[發(fā)明專利]一種基于旋轉(zhuǎn)臺的三維點云拼接重建方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110498497.4
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113205603A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉幸;蒯能巧;過志強
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫信捷電氣股份有限公司
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06T3/40;G06F17/12
• 代理公司: 無錫經(jīng)誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32504
• 代理人: 丁雨燕

本發(fā)明涉及工業(yè)機器視覺技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于旋轉(zhuǎn)臺的三維點云拼接重建方法，首先借助標定板對轉(zhuǎn)軸直線位置進行標定，然后由標定參數(shù)和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度通過位姿變換對所有視角點云進行拼接，最后由拼接后點云和每一點的朝向目標外側(cè)的法線構(gòu)建目標表面函數(shù)，通過移動立方體算法提取等值面并實現(xiàn)表面重建功能。本發(fā)明可實現(xiàn)高分辨率測量物體表面輪廓特征的功能，能對物體進行自動化全視角的三維輪廓測量，拼接重建方法簡單、維護方便，不僅適用于一般工作場景需求，而且還適用于快速高精度的應(yīng)用場合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)機器視覺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于旋轉(zhuǎn)臺的三維點云拼接重建方法。

背景技術(shù)

隨著近年來智能制造技術(shù)的發(fā)展，汽車和3C制造行業(yè)、逆向工程、文物保護、質(zhì)量檢測等多個領(lǐng)域?qū)θS測量和識別的需求逐漸增加，傳統(tǒng)的二維視覺技術(shù)由于缺少一個維度而無法滿足該類工序的需求，以結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)為代表的三維視覺技術(shù)應(yīng)運而生，由該技術(shù)制造的設(shè)備掃描待測目標后可生成目標的三維點云數(shù)據(jù)，利用視覺算法處理點云數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對目標的尺寸測量、識別定位等功能。

三維拼接技術(shù)是三維視覺技術(shù)的重要組成部分，該技術(shù)將目標的多視角點云以某種方式拼接在一起，從而獲取完整的目標模型，而三維拼接的速度和精度將直接影響后續(xù)點云處理的精度和穩(wěn)定性。

目前常見的拼接方法是對目標的多視角點云計算特征點，由這些特征點信息利用Ransac方法實現(xiàn)點云的粗配準，然后再由ICP算法實現(xiàn)點云的精配準，該方法在精度和效率上普遍較低，且對特征較少的目標會產(chǎn)生錯誤的拼接結(jié)果。而一些基于轉(zhuǎn)臺的三維拼接方法中對轉(zhuǎn)臺位置的標定仍存在一些問題，如標定原理較為理想，標定精度較低等。此外常見的三維表面重建方法為基于泊松重建方法的改進版本，該方法較為復(fù)雜且效率較低。

因此，急需一種技術(shù)來解決該問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種基于旋轉(zhuǎn)臺的三維點云拼接重建方法，首先借助標定板對轉(zhuǎn)軸直線位置進行標定，然后由標定參數(shù)和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度通過位姿變換對所有視角點云進行拼接，最后由拼接后點云和每一點的朝向目標外側(cè)的法線構(gòu)建目標表面函數(shù)，通過移動立方體算法提取等值面并實現(xiàn)表面重建功能。

上述目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于旋轉(zhuǎn)臺的三維點云拼接重建方法，包括如下步驟：

步驟(1)搭建三維拼接重建系統(tǒng)：所述三維拼接重建系統(tǒng)包括3D相機、PC機、驅(qū)動器、伺服電機和旋轉(zhuǎn)臺，所述3D相機和所述驅(qū)動器分別與所述PC機連接，所述伺服電機與所述驅(qū)動器連接，所述伺服電機與所述旋轉(zhuǎn)臺連接，所述旋轉(zhuǎn)臺上用于放置待測物體，所述3D相機用于對所述待測物體進行拍照并傳輸至所述PC機獲取圖像和點云數(shù)據(jù)；

步驟(2)旋轉(zhuǎn)臺標定：在所述旋轉(zhuǎn)臺表面垂直放置有帶有至少一個圓形標志點的標定板，所述標定板可在所述旋轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動下進行同步旋轉(zhuǎn)運動；通過3D相機拍攝所述標定板獲取圖像數(shù)據(jù)和對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)；通過圓識別算法提取所述標定板上圓形標志點的旋轉(zhuǎn)圓心亞像素坐標，并利用插值方法獲取對應(yīng)的圓心三維坐標；對同一圓形標志點的運動軌跡擬合平面和球面方程，聯(lián)立可求解每個所述圓形標志點旋轉(zhuǎn)中心的三維坐標，對多個旋轉(zhuǎn)中心利用最小二乘法擬合直線參數(shù)，則該直線參數(shù)即為旋轉(zhuǎn)臺標定參數(shù)；

步驟(3)點云拼接：通過所述旋轉(zhuǎn)臺標定參數(shù)和對應(yīng)的所述旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)間隔計算各視角點云間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)點云拼接，并完成點云融合；

步驟(4)點云表面重建：對融合后的點云計算法線，構(gòu)建表面隱式函數(shù)，利用最小二乘法求解該函數(shù)系數(shù)，再由移動立方體算法提取等值面，即實現(xiàn)表面重建功能。

進一步地，所述旋轉(zhuǎn)臺呈圓形，且圓心處與所述伺服電機的轉(zhuǎn)軸垂直連接。

進一步地，所述標定板為正方形或長方形，表面設(shè)置有至少一個所述圓形標志點。