基于結(jié)構(gòu)光的手持式攝影掃描系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李彩林

山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 淄博255049

物體表面三維測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于文物數(shù)字化保護、逆向工程、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等領(lǐng)域。使用已得到廣泛應(yīng)用的非接觸式三維測量技術(shù)對復(fù)雜物體進行重建時，通常會受到測量條件和測量環(huán)境的限制，從而會產(chǎn)生由于輪廓遮擋（掃描盲區(qū)）引起的表面點云空洞，使得最終生成的物體表面點云模型不完整。另外，一種測量方法可以實現(xiàn)的分辨率及其能夠測量的物面尺度大小是有限的，因此其適用范圍受到限制，需要同時利用多種測量技術(shù)來解決三維恢復(fù)問題。

針對以上問題，結(jié)合光學(xué)攝影掃描原理，本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的手持式攝影掃描解決方案。在分析手持式攝影掃描特點的基礎(chǔ)上，以降低系統(tǒng)的成本、體積、重量為原則，將基于結(jié)構(gòu)光的投影光柵編碼技術(shù)與數(shù)字攝影測量技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了單相機—微型投影器裝置構(gòu)建手持式攝影掃描硬件系統(tǒng)。研究并開發(fā)了一套基于彩色結(jié)構(gòu)光的手持式三維掃描軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了遮擋區(qū)域高精度、快速的表面三維數(shù)字化，并結(jié)合其他的三維信息獲取方式如三維激光掃描儀，完成具有輪廓遮擋的復(fù)雜目標的完整三維模型重建。

本文主要內(nèi)容如下：

（1）介紹并分析了國內(nèi)外三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。主要包括靜態(tài)三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀、動態(tài)三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及三維測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（2）手持式攝影掃描硬件系統(tǒng)的構(gòu)建。在分析手持式攝影掃描系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，以操作靈活方便、降低成本、快速測量為原則，設(shè)計了利用單相機－微型投影器的方案構(gòu)建手持式攝影掃描硬件系統(tǒng)，減少硬件系統(tǒng)的成本、體積和重量，便于手持對目標進行攝影掃描。

（3）硬件系統(tǒng)標定。對當前已有的相機標定方法進行分類，介紹了相機的成像模型，重點討論了投影器標定的原理與方法，分別給出了相機標定和投影器標定的實現(xiàn)流程。詳細分析了在系統(tǒng)標定試驗中所采用的平面標定板中的標志設(shè)計，以及專門用于投影器標定的投影圖案設(shè)計，并利用相機－投影器三維量測系統(tǒng)采集實際數(shù)據(jù)進行了試驗，驗證了相機－投影器系統(tǒng)標定方法的可行性和精度水平。

（4）研究了基于結(jié)構(gòu)光的手持式攝影掃描的原理與方法。基于彩色編碼原理，設(shè)計了一種彩色混合編碼光柵圖，只需要投影一幀光柵就能獲取當前視點目標物體的密集三維點云模型。分析了一種基于單幅投影光柵圖像的解碼方法，并與設(shè)計的光柵中的編碼信息進行全局最優(yōu)化匹配，最后獲取了某一視點目標物體表面的三維信息。

（5）研究了基于spin－images匹配的方法自動獲取具有重疊區(qū)域的任意兩組點云配準的初始值。然后在ICP算法的基礎(chǔ)上，對重疊區(qū)域的選定、兩視點云模型對應(yīng)點的確定、初始同名點過濾等3個方面進行了優(yōu)化，結(jié)合初始配準的結(jié)果實現(xiàn)手持式掃描系統(tǒng)獲取的單視點目標點云和整體點云之間的配準，完成目標物體的整體三維重建。

（6）提出了一種基于切平面投影的散亂數(shù)據(jù)點快速表面重構(gòu)算法，可以快速、穩(wěn)定、自動地重構(gòu)出復(fù)雜物體三維點云的三角網(wǎng)表面模型，從而實現(xiàn)物體表面的三維量測。