[发明专利]一种快速高效的镜面物体表面三维重建的新方法

说明书

本发明提供了一种具有可行性和有效性的基于光的反射的镜面物体表面三维重建方案，对多目相机系统进行标定，统一世界坐标系。然后依次计算光源点，反射点和光心的坐标。之后根据上述步骤计算获得的坐标并结合光的反射原理，计算出表面的梯度点云数据。最后，对梯度点云积分得到了重建的高度点云数据，对点云作平滑滤波处理后进行表面图绘制，得到物体的表面三维重建图。

技术领域

本发明属于三维重建技术领域，具体是一种基于光的反射的镜面物体表面三维重建的方法。

背景技术

现代科学研究中，三维重建技术在众多研究领域中都占据重要地位，包括但不限于计算机、通信工程和光学工程等等，大量技术人员都投身致力于三维重建技术，以期获得大的突破。在保证效率与准确度的同时，获取物体的三维形状在医学、建筑、军事、建筑以及摄影等诸多领域都意义重大。因此，毫无疑问的是，三维重建技术在未来会占据重要地位。三维表面测量技术中又分为接触式和非接触式，传统的接触式有较大的局限性，其一是可能会损坏重建目标，其二是水面等流动液体作为重建目标时技术难度较大。而非接触式测量技术能较好解决上述问题，典型的非接触式测量技术如光电技术和信息处理技术，精度速度兼备，是研究发展的主阵地。投影法、激光三角法和反射法是光学三维表面测量的常用技术，对于漫反射目标，投影法、激光三角法较为适用，而对于一些精度要求较高的光学器件，反射法则应用广泛。

相机的工作原理是将三维世界中的物体投影到平面上，完成三维到二维的转换。而三维重建恰恰相反，它的目标是实现二维到三维的转换，完成物体的重构，可以认为三维重建是相机成像的逆过程。通常二维图像中包含的信息是严重不足的，因为它只能反映某个特定角度，三维模型则截然不同，它可以从任意角度进行观察，信息全面丰富准确。无论是娱乐领域追求极致的视觉体验，还是军事医疗领域追求信息的准确全面，三维重建技术都具有重大意义。

发达国家在三维重建方向上的研究起步较早，取得了较多的成果。国内在此方面的研究投入虽然起步晚，但是发展迅速。尽管三维重建技术在众多技术方向上都已取得较大的成绩，但是针对水面等流动液体的重建仍然是一个具有难度的问题，此外，三维重建的精度与重建方法的复杂度是重建工作中普遍存在的矛盾。

发明内容

本发明针对目前传统物体表面三维重建方法会对物体造成接触且重建精度不高的问题，提出一种基于光的反射的镜面物体表面三维重建的新方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

(1)多目系统的标定采用两两标定的方法，即对相机1和相机2，相机1和相机3，相机1和相机4分别进行双目标定。则这三组标定的世界坐标系都会与相机1的摄像机坐标系重合，顺利统一了世界坐标系，而由各组双目标定所得到的旋转和平移矩阵，又能得到相机2，相机3，相机4与相机1的关系。

(2)根据光的反射原理推导出求解物体表面梯度点云的公式，只要获得一组光源点，反射点和光心的世界坐标，就可求出物体表面该反射点的梯度。

(3)预设反射点的高度，根据多目系统采集的物体表面反射图像的像素坐标和相机标定原理计算出反射点世界坐标，采用迭代逼近算法减小预设高度的误差。利用相机标定原理和光源模板的像素坐标求取光源点世界坐标和光心世界坐标。

(4)根据反射点，光源点和光心的世界坐标求取物体表面梯度，根据梯度点云计算高度点云，做平滑滤波后重建物体表面三维图。

进一步的，根据光的反射原理推导出求解物体表面梯度点云的公式如下：根据光线反射定律，有

R-I＝kN