一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統，包括管理單元、數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元；所述管理單元控制數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元的工作；所述數據采集單元用于采集物品的全方位的圖像信息，并將采集到的圖像信息傳輸至數據處理單元；所述數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理；進一步將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元；所述三維重建單元將處理后的圖像信息進行位置和方向上的校準，利用光柵編碼計算待重建物體的三維幾何結構，并進行顏色貼圖和材質復原。利用光柵掃描設備和軟件進行物體的精細重建，在精細度、色彩和材質方面都達到完美的還原。
【專利說明】一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統及方法。

【背景技術】
[0002]實物外觀數碼化技術在很多領域都有廣泛的應用。例如在我們熟知的數字博物館概念中，虛擬的藝術品寶藏將被呈現在數字網絡世界中，使普通觀眾能夠在家中或者在家附近就能體驗同等甚至更深刻的藝術欣賞，得到展館更人性化的服務，而不受時間與空間乃至個人經濟條件的客觀限制。同時實物數碼化技術在電腦游戲，數字電影，物理仿真，社交網絡，汽車，文化紀念品，家居裝飾品等產業都將有極大的應用潛力。數字化三維建模技術應用前景十分廣闊，可以說深入到我們生活的方方面面，現有的可以用二維圖片展示的地方，以后都會被數字化三維模型展示所取代。隨著3D打印在全世界范圍的風靡及3D打印機的家庭化，數字化三維建模技術作為3D打印的上游行業必將迅速發展。我們正面臨著一個從二維圖像到三維大數據的歷史時代。
[0003]目前國內外三維重建系統大致分為以下三類:第一類三維重建系統是通過相機成像模型，從二維圖像中計算出物體的三維結構。這一類的方法成本較低，但是重建結果易受到其他因素的影響。第二類是利用精密的硬件設備，如激光掃描儀、結構光、深度掃描儀(Range Scanner)等,直接測量出物體表面點的三維坐標。這類方法由于是直接對三維物體的空間信息進行處理，因此精度較高。但是這類方法需要較為復雜的并且成本十分高昂的硬件設備，包括激光掃描裝置、數據存儲設備等，從而極大地限制了該技術的使用及適用場合。第三類目前國際上比較成熟的三維重建系統主要有:
[0004]Faugeras等人完成的利用經典的分層重建、自定標方法直接從圖像序列中重建建筑物的三維重建系統。該系統考慮了建筑物的特殊性，利用了建筑物上的三維坐標已知點(Anchor Points)、己知角度或平行線等物理信息來標定攝像機，并利用多面體來表示被重建場景。該系統主要用于為CAD/CAM等建模系統提供原始的幾何模型。
[0005]法國INRIA的Bougnoux等人開發的TotalCalib系統。該系統需要半手工的完成圖像的匹配，攝像機定標以及三維重建，以獲得較好的重建結果。
[0006]比利時的K.U.Leuven大學的Pollefeys等人開發的物體三維表面自動生成系統，利用了可變參數下的攝像機自定標技術。該系統僅要求用戶利用手持攝像機圍繞要重建的物體拍攝一系列的圖像，通過對圖像對應點的S集匹配，即可自動的實現攝像機的自定標和分層重建。此系統在歐洲的考古學、文物保護等領域得到了成功的應用。
[0007]英國劍橋大學計算機視覺研究組開發的PhotoBuilder三維重建系統。該系統需要手工指定空間中三組正交平行線在圖像中的“消失點”來標定攝像機的內參數。其適用的范圍較窄，自動化程度不高。
[0008]對于以上的掃描設備和方法，工業設計中的一般流程為設計師或工程師利用3D制圖軟件設計產品或零件圖紙，之后由3D外觀幾何數據轉化并制造模具，最后由模具注塑成產品外殼或單個零部件。這種技術是利用以上的掃描儀對實物表面在一定的光照條件下進行長時間逐點掃描，之后掃描數據要通過有經驗的專業人員進行大量平滑，曲面繪制等等繁重的重建工作而最終得到物體外形的3D幾何數據。這種技術多用于對成品的3D質量檢測，幫助設計師或工程師進行修改，還可以依靠研究競爭對手產品外觀而進行逆向設計。但是尤其對于藝術品和文物的重建，該技術主要有以下5點不足之處:
