CN103236076B - 基于激光影像的物体三维模型重建***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光影像的物体三维模型重建***及方法，***包括计算机、单片机、步进电机、旋转云台、激光器、相机、棋盘标定板以及三脚支架；重建过程包括根据张正友经典的棋盘标定方法，通过硬件***获取标定图像和生成相机参数；通过软件控制单片机，从而实时控制步进电机，使目标物体表面360°地经过激光线的扫描，相机实时拍摄，得到目标图片，并导入计算机，用于点云的选择性获取，通过激光三角测量方法得到点云空间三维坐标，重建目标物体的三维模型。

Description

基于激光影像的物体三维模型重建***及方法

技术领域

本发明属于三维实景复制技术领域，具体是一种通过影像获取和激光扫描来重建物体三维模型的***及方法。

背景技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是继GPS空间定位***之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。但是目前三维激光影像扫描技术存在许多不足，归纳如下：仪器昂贵，成本造价高，市场定位为高档设备；扫描数据后处理时间长，扫描易，处理难；配套处理软件不完善，缺乏实用而价格相对便宜的软件。正是这些不足，给三维激光影像扫描技术的普及和相关工作的开展带来了困难。

发明内容

为了克服现有三维激光影像扫描技术成本高，数据处理难，配套软件不完善的缺点，本发明提供一种全新的三维物体模型重建技术。

本发明的技术方案为一种基于激光影像的物体三维模型重建***，包括计算机、单片机、步进电机、旋转云台、激光器、相机、棋盘标定板以及三脚支架，

相机与计算机连接，计算机连接单片机，单片机连接步进电机；步进电机、相机、激光器分别安装在一个三角支架上，旋转云台安装在步进电机的螺杆上；相机与旋转云台处于相同高度，且相机视野范围内包含旋转云台；激光器产生的一字激光线与棋盘标定板的方格边缘重合，并穿过旋转云台的中心。

而且，旋转云台上安装圆水准器。

本发明还提供一种相应的物体三维模型重建方法，包括以下步骤，

步骤1，根据棋盘标定方法进行标定图像的获取及相机参数生成，通过激光面的标定固定激光扫描的目标点的一维坐标，进行旋转平台标定；

步骤2，获取物方图像，包括通过计算机控制单片机，经单片机实时控制步进电机使旋转云台以预设的步幅转动，使目标物体表面360°或部分地经过激光器所输出激光线的扫描，同时相机实时拍摄，得到多幅目标物体的物方图像并输入计算机；

步骤3，激光线检测及点云伪空间三维坐标的生成，包括由计算机将步骤2得到的物方图像由RGB空间转化为HSV空间，通过激光检测函数获取拍摄得到的目标点二维坐标；通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标，并使每幅物方图像的点云经过以转轴为中心的旋转恢复原本位置，得到真实的空间三维坐标；

所述通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标，是通过激光扫描的目标点一维坐标与拍摄得到的目标点二维坐标联合演算得到点云伪空间三维坐标；

步骤4，三维重建，包括根据步骤5所得真实的空间三维坐标，利用OpenGL函数库重建目标物体的三维模型。

本***提出了一套新的完整的方案实现三维激光影像扫描，其优点主要有以下三点：

（1）整个设备小型便捷、结构简单、造价低廉、精确高效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，提供准确的定量分析。可以广泛应用于各行各业，如：快速建立复杂城市模型、古建筑测量与文物保护等。

（2）实现相应方法的配套软件***简单实用，能够兼容多种数据格式，处理速度快，并且采用相机标定新方案，根据张正友经典的棋盘标定方法，借助Matlab中的处理函数，能够迅速得出相机内参数，同时也可以获得各参数的误差分析，从而检验标定参数的可靠性，数据处理精度高。

（3）实时控制单片机及电机，满足用户不同需求，后续可开发性较强。经研究大量电子信息领域的文献，单片机的上下位机程序已开发完成，后续的产品包装均可在此基础上实现，根据应用的不同工业领域的生产要求，开发出各种具有针对性的产品。

