CN108062790B - 应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法 - Google Patents

应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，包括：以发出平面光的激光源对物体扫描，同时以相机对物体拍摄图像，激光源与相机的相对位置固定；根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标；根据获得的物体的至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系。与现有技术相比，本发明应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，操作过程相对简单。

Description

应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法
技术领域
本发明涉及三维重建技术领域，特别是涉及一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法。
背景技术
三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。
现有技术中，应用双相机***，由设置的两个相机同时对物体拍摄，相应获得物体图像，然后根据两个相机之间的位置关系以及两个相机对应的图像中物体相匹配的特征点，基于三角测量原理计算物体特征点的空间位置，进而建立针对物体所处空间的三维坐标系，构建物体的三维模型。
但是上述方法需要使用多个相机，成本比较高，并且需要预先对各相机的摄像参数以及各相机之间的相对位置参数进行标定，使得操作过程比较复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，与现有技术相比操作过程相对简单。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，包括：
以发出平面光的激光源对物体扫描，同时以相机对物体拍摄图像，所述激光源与所述相机的相对位置固定；
根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间位置；
根据获得的物体的至少三个点的空间位置，建立对物体进行三维重建的三维坐标系。
可选地，所述激光源与所述相机沿一个方向移动以实现所述激光源对物体扫描，或者物体沿一个方向移动以实现所述激光源对物体扫描。
可选地，根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标包括：
在获得的图像中选取物体上一点作为原点，并选取物体上另外的一点作为选取点，根据以下公式求取选取点的空间坐标(X，Y，Z)：
Z＝d·s；
其中，s表示标定系数，s∝α，α表示所述相机与所述激光源相对物体所成的夹角，d表示选取点所在扫描位置与原点所在扫描位置沿图像纵向的像素差；
Figure BDA0001537188470000021
其中，I表示所述相机感光芯片的边长，L表示图像横向的像素数量，Xoffset表示沿图像横向选取点与原点之间的像素差；
Y＝Yoffset·(C-C0)；
其中，C表示对物体扫描整个过程中相机的总曝光次数，C0表示选取点所在扫描位置的曝光次数，Yoffset表示相邻两个扫描位置所述相机与物体相对移动的距离。
可选地，所述根据获得的物体的至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系包括：
以第一点作为原点，以第一点到第二点的方向作为三维坐标系的X轴方向，以第一点到第三点的方向作为三维坐标系的Y轴方向，以垂直于X轴和Y轴所成平面的方向作为三维坐标系的Z轴方向，所述至少三个点包括所述第一点、所述第二点和所述第三点。
由上述技术方案可知，本发明所提供的应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，设置相对位置固定的激光源和相机，其中激光源用于发出平面光，以激光源发出平面光对物体扫描，同时以相机对物体拍摄图像，然后根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标，进一步根据获得的物体上至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系。可以看出与现有技术相比，本发明应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，不需要对各相机的摄像参数以及各相机之间的相对位置参数进行标定，操作过程相对简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法的流程图；
图2为本发明实施例中激光源和相机的布置示意图；
图3(a)为扫描获得的一系列不同扫描位置的图像；
图3(b)为将各不同扫描位置的图像沿图像横向依次拼接后的图像；
图4为本发明实施例中根据获得的三点建立三维坐标系的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明实施例提供的一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，包括步骤：
S10：以发出平面光的激光源对物体扫描，同时以相机对物体拍摄图像，所述激光源与所述相机的相对位置固定。
在具体实施时，首先在物体同一侧设置激光源和相机，请参考图2所示，激光源20与相机21的相对位置固定。激光源20发出平面光投射到物体上，相机21用于拍摄物体以获得图像。示例性的，在实际操作中可以在物体上方设置激光源20与相机21。
激光源20发出的平面光投射到物体上，以扫描方向与平面光垂直对物体依次扫描，在每一扫描位置相机21相应拍摄图像。
