[发明专利]微型激光三维模型重建系统及方法

说明书

本发明公开一种微型激光三维模型重建系统及方法，本三维模型重建系统包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台；三维模型重建方法包括系统标定、三维扫描、数据反求及处理三部分。其中，系统标定建立了一张联系图像点坐标与三维坐标的对应查找表，以此建立图像点与三维坐标之间的对应关系；三维扫描方法采用三步相移法完成，通过软件控制激光振镜投射三幅等相移量的正弦光栅条纹，CCD相机结合旋转工作台捕捉并获取多个视角的图像；数据反求及处理部分采用三步相移算法和经典相位展开算法，计算得到物体的点云三维坐标数据，完成三维模型的重构。

技术领域

本发明属于结构光三维重建技术领域，涉及一种微型激光三维模型重建系统及方法。

背景技术

三维模型重建技术即在计算机内生成物体三维表示，其主要有两类方法。一类是使用三维建模软件生成物体三维几何模型，比如:3DMAX、Maya、UG、Solidworks等等；另一类是指利用二维投影恢复物体三维信息的数字过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。

基于上述两种方法，中国发明专利——申请号为CN201410243056.X涉及“一种基于光栅扫描的数字化三维重建系统及方法”公开了一种基于光柵扫描的物体数字化三维重建系统,包括管理单元、数据采集单元、数据处理单元和三维重建单元；利用光栅扫描设备和软件并进行颜色贴图和材质复原实现对物体的三维重建。其三维重建系统硬件设施复杂，设备体积大；光栅扫描方法采用数字化DLP投影仪，与激光振镜投射光栅相比具有成像精度低、投影图像易失帧、人工调节速度慢等缺点。

发明内容

为了克服现有的三维数字化重建系统及方法的如下缺点：

1.三维数字化重建系统设备体积大，硬件设施复杂，技术成本高；

2.图像特征点提取方法恢复物体三维形貌速度慢，对于结构复杂的物体易出错；

3.数字化DLP投影仪投影图像易失帧造成的成像精度低、人工调节速度慢。

本发明提供一种微型激光三维模型重建系统及方法，该方法采用激光振镜投射光栅，使用FPGA编程控制激光振镜产生三幅等相移量的光栅图像，并投射到物体表面，由CCD相机获取变形条纹图，采用标准的三步相移算法计算光栅图像的相位主值，由相位计算模型提取相位，最后通过激光三角测量方法和高度映射公式计算出物体的三维坐标数据。其优势在于具有较高的成像精度，克服了背景技术中存在的投影图像易失真、人工调节速度慢的缺点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微型激光三维模型重建系统，其特点是包括计算机、激光振镜、CCD相机、红绿蓝三色激光器、高反镜、合束镜和旋转工作台。

红绿蓝三色激光器通过高反镜和合束镜使合成光路进入激光振镜；激光振镜由计算机编程控制产生三幅等相移量的正弦光栅，并投射到待测物体表面，CCD相机对应采集三帧变形条纹图；CCD相机与旋转工作台在同一高度，旋转工作台由自身的步进电机控制旋转。

本发明还提供了一种相应的微型激光三维模型重建方法，包括以下步骤：

步骤1.系统标定

首先使用CCD相机采集三维靶标特征点数据，并提取其对应的二维图像坐标，利用标定算法精确获取相机参数；投影设备标定采用将坐标已知的二维特征点图案投射到靶标板上，CCD相机采集特征图案并提取特征点，利用CCD相机的标定参数和靶标板当前三维值，计算特征点的三维坐标值，进而获取投影设备的输入数据参数。

步骤2.三维扫描

通过计算机控制激光振镜产生三幅等相移量的正弦光栅，投射到物体表面；同时计算机实时控制旋转工作台以预设的步幅移动，使物体能够完全被激光扫描，同时CCD相机实时捕捉图像并存储入计算机中。

步骤3.数据反求及处理