实时表面三维数据获取系统的研究

　　1 引言

　　真实物体的数字三维模型获取在考古文物建模, 城市模型数字化, 影视娱乐中动画模型建立, 逆向工程设计精确模具, 工业自动化检测等领域具有广阔的应用前景。由于光学三维获取系统具有非接触、高精度、高速度等优点, 受到广泛关注, 从技术角度分为主动式和被动式两类。被动式不借助外界光源, 仅依靠自然光提供照明, 通过两台或者更多台摄像机获取同一场景多角度的图像, 经处理后获取三维信息。在被动式系统中, 获取物体表面精确三维信息的难点在于如何解决物体上某一特征点在不同视角图像之间的匹配问题。为了解决该问题, 提出了主动式系统, 该类系统通过人为地给待测物体添加可识别的特征点以解决匹配点的对应问题。

　　结构光是主动立体视觉技术发展的产物, 特点是投射光平面、激光点或激光线到被测物体表面以获取三维数据。编码结构光是结构光技术的一个分支, 被认为是一种经典的结构光技术。编码技术一方面区分和识别不同位置的特征点, 另一方面提高可识别特征点的密度。常见的编码结构光系统包括 LCD 或DMD 投影仪投射编码结构光图案, 处在不同位置的摄像机同时采集被测物体的图像。根据编码方式的不同, 编码结构光分为空间编码、时间编码、直接编码以及混合编码等。

　　一个完整的实时编码结构光三维信息获取系统主要包括三维数据点云的快速获取、多视角深度图像的配准融合和表面重建。本文研究建立一个基于二进制时空编码结构光的实时三维信息获取系统, 手持被测物体在时空编码结构光场中转动, 扫描得到的序列图像经图像卡实时传输到计算机, 根据事先标定得到的系统参数, 解码计算得到物体的三维点云, 利用ICP(最近点迭代算法)进行不同视角深度图像的配准, 可对扫描区域和数据丢失区域进行再次测量。采用 ICP 算法可避免复杂的运动标定过程, 并实现对运动目标的三维点云的获取和重建。

　　三维数据点云的快速获取是系统搭建的第一步, 本文首先介绍了无约束光平面线结构光的几何模型, 接着介绍了一种高密度、适合运动场景的时空编码结构光图案的设计方法, 并给出了具体编码的图案, 最后在一定的实验条件下给出了实验结果。

　　2 三维信息获取系统的原理

　　线结构光三维信息获取系统主要由投影仪、摄像机和被测物体构成, 如图1 所示。投影仪投射光线条l 到被测物体O 的表面, 光线条被物体表面所扭曲, 扭曲后的光线条L 被偏离光源一定距离的摄像机接收传输到计算机, 计算机根据物体像上光线条的位置信息计算出物体的三维立体形貌。