在具体实施时，可以将激光源20与相机21沿一个方向移动以实现激光源20对物体扫描，激光源20和相机21的移动方向即扫描方向与激光源发出的平面光垂直。示例性的请参考图2所示，图中箭头所指方向为激光源20与相机21的移动方向。可选的，也可将物体沿一个方向移动以实现激光源20对物体扫描，物体移动方向的反方向为扫描方向。
S11：根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标。
在扫描获得的图像中，平面光对应的扫描线与图像横向平行，或者平面光对应的扫描线与图像纵向平行，本实施例中以相机拍摄的图像中平面光对应的扫描线与图像横向平行为例进行描述。
本步骤中，利用扫描获得的一系列不同扫描位置的图像，求取物体上至少三个点的空间坐标。具体的，求取物体上选取点的空间坐标的方法包括：
首先，在获得的图像中选取物体上一点作为原点，并选取物体上另外的至少三个点作为选取点，所述选取点为物体上待求取空间坐标的点。
在具体实施时，可以选取物体上在初始扫描位置的点作为原点。请参考图3(a)和图3(b)所示，图3(a)为扫描获得的一系列不同扫描位置的图像，图3(b)为将各不同扫描位置的图像沿图像横向依次拼接后的图像，图中包括扫描位置(1)-(5)的图像。其中以物体上在初始扫描位置的O点作为原点。P点为物体上的一个选取点。
根据以下公式求取物体上选取点P的空间坐标(X，Y，Z)。具体根据以下公式(1)计算选取点P的Z坐标值：
Z＝d·s； (1)
其中，s表示标定系数，s∝α，α表示所述相机与所述激光源相对物体所成的夹角，d表示选取点所在扫描位置与原点所在扫描位置沿图像纵向的像素差。
参考图3(b)所示，D表示扫描范围，其中物体的实际高度应对应小于D的成像范围，否则将无法获取物体整体的高度值。
根据以下公式(2)计算选取点P的X坐标值：
Figure BDA0001537188470000051
其中，I表示所述相机感光芯片的边长，L表示图像横向的像素数量，Xoffset表示沿图像横向选取点与原点之间的像素差。
根据以下公式(3)计算选取点P的Y坐标值：
Y＝Yoffset·(C-C0)； (3)
其中，C表示对物体扫描整个过程中相机的总曝光次数，C0表示选取点所在扫描位置的曝光次数，Yoffset表示相邻两个扫描位置所述相机与物体相对移动的距离。具体的，如果扫描过程中以激光源和相机移动，则Yoffset为相机在相邻两个扫描位置间的移动距离；如果扫描过程中以物体移动，则Yoffset为物体在两个扫描位置之间的移动距离。
另外，标定系数s即转换系数s可以根据不同扫描位置的图像中平面光对应的扫描线之间的像素差，结合不同扫描位置之间相机与物体相对移动的实际距离计算得到。
采用上述方法计算出物体上至少三个点的空间坐标。
S12：根据获得的物体的至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系。
具体的，本步骤包括以下过程：以第一点作为原点，以第一点到第二点的方向作为三维坐标系的X轴方向，以第一点到第三点的方向作为三维坐标系的Y轴方向，以垂直于X轴和Y轴所成平面的方向作为三维坐标系的Z轴方向，获得的至少三个点包括第一点、第二点和第三点。
请参考图4，获得的三个点的坐标分别表示为PX000(X0，X0，X0)，PX001(X1，X1，X1)，PX002(X2，X2，X2).以点PX000(X0，X0，X0)为原点，以由点PX000到点PX001的方向为X轴方向，以由点PX000到点PX002的方向为Y轴方向，以垂直于X轴和Y轴所成平面的方向作为三维坐标系的Z轴方向，从而建立三维坐标系。
本实施例应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，使用单相机实现了建立对物体进行三维重建的三维坐标系，与现有技术相比，可以节省成本，可以简约算法，能够提高项目实施的高效性。
以上对本发明所提供的应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，其特征在于，包括：
以发出平面光的激光源对物体扫描，同时以相机对物体拍摄图像，所述激光源与所述相机的相对位置固定；
根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标；
根据获得的物体的至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系；
根据扫描获得的一系列图像，求取物体上至少三个点的空间坐标包括：
在获得的图像中选取物体上一点作为原点，并选取物体上另外的一点作为选取点，根据以下公式求取选取点的空间坐标(X，Y，Z)：
Z＝d·s；
其中，s表示标定系数，s∝α，α表示所述相机与所述激光源相对物体所成的夹角，d表示选取点所在扫描位置与原点所在扫描位置沿图像纵向的像素差；
Figure FDA0002941437900000011
其中，I表示所述相机感光芯片的边长，L表示图像横向的像素数量，Xoffset表示沿图像横向选取点与原点之间的像素差；
Y＝Yoffset·(C-C0)；
其中，C表示对物体扫描整个过程中相机的总曝光次数，C0表示选取点所在扫描位置的曝光次数，Yoffset表示相邻两个扫描位置所述相机与物体相对移动的距离。
2.根据权利要求1所述的应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，其特征在于，所述激光源与所述相机沿一个方向移动以实现所述激光源对物体扫描，或者物体沿一个方向移动以实现所述激光源对物体扫描。
3.根据权利要求1-2任一项所述的应用于物体三维重建的三维坐标系建立方法，其特征在于，所述根据获得的物体的至少三个点的空间坐标，建立对物体进行三维重建的三维坐标系包括：
以第一点作为原点，以第一点到第二点的方向作为三维坐标系的X轴方向，以第一点到第三点的方向作为三维坐标系的Y轴方向，以垂直于X轴和Y轴所成平面的方向作为三维坐标系的Z轴方向，所述至少三个点包括所述第一点、所述第二点和所述第三点。
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