基于线结构光法的三维重建技术的研究

作者:赵鑫;潘晋孝;刘宾;陈平 刊名:山西电子技术 上传者:陈建奇

【摘要】三维重建技术是计算机视觉方面的一个重要的应用。在此首先大体介绍了三维重建技术的发展;然后,介绍了基于线结构光法的三维重建技术;在详细介绍了数学模型的建立、照相机的标定、采集图像的处理、三维重建方法这四个方面,从而对三维重建技术有了深入的了解。

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山西电子技术 2013年第6期 研究与探讨 文章编号:1674.4578(2013)06.0088.02 基 于线结构光法的三维重建技术 的研 究 赵 鑫,潘晋孝,刘 宾,陈 平 (中北大学信息与通信工程学院 电子测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051) 摘 要:三维重建技术是计算机视觉方面的一个重要的应用。在此首先大体介绍了三维重建技术的发展 ;然 后,介绍了基于线结构光法的三维重建技术;在详细介绍了数学模型的建立、照相机的标定、采集图像的处理、三雏 重建方法这四个方面,从而对三维重建技术有了深入的了解。 关键词 :三维重建技术 ;线结构光 ;照相机 的标定 中图分类号 :TP316 文献标识码 :A 0 引言 现实世界是三维构成的,但平常生活中所触及的几乎所 有介质,即印刷的、照片或影像,都是二维的。这是因为一般 的摄影系统只能做到 把三维 的物 体信息 以二 维的形式 记录 下来 ,这就使得大量的物体的三维信息丢失。随着计算机技 术的发展,人们对信息的获取已经从传统的二维平面图像, 转向了三维立体图像。三维重建正是在此情形下提出来 的 。 三维重建是一项多学科的综合技术 ,它集计算机技术、 计算机图形学、图像处理技术、信息合成技术、显示技术等诸 多高新技术于一体。三维重建也是计算机视觉、模式识别、 计算机图形学、视景仿真、虚拟现实、科学计算可视化等众多 领域最热门的研究方向之一。近年来 ,由于计算机的计算能 力迅速提高,所配置的内存容址、磁盘空间不断扩大,网络功 能增强许多,主要的图形生成及图像处理算法均可用硬件实 现,速度大大加快。因而,三维重建技术的快速发展已经成 为可能。 三维重建技术可分为两种方法来重建 :接触式测量技术 与非接触式测量技术。由于接触式测量技术存在多种不足, 因而非接触式测量技术占主导。随着计算机技术和计算机 图形学的快速方法,在非接触式测量技术中,基于结构光的 三维测量技术成为了目前三维重建的主要趋势。在诸多测 量方法中,它以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息 易于提取、实时性强及主动受控等特点,近年来在许多三维 测量领域中得到了广泛的应用。根据照明方式的不同,可将 结构光法分为点结构光法、线结构光法 、面结构光法、多线结 构光法、圆结构光法以及彩色编码条法等等 。 相比以上几种结构光法,实际中运用较多的是基于线结 构光法的物体三维重建。该方法配合单 目或多目照相机,适 于工业领域的检测,并且速度快、精度高、操作简便。 线结构光法的三维重建一般分为四步:(1)数学模型的 建立;(2)照相机的标定;(3)采集图像的处理;(4)三维重建 方法 。 1 重建 原理 重建原理:线结构光照在物体表面的某一个截面上,照 相机接受物体表面反射或散射的光线。由于受到物体表面 深度信息的调制 ,照相机中获取的光条呈现不同的光条形 状;控制带有步进电机的滑轨,使物体在上面移动,从而获取 物体表面多个截面的图像信息,最后重建出物体的三维信 息 。 2 数学模型的建立 一 般来说,重建系统由硬件和软件组成。软件为图像采 集软件;硬件为照相机、线激光器和带有步进 电机的滑轨。 根据所搭建的测量系统,可以建立相应的数学模型。该数学 模型中包括四个坐标系:世界坐标系、照相机的光心坐标系、 图像的物理坐标系以及图像坐标系。通过这四个坐标系的 转换,可以得到实际中线结构光照射物体截面某一点的三维 信息与所对应的图像的二维信息的关系。 3 照相机的标定 照相机的标定是为了确定照相机的位置以及属性参数。 其标定方法可以分为两大类,第一类

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