光栅，投射到物体表面；同时计算机实时控制旋转工作台以预设的步幅移动，使物体能够完全被激光扫描，同时CCD相机实时捕捉图像并存储入计算机中。
[0016]步骤3.数据反求及处理
[0017]剪裁图像，去除图像非有效照射部分和环境图像等冗余信息；采用阈值分割算法对图像进行二值化处理使图像具有更明显的黑白效果，提取变形的光栅条纹使用相位展开算法得到物体的三维坐标数据；最后对伪数据做剔除处理和断线插补处理。
[0018]本专利技术的有益效果是：由于采用激光振镜投影光栅条纹，降低了系统设备成本，解决了图像特征点提取方法速度慢和DLP投影技术易失帧的不足，提高了系统的扫描精度和效率。
附图说明
[0019]图1为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的系统标定示意图；
[0020]图1中，1为计算机，2为激光振镜，3为CCD相机；
[0021]图2为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的硬件设施图；
[0022]图2中，2为激光振镜，3为CCD相机，4为红绿蓝三色激光器，5为高反镜，6为合束镜，7为旋转工作台；
[0023]图3为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的三幅等相移量的光栅图像；
[0024]图4为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的方法流程图；
[0025]图5为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的伪数据处理和断线插补处理的具体步骤流程图；
[0026]图6为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的系统测量示意图。
具体实施方式
[0027]下面结合具体实施方式对本专利技术作详细说明。
[0028]系统实施例：
[0029]一种微型激光三维模型重建系统，包括计算机1、激光振镜2、CCD相机3、红绿蓝三色激光器4、高反镜5、合束镜6和旋转工作台7。
[0030]CCD相机3和激光振镜2与计算机1以USB方式相连接，由红绿蓝三色激光器4发射的激光通过高反镜5和合束镜6使合成光路进入激光振镜2；激光振镜2由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机3对应采集三帧变形条纹图；CCD相机3与旋转工作台7在同一高度，旋转工作台7由自身的步进电机控制旋转。
[0031]方法实施例：
[0032]参照图4，为本专利技术所述的微型激光三维模型重建系统的方法流程图。
[0033]步骤1、三维重构的系统标定。
[0034]本专利技术采用的系统标定方法的原理参照图1的系统标定示意图，进而建立了一张联系图像点坐标与三维坐标的对应查找表，该方法即通过在光平面上放置一块特征点三维坐标已精确知道的系统标定板，再经过测量特征点点阵的图像坐标并以像素表示，以此建立图像点与三维坐标之间的对应关系；通过MATLAB软件记录下每个点的图像坐标及世界坐标，测量时其余点坐标按照一定的步长并通过插值法求出；该系统标定步骤如下：
[0035]步骤1.1:参照图1，建立系统标定示意图的系统标定结构及参考坐标系；
[0036]步骤1.2:激光打印一张特征点三维坐标已精确知道的系统标定板；
[0037]步骤1.3:将系统标定板置于投射光平面与CCD相机3的有效范围内，系统标定板垂直于激光振镜2光心方向；
[0038]步骤1.4:拍摄一张图像并检测图像中的特征点；
[0039]步骤1.5:为特征点编号，记录每个特征点的索引号、图像坐标(X,Y)与世界坐标(Xw，Yw，Zw)；
[0040]步骤1.6:重复步骤1.3、1.4、1.5，多次取平均值，将最后结果填入对应查找表。
[0041]步骤2、三维重构的三维扫描。
[0042]参照图2的硬件设施图，本专利技术的微型激光三维模型重建系统包含如下设备：计算机1、激光振镜2、CCD相机3、红绿蓝三色激光器4、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型激光三维模型重建系统，其特征在于：包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台。2.根据权利要求1所述的微型激光三维模型重建系统，其特征在于：CCD相机和激光振镜与计算机相连接，红绿蓝三色激光器通过高反镜和合束镜使合成光路进入激光振镜；激光振镜由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机对应采集三帧变形条纹图；CCD相机与旋转工作台在同一高度，旋转工作台由自身的步进电机控制旋转。3.一种采用权利要求1或2的微型激光三维模型重建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、系统标定。首先使用CCD相机采集三维靶标特征点数据，并提取其对应的二维图像坐标，利用标定算法精确获取相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：高逦，常婷玉，
申请(专利权)人：江西翱翔智能无人技术产业研究院，
类型：发明
国别省市：