[發明專利]文物旋轉結構光三維數字化建模方法

有效

• 申請號: 201010160681.X
• 申請日: 2010-04-22
• 公開（公告）號: CN101853521A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 胡慶武;王少華;林紅輝
• 申請（專利權）人: 武漢微目科技有限公司
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01B11/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 劉榮

技術領域

本發明涉及文物數字化、計算機視覺和精密測量技術領域，尤其涉及一種對形體旋轉產生結構光進行精密測量和三維數字化建模方法。

背景技術

隨著時間的流逝和人類活動的影響，古文物不斷遭到破壞，如何采用新技術、新手段對文物進行數字化處理，讓人類瑰寶永存已經成為迫在眉睫的全球性問題。近年來，三維文物的數字信息記錄技術的發展越來越受到廣泛的重視，人們對各種各樣記錄技術的研究正興方未艾。從目前國內外發展現狀來看，三維物體的記錄方法大體上可以分為四類，即基于直接測量的方法、基于X射線CT掃描的方法、基于計算機視覺的方法和基于三維掃描儀的方法。基于直接測量的方法工作量大；采用X射線CT掃描價格較昂貴，體積較大，不能到現場掃描文物，此外，由于要分層掃描，掃描一件文物的時間也較長；計算機視覺進行文物三維重建存在自動化處理的困難，由于文物的表面復雜，從單一的角度獲取文物的掃描數據存在遮擋問題；采用三維激光掃描又存在對文物的損傷且數據處理復雜，如何快速獲取文物表面全面的三維數據，是實現數字化文物管理，并應用于文物考古應用實踐的一大難題。

傳統的繪圖、照相、攝影以及文字記錄手段限于某種因素，只能獲得三維物體的二維影像，無法準確而詳細地記錄文物的幾何信息和三維形態，基于雙目計算機視覺的方法可直接在影像上量測，但其存在同名點匹配和自動提取的問題；三維激光掃描的方法則可以直接獲取形體的三維坐標，但激光對文物表面存在損傷且數據處理復雜。

發明內容

本發明的目的是提供一種雙目CCD立體視覺測量、激光掃描結構光測量和形體旋轉斷面測量相結合的低成本、無損傷、全自動化的文物三維數字化重建的方法，以實現大量文物快速、全自動化三維數字化建模和建庫。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種文物旋轉結構光三維數字化建模方法，包括以下步驟：

(1)、采用激光束的能量不超過2瓦強度的線激光掃描器在文物表面產生穩定的線結構光，計算掃描線結構光斷面的三維坐標；

(2)、采用雙目CCD立體視覺系統同步拍攝文物成像，獲得激光掃描器結構光產生的具有線特征的文物立體像對，并得到立體像對的外方位姿態元素構成的旋轉矩陣；

(3)、對立體像對上線特征立體影像進行基于形態學膨脹和腐蝕運算的預處理，計算線特征方程生成線特征點集，采用攝影測量核線約束原理自動匹配，建立立體像對兩個線特征點集的對應關系；

(4)、采用雙目立體像對攝影測量的原理確定的立體像對的內方位元素和外方位元素，構成線特征的各個點的三維坐標，即文物線斷面三維坐標；

(5)、旋轉文物，并重復執行步驟(1)～(4)，計算每個旋轉角度的掃描線結構光斷面的三維坐標及文物線結構光斷面三維坐標；

(6)、將各個旋轉角度的文物表面三維坐標點集數據，融合成文物表面全部三維坐標點集，建立文物三維數字化模型。

所述采用激光束的能量不超過2瓦強度的線激光掃描器在文物表面產生穩定的線結構光，計算掃描線結構光斷面的三維坐標，具體為：

將線激光掃描器安裝在固定的旋轉臺上，以固定旋轉臺0位為參考，精確測定線激光掃描器中心的位置參數X₀，Y₀，Z₀和平臺法線的姿態參數ω，κ，記錄；

啟動線掃描激光器，設置其為線掃描模式，對文物線斷面進行掃描，在文物表面形成結構光，記錄每一個掃描激光點與平臺法線的夾角Δβ和線結構光上每一個激光掃描點測量值D；

按照線掃描上每一個點間隔，結合線激光掃描器中心的位置姿態參數，采用式(1)計算文物線斷面的三維坐標(X_L，Y_L，Z_L)：

式中，F_X、F_y、F_z分別表示沿x，y，z方向，按照姿態參數ω，κ和每一個掃描激光點與平臺法線的夾角Δβ及線結構光上每一個激光掃描點測量值D計算的坐標分量，其具體計算公式為：