[发明专利]三维扫描仪及其三维模型重构方法

权利要求书

1.一种三维扫描仪，其特征是由光栅生成设备(3)，图像采集设备(1)、(2)，标定块(4)，计算机通讯板卡(5)及外围机械支撑设施构成，光栅生成设备(3)与计算机通讯板卡(5)连接，图像采集设备与计算机通讯板卡(5)连接，其数目可为一到八个，具体数目由系统精度要求以及被测物体大小规格而定，标定块(4)是一个尺寸经过严格控制的印有精确图案的标准量块，计算机通讯板卡(5)是计算机控制图像采集设备的中介设备，可以是1394接口卡或USB接口卡，外围支撑设施可以是三脚机架、三坐标机床。

2.一种三维模型重构方法，其特征由以下步骤组成：

(1)首先对图像采集设备进行定标；

(2)采集被测件在不同结构光图案照射下所反射产生的图像，并由此计算出被测件上的反射点位置(点云)及贴于被测件上标志点的位置；

(3)点云数据拼接算法

第一步：在被测件上固定若干易于利用图像处理技术进行识别的标志点后，开始投射光栅并进行图像采集，每次图像采集都需保证能拍摄到多于三个以上的标志点，并保证所采集到的标志点图像具有足够的信息量；

第二步：匹配标志点，在两拼接数据的标志点集中选择三对对应点进行长边对长边、短边对短边的三角形匹配，在匹配成功的情况下利用点对刚性变换算法进行两拼接数据标志点集的完全对应匹配，其中刚性变换算法的具体步骤为：首先按式Cp=Σi=1npin,]]>Cq=Σi=1nqin]]>计算左点集重心C_p和右点集重心C_q；然后按p_i′＝p_i-C_p，q_i′＝q_i-C_q计算相对位置P′和Q′，其中左相对坐标P′＝{p′_i|i＝1，2，3，...，n}，右相对坐标Q′＝{q′_i|i＝1，2，3，...，n}；再按式M=Σi=1nqi′(pi′)T]]>计算交互协方差矩阵M；接着按式K-1/2=1λ1u1u1T+1λ2u2u2T+1λ3u3u3T]]>计算对称矩阵K＝M^TM，以及K的特征值λ₁、λ₂、λ₃及其相应特征向量u₁、u₂、u₃，并由此计算矩阵K的半正定平方根的逆K^-1/2；最后由R＝MK^-1/2计算出旋转变换量R，并由t＝C_q-RC_p计算出平移变换量t；

第三步：分别确定两拼接数据集的以法向锥方式表达的法向空间；

第四步：将法向所处区间均匀划分为若干部分，在每个部分中按一定数目取样点进入后续操作；

第五步：在两拼接数据集中找到最近点对，即所有满足条件的点对<p_n，p^(n-1)>，其中p_n是C_n，s中距离p^(n-1)最近的点，而p^(n-1)也是C_s^(n-1)中距离p_n最近的点，若点对数目过少则需返回第二步重新选取另一种标志点的配对方案；

第六步：找到所有最近点对，在点对集合中取样一部分点对进行刚性变换计算，若计算出的刚性旋转量及平移量无法让所选取的点对距离平均值变小，则结束刚性变换量计算，以当前位置作为拼接位置，否则重复本步操作直至结束。