[發(fā)明專利]一種基于線偏振光和條紋反射的表面三維重建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110369458.4
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113108720B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙潔;蔡昂;王大勇;戎路;王云新
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了一種基于線偏振光和條紋反射的表面三維重建方法，當(dāng)投影設(shè)備加載均勻照明圖案時，調(diào)旋轉(zhuǎn)相機前的線偏振片采集四張偏振圖像計算線偏振度；當(dāng)投影設(shè)備投影編碼圖案時，偏振片方向固定，采集多張經(jīng)過物體表面面型調(diào)制的反射編碼圖像。信息處理設(shè)備配置為采集四張偏振圖像，計算反射光線偏振度并分析天頂角分布；采集經(jīng)過物體表面面型調(diào)制的反射編碼圖像，通過圖像處理和解碼過程得到相互匹配的投影設(shè)備發(fā)光點與相機像素點；將偏振分析得到的天頂角分布與入射平面三角形幾何約束條件融合，得到物體表面法線信息，并通過對表面梯度積分重建物體面型。本發(fā)明消除偏振三維重建中天頂角二義性誤差問題，并顯著降低硬件成本和操作復(fù)雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)三維檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于線偏振光和條紋反射的表面三維重建方法。

背景技術(shù)

針對透明物體的三維重建方法主要分為兩大類：基于偏振信息的三維重建方法和特殊光源照明掃描重建法。利用特殊光源照明的重建方法需要使用紅外或者紫外光波段的照明設(shè)備和熒光接收器或者是熱輻射探測器獲取經(jīng)過物體不同位置表面反射之后的圖像信息進行重建。該方法測量的樣品可選擇余地受到了限制，不適用于一般介質(zhì)的透明物體。基于偏振信息的三維重建是通過物體的偏振度分布獲得物體表面法向量，但是存在重建過程中的天頂角與方位角的歧義性，引入了測量誤差，需要系統(tǒng)設(shè)計方面的特殊約束條件和多次改變相機采集位置消除測量多義性誤差，這為整體的重建模型引入了操作復(fù)雜性和較低的測量效率。

非接觸式的三維重建技術(shù)是一種快速、無損的視覺重建方法，目前在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如工業(yè)自動化測量、產(chǎn)品缺陷檢測、生物醫(yī)療檢測、目標(biāo)跟蹤、逆向工程等應(yīng)用場景。偏振光三維重建是計算機視覺中針對透明、半透明或者高反射材料物體的有效三維重建方法之一。

傳統(tǒng)的視覺重建方法比如線激光掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)等是通過匹配物體表面特征信息得到點云數(shù)據(jù)再進行重建，然而針對透明材料物體的三維重建是失效的。偏振光三維重建技術(shù)通過分析物體反射光的狀態(tài)變化對物體進行重建，因而不需要額外投射特征圖案就可以對透明物體實現(xiàn)高效率、無損的三維重建。一方面減少了設(shè)備成本，另一方面使用起來比較靈活。目前對于一些透明工業(yè)零件的表面質(zhì)量檢測具有很好的應(yīng)用前景及研究價值。

具體地，現(xiàn)有的三維形貌測量技術(shù)方案包括：專利申請201710849051.5(基于偏振信息的三維重建方法)提出了一種基于偏振信息的三維重建方法，用于解決現(xiàn)有的利用偏振信息進行三維重建方法中表面法向量校正過程復(fù)雜的技術(shù)問題。包括利用暗箱中深度傳感器Kinect獲取待重建物體深度信息；旋轉(zhuǎn)三次偏振片得到三個場景的偏振圖像并與深度圖進行圖像配準(zhǔn)；根據(jù)偏振圖像計算反射光偏振度分布以及入射角和方位角；通過配準(zhǔn)深度信息得到物體表面法線并以此為基準(zhǔn)對根據(jù)偏振數(shù)據(jù)得到的法向量進行x方向和y方向上的校正最終獲得消除歧義的表面法線并積分完成三維重建。專利申請201810664105.5(一種單目偏振三維重建方法)提出了一種單目偏振三維重建方法，用于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和后續(xù)法線校正步驟，包括獲取物體多張偏振圖像和光強圖像；從偏振圖像得到的偏振度中獲取入射角和方位角并計算出第一物體法線；利用SFS算法得到第二物體表面法向量并對第一物體法線進行校正得到第三物體表面法線，第三物體表面法線即為經(jīng)過消除測量歧義性之后的物體表面法線，最終利用梯度積分公式完成物體的三維重建。

經(jīng)分析，一般基于偏振分析的三維重建方法為了消除光線入射角(天頂角)歧義性通常需要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增加額外的照明設(shè)備或者是圖像采集設(shè)備，例如環(huán)形LED燈、雙波段激光器、多目的偏振相機；或者多次移動物體和相機位置；或者通過設(shè)計系統(tǒng)設(shè)備的擺放方位形成特殊的光線照射范圍，人為限制入射角分布使之滿足單調(diào)性，從而去除法線測量二義性誤差。這些方法都是利用硬件增加約束條件去除了法線歧義，首先增加了使用成本其次測量過程中操作繁復(fù)，不利于高效率的三維重建，并且后續(xù)的數(shù)據(jù)往往需要繁瑣的匹配處理，為整體的重建帶來較大的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容