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三维彩色逆向工程技术研究(1)

2015-05-12 01:13 摘 要　采用由彩色CCD摄像机和面结构光投射装置组成的三维彩色逆向工程测量系统，获取待测物体的彩色图像，结合机器视觉双目视差原理和图像处理技术，获得物体表面点的三维彩色信息，生成三维彩色点云，进而实现测量物体的三维彩色模型重构。 关键词　逆向工程；双目立体视觉；立体匹配；彩色点云1 引言 通过二十年的发展，逆向工程已经取得了很大的进展，在模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面发挥了重要作用[1]。但是，随着网络技术的蓬勃发展，在多媒体、游戏业、动画业、医学以及古文物和艺术品的数字化等方面，目前的单色三维逆向技术已不能满足需求，在这种情况下，彩色三维数字化和数据处理系统开始蓬勃发展，三维彩色逆向工程技术成为逆向工程研究中非常活跃的一个分支。2 系统组成 逆向工程中的测量系统分为接触式测量和非接触式测量，由于非接触式测量有着众多优点，是现在逆向工程测量系统研究的重点，目前普遍使用的是单色结构光测量系统，它采用两个黑白CCD摄像机，从不同角度得到待测物体的二维图像，利用双目视差原理，获得待测物体的深度信息。由此得到物体表面各个点的三维坐标[2]。 在当前单色非接触式结构光测量系统的基础上，采用彩色CCD摄像机，运用彩色信息提取技术，得到三维物体的彩色信息(R，G，B分量)，再与物体表面点的空间坐标匹配，从而得到物体表面点的六维信息(X，Y，Z，R，G，B)，生成彩色点云文件，为三维彩色模型重构提供数据基础。 系统主要组成部分(参见图１)： ①彩色CCD摄像机；②三维标定靶；③编码光栅投射装置；④图像采集卡；⑤PC机。 测量系统的采集部分由一个编码光栅投射器和两个彩色CCD摄像机组成，投射器固定于中央，两台摄像机分布于两侧。首先，投射器直接投射面结构光栅到测量物体表面，两侧的彩色CCD摄像机摄取物体的二维图像，接着，关闭投射器，在自然光照明情况下，由左右摄像机摄取测量物体二维彩色图像。摄像机采集的信号经采集卡转换后进入PC机进行后续处理。图１ 测量系统模型3 三维彩色逆向工程关键技术3.1 摄像机标定 由机器视觉知识可知，通过双目摄像机获得待测物体的三维信息，就必须确定摄像机的内外参数及畸变系数。这项工作可以通过对左右摄像机进行标定得以完成。图2 摄像机模型 摄像机模型[3](参见图2)中的映射关系： 世界坐标系一点P(Xw，Yw，Zw)在摄像机图像坐标系中映射为p(u，v)，两者的坐标有如下关系： 其中：，f为摄像机的有效焦距，dX，dY为像素之间水平和垂直方向的距离， (u0，v0)为主点在计算机图像坐标系中的坐标，R为3×3旋转矩阵，t= (tx， ty， tz)T为平移矩阵，标定的结果就是得到上述几个参数。 对于摄像机标定的方法，现在研究的比较成熟，其中Tsai(1986)提出的基于径向约束的两步法[4]是研究的重点，本文基于Tsai的RAC两步法完成摄像机的标定，设左摄像机位于世界坐标系原点，且无旋转，右摄像机相对世界坐标系的旋转矩阵，平移矩阵T= (Tx， Ty， Tz)T，通过RAC两步法求出左右摄像机的内外参数。3.2 采集表面点六维信息(XwYwZwRGB) 在左右CCD摄像机分别获得三维物体的二维彩色图像后，关键是如何通过匹配得到物体的三维信息和彩色信息。 1)三维信息的获取 目前，立体匹配的算法主要分为两大类：区域匹配和特征匹配[5]。区域匹配对图像中各像素点周围的图像子区域进行灰度相关运算，通过相关值来确定匹配关系，这种匹配可以得到密集的视差图，但这种算法存在①计算量大，速度慢。②匹配窗口大小选择困难。③对仿射畸变和辐射畸变敏感等缺陷。特征匹配通常选择边缘、角点等特征点作为匹配点，因此特征匹配算法①匹配速度较快。②特征匹配精度较高(亚像素级)。但这种算法只能得到稀疏视差图。综合上述两种方法的优缺点，本文采用混合算法，即分步利用特征匹配和区域匹配两种方法进行匹配。 基本步骤是： (1)对左右两个彩色CCD摄像机获得彩色二维图像(BMP)进行灰度化处理，并进行必要的图像预处理[6](均值滤波、高斯滤波、直方图均衡化、拉普拉斯锐化)消除噪声。