[發明專利]一種高精度真彩三維重建方法

有效

• 申請號: 202210106295.5
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114549746B
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 殷春;王澤琪;程玉華;譚旭彤;羅健浩;邱根
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/00;G06T7/90;G06T7/80;G06T7/33;G06T3/40;G06V10/74
• 代理公司: 成都行之智信知識產權代理有限公司 51256
• 代理人: 溫利平

本發明公開了一種高精度真彩三維重建方法，先進行圖像采集：將左、右兩臺高分辨率灰度相機呈水平關系安裝，并保留有一定距離，光機安裝在兩臺灰度相機中間，低分辨率彩色相機安裝在光機上方，拍攝被測高精度零部件，完成圖像采集；然后進行圖像處理：所有拍攝圖像均傳輸給計算機，將被測高精度零部件表面的信息通過高精度真彩三維重建的方式記錄在點云中，并體現其表面的彩色紋理信息，實現關鍵零部件的非接觸式高精度真彩三維重建。本發明使用雙目高精度灰度相機代替雙目彩色相機，很大程度上拓寬了捕捉波長的范圍，保留了被測高精度零部件更加豐富的紋理細節信息，很大程度上提高了測量的精度。

技術鄰域

本發明屬于三維重建技術領域，更為具體地講，涉及一種高精度真彩三維重建方法。

背景技術

在航空、航天、深海探測等技術領域中，一些關鍵高精密零部件的結構越來越復雜。對于這些高精密零部件，需要在制造的過程中保證很高的精度，否則將在使用時對其他部件的正常運行構成威脅，減少系統的壽命，甚至無法實現系統功能等諸多問題，帶來災難性的后果。因此，在高精度零部件加工制造的過程中，為了確保其滿足高精度的設計需求，需要對生產的高精度零部件進行高精度測量，以檢測出零部件的表面紋理，驗證其是否滿足設計的精度需求，這項工作對測量儀器本身的精度提出了更高的挑戰。

傳統的雙目結構光系統技術相對成熟，可以實現高精度的目標三維點云重建，廣泛應用在各類裝備的高精度測量中，如軍用衛星，航空航天飛機等關鍵高精度零部件的三維重建，都取得很好的效果。然而，對于傳統的結構光雙目三維重建方法，使用灰度相機結合編碼結構光的方式，可以獲得較高的測量精度，但通過單色編碼光反解出深度信息，只能重構出目標物體的幾何紋理。在一些應用場景中，需要將生成的三維點空間數據和顏色交互應用，生成真實彩色點云數據，實現顏色信息與位置信息的融合，真實還原零部件的表面信息，極大豐富了被測零部件的表面特征，也可以更加有效地應用到后續的特征識別，目標獲取和分離等步驟。

為了解決真彩三維重建的問題，現有技術主要基于彩色編碼條紋光和雙目彩色相機進行實現。一方面，考慮到目前的高分辨率彩色相機造價昂貴，彩色相機和彩色光柵投影儀的引入大大增加了三維重建系統的構建成本。另一方面，對彩色相機的多通道信息進行處理，將很大程度上提高計算成本，降低系統效率。除此之外，彩色相機相較于灰度相機，只接收紅、綠、藍三種波段的光子，并且成像過程中采用鄰域平均操作進行去馬賽克化，造成大量圖像細節的丟失。目標物體表面原有的色彩信息還會對彩色編碼結構光的顏色編碼信息產生干擾，很大程度上限制了測量精度。總體來說，現有的真彩三維重建系統的檢測成本較高，運算量大導致測量速度較慢，且難以實現較高精度的真實彩色三維點云重建。

為了實現高精密零部件的全貌重建，需要對各個位姿的重構信息進行拼接，傳統的點云配準算法大致分為2類：基于點到點距離和基于點到面距離最小化的方法。用于精確點云配準中傳統的點到點距離最小化方法計算開銷大，且高精度點云重構數據量大，導致算法收斂時間很長，收斂性不如點到面距離最小化方法。在點云拼接前進行下采樣或關鍵點提取可以很大程度上減少參與運算的點數量，縮短系統計算時間，然而，關鍵點提取后使用點到面的距離最小化方法雖然能保證收斂速度，但其受到點的法向量估計的誤差影響，精確度并不如點到點距離最小化方法高。因此，可以考慮使用點到面和點到點距離最小化方法相結合，保證快速收斂性的同時保證高精度點云拼接的精度。

同時，為了對高精度點云數據賦予顏色信息，需要對在保證數據精度的前提下融合高精度零部件表面的真實色彩信息，涉及到高分辨率灰度圖像與低分辨率彩色圖像的融合。常見的圖像融合方法均假設源圖像與目標圖像具有相同的分辨率，或以同比例縮放的關系。然而，在實際應用中，待融合的多源圖像的分辨率并不總是以相等或同比例的形式出現。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高精度真彩三維重建方法，以實現航空航天領域關鍵高精度零部件的非接觸式高精度測量，同時，改進現有點云的拼接方法和解決任意分辨率圖像融合的問題，保證測量精度，提高測量速度。