[0009]1.目前的掃描儀多為進口產品，提供此項服務的人員只是使用者，而非技術的專業人員，不能解決采集過程和結果中出現的實際問題；
[0010]2.掃描的時間長，外部環境的變化會引起結果的不穩定；
[0011]3.采集過程需要在物體上標定特征點，此接觸式的掃描方法，不適合處理珍貴的文物；
[0012]4.需要大量繁重的人工后期處理，不僅在重建結果中引入了人為不確定因素，而且大大增加了時間和人工成本；
[0013]5.鐳射掃描儀價格昂貴，而且沒有顏色信息。顏色需要后期手工渲染；最重要的是，這種方法采集和重建的結果沒有物體材料的質感信息，而只是外觀幾何信息。


【發明內容】

[0014]本發明所要解決的技術問題是提供一種實現“一鍵式”全自動掃描，無需人工后期處理，自動生成顏色貼圖的基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統。
[0015]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統，包括管理單元、數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元；
[0016]所述管理單元控制數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元的工作；
[0017]所述數據采集單元用于采集物品的全方位的圖像信息，并將采集到的圖像信息傳輸至數據處理單元；
[0018]所述數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理；進一步將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元；
[0019]所述三維重建單元將處理后的圖像信息進行位置和方向上的校準，利用光柵編碼計算待重建物體的三維幾何結構，并進行顏色貼圖和材質復原，實現對物品的三維重建。
[0020]本發明的有益效果是:利用光柵掃描設備進行特高精度的物體數字化建模，利用自行開發研制的光柵掃描設備和軟件進行物體的精細重建，重建后的三維物體在精細度，色彩和材質方面都能達到完美的還原，其結果的精細度可以達到博物館對文物重建的精度要求；采用“一鍵式”建模，用戶把待建模的物體放置在工作平臺，程序控制設備自動完成數據采集及其數據分析，無需人工干預；三維數字化重建的結果精細度高，可以超過鐳射掃描儀的精度，且自動生成顏色紋理和材質的信息。材質信息是別的方法無法生成的，對于珍貴文物或者高端的商品，材質的信息是非常重要的，不同的材質(如皮制，金屬，陶瓷等)的物體，其材質的三維數字化后的感覺是完全不同的，我們的技術可以完美的恢復這些信息；結果穩定可靠，我們曾經將此項技術用于博物館珍貴文物的三維數字化重建，其結果得到了博物館方面的肯定。
[0021]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0022]進一步，所述數據采集單元包括支撐臺、可水平自轉360度的置物臺、光柵投影儀、照明設備和至少5個相機；
[0023]所述支撐臺用于支撐和固定置物臺、光柵投影儀、照明設備和至少5個相機；
[0024]所述置物臺設置在支撐臺上，所述置物臺用于放置物品；
[0025]所述光柵投影儀設于支撐臺上正對置物臺上方的位置，所述光柵投影儀將產生的一系列衍射條紋投射到放置在置物臺上的物品上；
[0026]所述照明設備設置在支撐臺上，用于全方位為置物臺上的物品照明；
[0027]所述相機設置在支撐臺上，用于拍攝物品的圖像，并將圖像信息傳輸到數據處理單元。
[0028]進一步，所述數據處理單元包括反投影剔除模塊和相對關系剔除模塊；
[0029]所述反投影剔除模塊用于計算三維數據點在二維圖像上的反投影點，如果反投影點在圖像的物體上，那么認為是正確的有用的點，相反，如果反投影點落在圖像的背景上，那么認為是錯誤的點，保留正確的反投影點，剔除錯誤的反投影點；
[0030]所述相對關系剔除模塊用于計算三維數據點同他鄰居的三維點的距離，如果這個距離大于一定閾值，認為這一點是游離在外的誤差點，剔除游離在外的誤差點。