具体实施方式

以下根据实施例详细说明本发明技术方案。

本发明提供的基于激光影像的物体三维模型重建***，包括计算机、单片机、步进电机、旋转云台、激光器、相机、棋盘标定板以及三脚支架，相机与计算机连接，计算机连接单片机，单片机连接步进电机；步进电机、相机、激光器分别安装在一个三角支架上，旋转云台安装在步进电机的螺杆上；相机与旋转云台处于相同高度，且相机视野范围内包含旋转云台。实施例采用51单片机开发板、步进电机、采用12cm转盘作为旋转平台、5mw650nm一字激光器、低成本的相机、国际象棋棋盘标定板以及微型三脚支架。利用本***拍摄主要包括三个过程：相机标定，物方图像获取，三维坐标生成及三维重建。具体实施时可以由本领域技术人员采用计算机软件技术在计算机中配置相应软件***，软件***可采用模块化方式实现各流程步骤，例如相机标定版块、物方激光图像获取版块、三维物方坐标测量版块和三维模型重建版块。基于软件运行自动实现标定后的激光线扫描目标表面，结合单张相片获得的表面点像素坐标生成物方坐标，全景扫描，由精确可控的云台旋转角度计算恢复目标点三维坐标，并进行三维重建。

采用本发明实施例的物体三维模型重建***工作方式如下：

1.连接硬件***，配置参数。步进电机与单片机以五线相连，其中四线为信号传输线，另一条为供电线。单片机以蓝色定制数据线以USB的接口方式与计算机相连，供电由计算机承担。步进电机螺杆上安装正圆形平台，表面粗糙，平台上安装直径2cm的圆水准气泡作为圆水准器，整平云台使其水平。和电机云台相同高度的相机与计算机连接，视野范围内包含电机云台。激光器产生一字激光线，与标定板的方格边缘重合，并穿过电机云台中心。步进电机、相机、激光器均安装在三角支架上，保证装置稳定性。最后实验对象（例如鼠标）平放于云台中部。硬件***中步进电机螺杆切面与云台的平行关系由螺帽连接搭建，云台的水平调整由圆水准器检校。

2.标定图像的获取及相机参数生成：将棋盘标定板放置在镜头前，启动软件，启动相机，校正好棋盘位置后开始拍摄，通过硬件***拍摄15到20幅角度变化的标定图像，拍摄完成后进行预览，以检查图像拍摄的情况。利用Matlab，根据张正友经典的棋盘标定方法，经过有限次数的迭代，迅速得出相机两个方向的焦距、像主点位移量、径向畸变、切向畸变等内参数，并将参数传递给计算机。

3.激光面的标定:本***采用5mw650nm一字激光器，射出高亮的红色激光线。调整激光器的光圈，使激光线与拍摄最后一幅图像的棋盘标定板上的第二条竖直线相重合，并且调节激光亮度，直到在测量物体上的激光线最细最清楚为止。此时的激光面就标定完成了，激光面的位置就是与其重合的标定板上的竖直线的位置。例如棋盘格的尺寸是38mm*38mm，激光面与第二条竖直线重合，所以激光面的位置就是Y=38mm（棋盘标定板横向为Y轴，纵向为X轴）。这样实现激光线提前标定，激光扫描的目标点的一维坐标固定。

4.旋转平台标定：主要包括旋转中心位置的确定和平台整平两个部分，目的是能够恢复因旋转而错位的物方点空间坐标。为了确定旋转中心位置，移动支撑旋转平台的三脚架，使标定过的激光线穿过旋转中心，并在平台上留下清晰的激光线。相机拍摄一幅完整的旋转平台图像，利用图像处理的方法检测激光线及其中点的像素，根据相机标定参数和中心投影的共线方程计算中点的三维空间坐标，即为旋转中心的坐标。平台整平的实现方法较为简单，将圆水准器轻放于平台上，调整三脚架的支撑杆调节角度，直至圆水准器的气泡居中为止。

