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(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于文物數(shù)字化保護(hù)、逆向工程、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域。使用已得到廣泛應(yīng)用的非接觸式三維測(cè)量技術(shù)對(duì)復(fù)雜物體進(jìn)行重建時(shí)，通常會(huì)受到測(cè)量條件和測(cè)量環(huán)境的限制，從而會(huì)產(chǎn)生由于輪廓遮擋（掃描盲區(qū)）引起的表面點(diǎn)云空洞，使得最終生成的物體表面點(diǎn)云模型不完整。另外，一種測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)的分辨率及其能夠測(cè)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(shí)利用多種測(cè)量技術(shù)來(lái)解決三維恢復(fù)問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)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(diǎn)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?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了單相機(jī)—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(kāi)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(shí)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(biāo)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(guó)內(nèi)外三維測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。主要包括靜態(tài)三維測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)三維測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（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(diǎn)的基礎(chǔ)上，以操作靈活方便、降低成本、快速測(cè)量為原則，設(shè)計(jì)了利用單相機(jī)－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(duì)目標(biāo)進(jìn)行攝影掃描。

（3）硬件系統(tǒng)標(biāo)定。對(duì)當(dāng)前已有的相機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行分類，介紹了相機(jī)的成像模型，重點(diǎn)討論了投影器標(biāo)定的原理與方法，分別給出了相機(jī)標(biāo)定和投影器標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)流程。詳細(xì)分析了在系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)中所采用的平面標(biāo)定板中的標(biāo)志設(shè)計(jì)，以及專門用于投影器標(biāo)定的投影圖案設(shè)計(jì)，并利用相機(jī)－投影器三維量測(cè)系統(tǒng)采集實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了相機(jī)－投影器系統(tǒng)標(biāo)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(jì)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(dāng)前視點(diǎn)目標(biāo)物體的密集三維點(diǎn)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(jì)的光柵中的編碼信息進(jìn)行全局最優(yōu)化匹配，最后獲取了某一視點(diǎn)目標(biāo)物體表面的三維信息。

（5）研究了基于spin－images匹配的方法自動(dòng)獲取具有重疊區(qū)域的任意兩組點(diǎn)云配準(zhǔn)的初始值。然后在ICP算法的基礎(chǔ)上，對(duì)重疊區(qū)域的選定、兩視點(diǎn)云模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的確定、初始同名點(diǎn)過(guò)濾等3個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合初始配準(zhǔn)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)手持式掃描系統(tǒng)獲取的單視點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)云和整體點(diǎn)云之間的配準(zhǔn)，完成目標(biāo)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(diǎn)快速表面重構(gòu)算法，可以快速、穩(wěn)定、自動(dòng)地重構(gòu)出復(fù)雜物體三維點(diǎn)云的三角網(wǎng)表面模型，從而實(shí)現(xiàn)物體表面的三維量測(cè)。