[發明專利]一種三維重建方法及系統

有效

• 申請號: 201310542302.7
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103559735A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 周蓉;王鳳麟;楊樹臣
• 申請（專利權）人: 重慶安鉆理科技股份有限公司
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01B11/00;G01B11/25
• 代理公司: 上海翰鴻律師事務所 31246
• 代理人: 李佳銘

技術領域

本發明涉及光學三維測量領域，尤其涉及一種三維重建方法及系統。

背景技術

隨著三維打印技術的發展，快速并且精確地獲取物體的三維數據并進行三維建模具有重要的現實意義和研究價值。通常，人們獲取物體三維模型的方式有三種：第一種方式是利用建模軟件，例如AutoCAD等軟件構造出接近真實物體的三維模型；第二種方式是利用對場景實拍的一系列圖像或者視頻來重建三維模型；而第三種方式則是通過三維掃描設備對物體表面進行三維掃描以獲取物體的三維信息從而重建三維模型。

其中，第三種方式即三維掃描的方式，相比前兩種方式，能夠獲得比較精確的三維數據，適用于有一定精度要求的建模應用中，如復雜機械零件，文物等。而且三維掃描的方式除了精度高的優點外，另一個優點是使用比較簡單方便，并且建模所需時間很少。而三維掃描的方式按照測距探頭不同，基本上可以分為兩個大類:接觸式掃描和非接觸式掃描。接觸式掃描利用接觸式探頭，在測量時探頭需要和被測物體接觸，雖然測量精度非常高，而且測量時完全不受物體表面反光、色彩等屬性的影響，但是由于測距探頭要接觸被測物體表面且要產生一定的壓力，所以會對被測物體造成一定程度的損傷，而且掃描時需要逐點測量，速度較慢，獲取效率難以忍受；且由于測距探頭需要接觸被測物體并產生壓力，因此對被測物體的材質有一定的要求，只能測量表面材質比較硬的物體。

而非接觸式掃描采用光投射裝置將激光或者可見光投射到被測物體表面，然后利用光感應設備對投射的光進行感光，再利用各種理論和技術計算出被測物體表面的深度信息，從而無需與被測物體直接接觸，所以不會直接對被測物體產生物理損傷。這種非接觸式掃描方式也稱為光學三維測量，其在工業自動檢測、產品質量控制、逆向設計、生物醫學、三維文物數字信息記錄、人體測量等眾多領域中具有廣泛應用。

關于如何利用光感應設備所獲得數據計算被測物體的深度信息，發展了很多不同的理論和方法，其中，干涉度量法，飛行時間法和三角測量法是公用的方法，其中三角測量法尤其通用，其通過光感應設備，光投射裝置和被測物體點構成的三角形關系來計算被測物體點的深度信息。關于三角測量法的基本原理如圖1所示。光投射設備O₁發射的光線經過透鏡F₁的光心，物體表面A點將光反射，反射光經過透鏡F₂的光心到達光感應設備上的O₂，O₁AO₂構成的三角形，如果已知O₁，O₂的位置，O₁F₁和O₂F₂的方向，就可以求解A的位置，圖中B點雖然也在射線O₁F₁上，但是在光感應設備上為O₃點，因此可以看到，使用三角測量法可以區分A和B的深度。即可以基于光投射設備所產生的光點O₁和光感應設備上的O₂點的位置來確定A的位置，從而實現三維測量和三維重建。

但是，傳統的三角測量法在實踐中具有許多局限性，1)三角測量法涉及光投射裝置和光感應裝置的各自的焦平面和底片平面坐標系之間的換算，即涉及四個坐標系之間的換算，并且需要無限逼近來取得最后值，算法計算量大，數據精確度較低；2）定標過程復雜，需要使用高精度的定標板以及專門的定標算法；3）無法直接獲得三維物體的色彩信息，不能實現顏色匹配填充。

因此，需要一種能夠同時滿足高計算速度、高數據精度、低成本、易實施的三維測量和重建方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種簡單、快速的三維測量與重建方法，可使非接觸式掃描的掃描方式建立的物體三維模型更加精確，且整套建模系統成本低，實施方便。