5.获取物方图像：计算机设置好串口号、波特率、数据位、校验位、停止位五项参数，以控制单片机，从而实时控制步进电机以每一步1.40625°的步幅转动旋转云台。这样根据用户设置的转动角度，使目标物体表面360°或部分地经过激光线的扫描，同时相机实时拍摄，得到256幅实验对象鼠标的物方图像，并导入计算机，用于点云的选择性获取。拍摄时目标物体绕云台中心旋转，激光线穿过云台中心，由此可恢复目标点物方真实三维坐标。此过程中，硬件***中云台启停旋转与相机拍摄的精确配合由计算机和单片机的信号传输完成。

6.激光线检测及点云三维坐标的生成：计算机将得到的物方图像由RGB空间转化为HSV空间，激光检测函数获取激光点像素坐标（即拍摄得到的目标点二维坐标）。通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标，并使每幅图像的点云经过以转轴为中心的旋转恢复原本位置，得到真实的空间三维坐标。实施例通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标时，通过激光扫描确定的目标点一维坐标与拍摄得到的目标点二维坐标联合演算，即可得到点云伪空间三维坐标。联合演算具体实现为现有技术，本发明不予赘述。

7.三维重建：读取获得的点云位置（即真实的空间三维坐标），利用OpenGL函数库重建目标物体的三维模型，并围绕中心360°转动，更真实地将三维模型展现给用户，使用户更清晰地观察鼠标的形态信息。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于激光影像的物体三维模型重建***实现的物体三维模型重建方法，其特征在于：所述物体三维模型重建***包括计算机、单片机、步进电机、旋转云台、激光器、相机、棋盘标定板以及三脚支架，

相机与计算机连接，计算机连接单片机，单片机连接步进电机；步进电机、相机、激光器分别安装在一个三角支架上，旋转云台安装在步进电机的螺杆上，步进电机螺杆切面与云台的平行关系由螺帽连接搭建；相机与旋转云台处于相同高度，且相机视野范围内包含旋转云台；激光器产生的一字激光线与棋盘标定板的方格边缘重合，并穿过旋转云台的中心，旋转云台上安装圆水准器；

物体三维模型重建过程包括以下步骤，

步骤1，根据棋盘标定方法进行标定图像的获取及相机参数生成，通过激光面的标定固定激光扫描的目标点的一维坐标，进行旋转平台标定；

所述激光面的标定，包括调整激光器的光圈，使激光线与拍摄最后一幅图像的棋盘标定板上的第二条竖直线相重合，并且调节激光亮度，直到在测量物体上的激光线最细最清楚为止，激光面标定完成，激光面的位置就是与其重合的标定板上的竖直线的位置；

所述旋转平台标定包括旋转中心位置的确定和平台整平，

所述旋转中心位置的确定，包括移动支撑旋转云台的三脚架，使标定过的激光线穿过旋转中心，并在旋转云台上留下清晰的激光线，相机拍摄一幅完整的旋转云台图像，利用图像处理的方法检测激光线及其中点的像素，根据相机标定参数和中心投影的共线方程计算中点的三维空间坐标，作为旋转中心的坐标；

所述平台整平，包括将圆水准器轻放于旋转云台上，调整三脚支架的支撑杆调节角度，直至圆水准器的气泡居中为止；

步骤2，获取物方图像，包括通过计算机控制单片机，经单片机实时控制步进电机使旋转云台以预设的步幅转动，使目标物体表面360°或部分地经过激光器所输出激光线的扫描，同时相机实时拍摄，得到多幅目标物体的物方图像并输入计算机；拍摄时目标物体绕旋转云台中心旋转，激光线穿过旋转云台中心；

步骤3，激光线检测及点云伪空间三维坐标的生成，包括由计算机将步骤2得到的物方图像由RGB空间转化为HSV空间，通过激光检测函数获取激光点像素坐标作为拍摄得到的目标点二维坐标；通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标，并使每幅物方图像的点云经过以转轴为中心的旋转恢复原本位置，得到真实的空间三维坐标；

所述通过激光三角测量方法得到点云伪空间三维坐标，是通过激光扫描的目标点一维坐标与拍摄得到的目标点二维坐标联合演算得到点云伪空间三维坐标；

步骤4，三维重建，包括根据步骤3所得真实的空间三维坐标，利用OpenGL函数库重建目标物体的三维模型，并将目标物体的三维模型围绕中心360°转动，进行展示。