林 靜，湯 汶，2，萬韜阮，3

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048;2.英國提塞德大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，英國TS1 3BA;3.英國布拉德福德大學(xué)信息學(xué)院，英國BD7 1DP)

1 引言

在三維重建過程中，要想得到高精度的三維模型，需要獲得目標(biāo)物體幾萬個(gè)，甚至幾百萬個(gè)以上的高精度三維坐標(biāo)點(diǎn)。而基于單點(diǎn)精度測(cè)量的傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)在數(shù)據(jù)數(shù)量上很難滿足這個(gè)要求。三維激光掃描技術(shù)可以很好地解決這一難題。它是一種能夠直接獲取被測(cè)物體深度信息的高新技術(shù)，能夠全自動(dòng)高精度地直接對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行激光掃描，然后將各種復(fù)雜的目標(biāo)實(shí)物的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，從而快速地重建出三維物體模型。

由于三維激光掃描儀能夠快速獲取目標(biāo)景物的深度信息，簡(jiǎn)單快捷，同時(shí)能夠有效地恢復(fù)出真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型，因此，基于激光掃描技術(shù)的三維重建研究成為近年來的研究熱點(diǎn)［1-2］。目前，已有多種三維激光掃描儀產(chǎn)品被開發(fā)出來投放到市場(chǎng)，比如，Polhcmus公司研制的Fastscan掃描儀，MENSI公司出品的S25系列三維激光掃描儀等等?；诓煌脑硭兄瞥鰜淼膾呙鑳x，有不同的適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)，比如有的適合長距離的室外使用，有的適合短距離的室內(nèi)使用等。但這些三維激光掃描儀卻有一個(gè)共同的缺點(diǎn)即價(jià)格昂貴，不利于大范圍的推廣。

2 方法

2.1 原理

文中所研究的激光掃描系統(tǒng)主要是基于結(jié)構(gòu)光法，將一字狀激光投射到待掃描的物體上形成光條紋，再由相機(jī)獲取物體上的光條紋，并對(duì)條紋中心進(jìn)行提取，然后由相機(jī)與光源的相對(duì)位置，通過三角法和計(jì)算機(jī)視覺理論［3］，計(jì)算出被照射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光三角測(cè)距原理圖如圖1所示。在圖中，L表示物體和激光器之間的距離;d表示激光器中心和攝像頭中心距離;f表示攝像頭的焦距;β表示激光器的夾角;x表示待測(cè)物體上激光光點(diǎn)在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。要求得L，可由如下公式求得:

圖1 激光三角測(cè)距原理圖

其中，β，d，f，在測(cè)距設(shè)備安裝后就固定不變，數(shù)值為已知。x可以通過在攝像頭畫面中查找并計(jì)算激光點(diǎn)中心位置的像素坐標(biāo)來求得。這樣即可求得被掃描物體和激光器之間的距離L。以上介紹的是基于單點(diǎn)的三角測(cè)距原理，3D激光掃描原理采用類似的方式進(jìn)行擴(kuò)充。

2.2 系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)由一個(gè)標(biāo)定板、一臺(tái)PC電腦和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭及一個(gè)一字線狀激光器組成。首先對(duì)標(biāo)定背景進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，最后讓激光線劃過被掃描物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)置標(biāo)定背景

在相機(jī)標(biāo)定之前，由傳統(tǒng)的標(biāo)定方法可知采用三維標(biāo)定系統(tǒng)的直接線性法［4］及Tsai的兩步法［5］，要求標(biāo)定板是立體的，即兩塊標(biāo)定板必須正交。如圖2所示，Simon Winkelbach和Sven Molenstruck研制出的DAVID三維激光掃描儀系統(tǒng)所采用的手工制作標(biāo)定板如圖3所示，介于實(shí)際手工制作的繁瑣及很難保證完全的正交，而利用實(shí)驗(yàn)桌角的正交性，直接將貼有標(biāo)志點(diǎn)的紙張貼到桌角，如圖4所示。

