[发明专利]一种自由移动式三维扫描方法

说明书

本发明一种自由移动式三维扫描方法，属于光学检测领域，涉及一种全场三维轮廓测量方法、一种手持式测量设备和一种基于纹理和曲面曲率和法线方向的多角度拼接方法。移动手持式的高精度三维扫描一直是扫描领域的难题，本发明采用三频彩色条纹投影的方法通过投影设备投影1∶4∶12的三频彩色条纹到被测物表面，相机单帧曝光拍摄变形条纹图。一方面，变形条纹图采用三频相位展方法计算出高频载频展开相位，由系统标定参数得到被测物的三维点云。另一方面，从变形条纹图可以恢复被测物表面的纹理图。手持式扫描对多角度拼接提出了更高的要求，本发明采用根据彩色纹理特征，以及测量曲面曲率和法线方向约束，实现了多角度点云的无标志拼接。

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种全场三维轮廓测量方法、一种手持式测量设备和一种基于纹理和曲面曲率和法线方向的多角度拼接方法。

背景技术

目前市面上已有的便携式扫描仪，一些只是体积较小、便于携带，但是每次测量需要多帧连续曝光采集变形条纹图才可以重建三维点云，操作方式一般是：选好位置，固定仪器，测量，移动位置，固定，测量，···。这种工作方式测量效率很低，也无法实现手持式连续扫描，不且不适于对动态物体进行扫描。还有一些便携式扫描仪，虽然可以采用手持式扫描方式，借助于立体视觉技术，但测量前需要在被测物上贴标志点，导致测量效率低、工作量大，而且机器视觉的方法重建的点与所贴标志点多少？位置？相关，因此无法重建密集点云。激光三维扫描仪也可以做成便携式扫描仪，这种便携式扫描仪同样要求自身在测量过程中保持静止，因而无法实现手持式扫描，此外，激光扫描仪为点扫描或线扫描，因此扫描效率低。

就上述几种技术而言，手持式三维扫描仪的多角度拼接也是存在的一个重要问题。一方面，可以通过标定多次测量扫描仪的位置或被测物的位置实现拼接，但是标定需要辅助设备，例如位移台，既增加成本又限制了适用场合。另一方面，通过在被测物表面贴一些标志点来辅助拼接，会导致测量周期变长，测量复杂化。

综上所述，就技术和市场需求而言，急需一种既满足手持式测量，又能够动态测量的手持式三维实时扫描仪，并且可以很好拼接各角度测量结果的扫描方法。

发明内容

本发明的目的在于实现一种便于携带和操作的手持式扫描方法，适用于大多数测量对象，且不需要大量标志点，同时很好的实现多角度测量的拼接问题。

提供一种自由移动式三维扫描方法，包括一个彩色相机、一个彩色投影设备，控制器等，其特征在于，相机和投影设备呈锐角夹角布置，由控制按钮控制发开始和停止测量，投影设备投影三频彩色正弦条纹到被测物表面，控制器来控制相机触发拍摄，经相机单帧曝光拍摄彩色变形条纹图。一方面，变形条纹图采用三频相位展方法计算出高频载频展开相位，由系统标定参数得到被测物的三维点云。另一方面，变形条纹图采用频域最小化方法得到三频正弦条纹分量，从彩色变形条纹图减去三频正弦条纹分量恢复被测物表面的纹理图。相邻两帧纹理图用SIFT交点提取的方法可以获得两两对应的稀疏角点，用这些角点所对应的空间点计算出相邻两帧测量点云之间的初始坐标变换矩阵p1，通过坐标变换将两个三维点云统一到前一个点云坐标系下；每帧测量的被测物三维点云进行三角面片划分，并计算每个三角面片的曲率和法线，将统一坐标系后的三维曲面采用全局曲率最大相关和法线方向最大相关求解出将两个点云进一步拼接的坐标变换矩阵p2，并进行坐标变换；坐标变换后的两个点云采用ICP(Iterative Closest Point)方法进行迭代，找到两个点云更准确拼接在一起的坐标变换矩阵p3；所以，第i+1帧所测得三维点云左乘矩阵pi＝p1·p2·p3，就完成了将其与第i帧曝光所测得三维点云拼接到一起，左乘H_i＝P1·P2·P3·····Pi将其第1帧测量结果拼接在一起，所有测量的点云都与第1帧测量结果拼在一起，就完成了本次测量的完整拼接。