[发明专利]一种三维重建方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种三维重建方法及系统。

背景技术

随着三维打印技术的发展，快速并且精确地获取物体的三维数据并进行三维建模具有重要的现实意义和研究价值。通常，人们获取物体三维模型的方式有三种：第一种方式是利用建模软件，例如AutoCAD等软件构造出接近真实物体的三维模型；第二种方式是利用对场景实拍的一系列图像或者视频来重建三维模型；而第三种方式则是通过三维扫描设备对物体表面进行三维扫描以获取物体的三维信息从而重建三维模型。

其中，第三种方式即三维扫描的方式，相比前两种方式，能够获得比较精确的三维数据，适用于有一定精度要求的建模应用中，如复杂机械零件，文物等。而且三维扫描的方式除了精度高的优点外，另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时间很少。而三维扫描的方式按照测距探头不同，基本上可以分为两个大类:接触式扫描和非接触式扫描。接触式扫描利用接触式探头，在测量时探头需要和被测物体接触，虽然测量精度非常高，而且测量时完全不受物体表面反光、色彩等属性的影响，但是由于测距探头要接触被测物体表面且要产生一定的压力，所以会对被测物体造成一定程度的损伤，而且扫描时需要逐点测量，速度较慢，获取效率难以忍受；且由于测距探头需要接触被测物体并产生压力，因此对被测物体的材质有一定的要求，只能测量表面材质比较硬的物体。

而非接触式扫描采用光投射装置将激光或者可见光投射到被测物体表面，然后利用光感应设备对投射的光进行感光，再利用各种理论和技术计算出被测物体表面的深度信息，从而无需与被测物体直接接触，所以不会直接对被测物体产生物理损伤。这种非接触式扫描方式也称为光学三维测量，其在工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、生物医学、三维文物数字信息记录、人体测量等众多领域中具有广泛应用。

关于如何利用光感应设备所获得数据计算被测物体的深度信息，发展了很多不同的理论和方法，其中，干涉度量法，飞行时间法和三角测量法是公用的方法，其中三角测量法尤其通用，其通过光感应设备，光投射装置和被测物体点构成的三角形关系来计算被测物体点的深度信息。关于三角测量法的基本原理如图1所示。光投射设备O₁发射的光线经过透镜F₁的光心，物体表面A点将光反射，反射光经过透镜F₂的光心到达光感应设备上的O₂，O₁AO₂构成的三角形，如果已知O₁，O₂的位置，O₁F₁和O₂F₂的方向，就可以求解A的位置，图中B点虽然也在射线O₁F₁上，但是在光感应设备上为O₃点，因此可以看到，使用三角测量法可以区分A和B的深度。即可以基于光投射设备所产生的光点O₁和光感应设备上的O₂点的位置来确定A的位置，从而实现三维测量和三维重建。

但是，传统的三角测量法在实践中具有许多局限性，1)三角测量法涉及光投射装置和光感应装置的各自的焦平面和底片平面坐标系之间的换算，即涉及四个坐标系之间的换算，并且需要无限逼近来取得最后值，算法计算量大，数据精确度较低；2）定标过程复杂，需要使用高精度的定标板以及专门的定标算法；3）无法直接获得三维物体的色彩信息，不能实现颜色匹配填充。

因此，需要一种能够同时满足高计算速度、高数据精度、低成本、易实施的三维测量和重建方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、快速的三维测量与重建方法，可使非接触式扫描的扫描方式建立的物体三维模型更加精确，且整套建模系统成本低，实施方便。