圖2 正交的標(biāo)定背景

圖3 正交的標(biāo)定背景

圖4 正交的標(biāo)定背景

3.2 相機(jī)標(biāo)定

設(shè)置好標(biāo)定板后，對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。相機(jī)標(biāo)定的目的是求得相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。因?yàn)榭臻g物體表面上的一點(diǎn)P(x，y，z)與物體相應(yīng)圖像上的一點(diǎn)p(u，v)是由相機(jī)模型決定的，而這些模型參數(shù)稱為相機(jī)參數(shù)。它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

其中P為內(nèi)外參數(shù)求得的標(biāo)定矩陣。標(biāo)定過程中，采用DAVID系統(tǒng)提供的免費(fèi)軟件，標(biāo)定過程如圖5所示。

圖5 相機(jī)標(biāo)定

3.3 數(shù)據(jù)采集

將被掃描物體放在桌角前面的空位置上，同時(shí)攝像頭的位置保持不動(dòng)，手持線激光發(fā)射器對(duì)被掃描物體進(jìn)行上下掃描，攝像頭對(duì)此過程進(jìn)行拍攝，同時(shí)，與攝像頭相連的pc機(jī)上的軟件系統(tǒng)同步處理攝像頭所采集的每一幀圖像，如圖6所示。通過上面的處理，可以得到被掃描物體的一個(gè)曲面點(diǎn)云，如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將被掃描物旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，重復(fù)上面的步驟，可得到被掃描物體另外一個(gè)角度上的曲面點(diǎn)云。通過多次旋轉(zhuǎn)，如圖8所示，多次重復(fù)上面的掃描過程，可獲得被掃描物體不同方向上的曲面點(diǎn)云，如圖9所示，所得的各個(gè)角度的三維模型如圖10所示。

圖8 多角度原圖

在激光掃描過程中，掃描質(zhì)量的好壞和激光光源及測(cè)量環(huán)境有很重要的關(guān)系，比如反射率較低的待測(cè)物體表面，會(huì)直接導(dǎo)致光條很暗等。

5 結(jié)束語

該研究從傳統(tǒng)的激光掃描儀價(jià)格昂貴難以普及這一缺點(diǎn)出發(fā)，借鑒了DAVID三維激光掃描儀系統(tǒng)的相關(guān)方法，基于激光3D掃描儀的相關(guān)原理，利用常見的攝像頭及線狀激光器和pc機(jī)搭建了一個(gè)低成本的激光掃描系統(tǒng)。雖然本系統(tǒng)只適合短距離小件物體的掃描，但已使得激光掃描系統(tǒng)更加的平民化，也使大家能夠進(jìn)行自制三維模型的體驗(yàn)。

為了獲得更精確完整的三維模型，需要采用相關(guān)的點(diǎn)云匹配算法，將這些曲面點(diǎn)云匹配成一個(gè)完整的三維模型點(diǎn)云，這也是下一步的工作重點(diǎn)。

［1］ 王曉南，鄭順義.基于激光掃描和高分辨率影像的文物三維重建［J］.測(cè)繪工程，2009，18(6):53-57.

［2］ 王茹.古建筑數(shù)字化及三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安:西北大學(xué)，2010，06.

［3］ M POTMESIL.Generating Models of Solid Objects by Matching 3D Surface Segments:Proceedings 8th International JointConference ArtificialIntelligence［C］.Karlsruhe，1983:1089-1093.

［4］ J WENG，P COHEN，M HCRNIOU.Calibration of Stereo Cameras Using a Non-linearDistortion Model［J］.Proceedings International Conference on Pattern Recognition，1990:246-253.

［5］ TSAI R.A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D Machinevision metrology using offshelf TV cameras and lenses［J］.IEEE Journal of Robotics and Automation.1987，3(4):323-344.