[发明专利]利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及快速自动三维重建技术领域，特别是一种利用单目结构光和电动二维旋转平台快速获取未知物体的三维模型的自动重建方法。

背景技术

    人类对外部世界的感知主要是依靠视觉。据研究，人类通过自身感官所获得的外界信息，有80％来源于视觉。而视觉本身是一个能够感受光信号，并可以传输、处理、存储与理解视觉信息的过程。随着科技的发展与人类的进步，人们开始通过摄像机模仿人眼获取环境图像，并将其转换成数字信号，然后通过计算机实现对视觉信息的处理，这就是计算机视觉。另一方面，由于工业生产等方面的需要，使得人们对物体外形的测量技术不断提出新的要求。而计算机视觉的发展，使人们渐渐意识到这将引起测量技术尤其是非接触式测量技术的重大变革。

   随着科学技术和工业生产的迅猛发展，许多领域都需要对三维物体的形状进行快速准确的测量。而且，随着计算机技术的发展以及数字成像装置、激光器和其他光电元件的出现，三维形状测量技术已逐渐成熟，并根据各自特点广泛应用于机器人视觉，自动制造和产品质量控制等不同领域。三维测量技术根据测量方式的不同可分为两大类，即接触式测量和非接触式测量。传统的三维测量方法是接触法，如三坐标机，它用可以精确定位的测头去接触物体表面，测出被接触点的空间坐标。测头在物体表面扫描一遍，就可以得到物体表面各点的空间坐标．以三坐标机为代表的接触式测量技术在精度上是其他方法所不能替代的，但是接触式测量固有的一些缺陷也同样限制了其自身的发展。第一，测头在与被测物接触时会产生一定程度的压力，这种压力足以使柔软物体的表面产生微小形变，因而影响测量结果；第二，理想测头应该是一个表面积为零的点，而实际中的测头表面积不可能为零，所以无法测量某些复杂表面的细微特征：第三，逐点测量的方式限制了测量的速度，不适合对表面积较大的物体进行测量。第四，与精密被测物接触还会导致其表面磨损，同时也会使测头本身造成损伤，限制了测量次数和精度。因此，接触式测量的缺陷来源于三维测量技术，己成为各国研究的热点，它弥补了接触式测量的不足，虽然测量精度不能与接触式测量相比，但是随着计算机与微电子技术的进步，这一问题也正在得到解决。基于视觉的非接触式三维测量是以三维视觉传感器所获得的深度图像来恢复物体的三维形状。这种非接触三维测量技术具有效率高、自动化程度高、造价较低等优点，在工业生产和现实生活中有着广阔的应用前景。

准确和高效率的三维测量方法不仅是三维重建的基础，而且也是快速、自动的进行三维重建所必须的。现有的三维模型测量方法分接触式测量和非接触式测量两种。

1、接触式测量：接触式测量主要是使用一些机械式的手工测量仪器或由接触式传感器组成的电子测量仪器，其中以手工测量为主。手工测量的工具主要包括：布带尺、钢卷尺、划笔、量高仪、踏脚印器和量脚卡尺。手工测量从测量方法上又分为直接法和间接法。直接法比较简单。首先用笔在脚的特征部位上标出有关测量点，利用布带尺、量高仪等工具可以直接测量出脚的各个有关数据。间接法利用脚印器踏出脚印并绘制出脚的轮廓线，然后再进行测量分析。接触式脚型测量的优点是投资少、操作步骤简单、灵活性强、方便携带、便于短时间内在不同的测量地点进行测量。缺点是接触式测量方式会对脚部产生压力，引起脚部形变，造成测量误差，测量时间长，而且测量的脚部参数有限，有些较复杂的参数或曲线无法测量，工作效率低、劳动强度大、重复再现性差、测量者之间的误差大，同时，这种测量方式难以获得脚部整体的数据信息。也不能对脚的截面形态进行数据采集。无法进行更深层次的研究。

2、非接触式测量：在计算机、光学等学科发展的带动下。光学非接触式测量作为近年来兴起的一门测量技术受到越来越多的重视。目前，光学非接触式测量方法主要有构光测量、立体视觉测量、激光测量等。

（1）结构光测量：结构光三维视觉基于光学三角法原理，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器（如摄像机）获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度与速度相互矛盾，难以同时得到提高。