[0031]進一步，所述三維重建單元包括幾何結構復原模塊、顏色貼圖模塊和材質復原模塊；所述幾何結構復原模塊利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，實現通過圖像信息進行位置和方向上的校準，生成一個完整的三維物體；
[0032]所述顏色貼圖模塊用于獲取相機的精準的位置和方向信息，建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系；得到二維圖形上的顏色信息；采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖；
[0033]所述材質復原模塊采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原。
[0034]進一步，所述支撐臺包括支撐架、球形龍骨和搖臂；
[0035]所述支撐架放置于地面上，用于支撐和固定球形龍骨和搖臂；
[0036]所述球形龍骨中心軸兩端固定設于支撐架上，所述球形龍骨內部設有照明設備，所述置物臺設于球形龍骨內部，使放置在置物臺上的物品的全部表面均勻受光；
[0037]所述搖臂設置于支撐架上，可沿球形龍骨緯線方向滑動；所述多個相機固定設置在搖臂上，用于采集球形龍骨內放置在置物臺上的物品的圖像信息。
[0038]進一步，所述球形龍骨由多個直徑不同的同心圓的圓環龍骨構成，所述照明設備設置在圓環龍骨內側面上。
[0039]進一步，所述照明設備包括多個LED燈，所述多個LED燈均勻設置在所有球形龍骨內部，用于使置物臺上的物品所有方向均得到光照。
[0040]進一步，所述置物臺包括透明平臺、控制透明平臺在平面上實現360度自轉的電機和轉臺支撐；
[0041]所述透明平臺用于放置需掃描物品，所述電機控制透明平臺在平面方向轉動；所述轉臺支撐用于支撐透明平臺。
[0042]本發明所要解決的技術問題是提供一種實現“一鍵式”全自動掃描，無需人工后期處理，自動生成顏色貼圖的基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法。
[0043]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，具體包括以下步驟:
[0044]步驟1:將需掃描物品放置在球形龍骨內部的置物臺上，開啟照明設備；
[0045]步驟2:控制搖臂勻速在垂直方向的180度范圍內移動，同步控制置物臺勻速在平面的360度進行轉動，每間隔一定時間停留一次，數碼相機進行采集圖像信息；
[0046]步驟3:數碼相機將采集到的多組圖像信息傳輸至數據處理單元；
[0047]步驟4:數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理，將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元；
[0048]步驟5:三維重建單元將處理后的圖像信息進行位置和方向上的校準，利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，生成一個完整的三維物體；并進行顏色貼圖和材質復原，完成對物品的三維重建，結束。
[0049]本發明的有益效果是:利用光柵掃描設備進行特高精度的物體數字化建模，利用自行開發研制的光柵掃描設備和軟件進行物體的精細重建，重建后的三維物體在精細度，色彩和材質方面都能達到完美的還原，其結果的精細度可以達到博物館對文物重建的精度要求；采用“一鍵式”建模，用戶把待建模的物體放置在工作平臺，程序控制設備自動完成數據采集及其數據分析，無需人工干預；三維數字化重建的結果精細度高，可以超過鐳射掃描儀的精度，且自動生成顏色紋理和材質的信息。材質信息是別的方法無法生成的，對于珍貴文物或者高端的商品，材質的信息是非常重要的，不同的材質(如皮制，金屬，陶瓷等)的物體，其材質的三維數字化后的感覺是完全不同的，我們的技術可以完美的恢復這些信息；結果穩定可靠，我們曾經將此項技術用于博物館珍貴文物的三維數字化重建，其結果得到了博物館方面的肯定。
[0050]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0051]進一步，所述步驟4具體包括以下步驟:
[0052]步驟4.1:數據處理單元對圖像信息反投影剔除，計算所有三維數據點在二維圖像上的反投影點；
[0053]步驟4.2:判斷反投影點是否在圖像的物體上；如果是，那么認為是正確的有用的點，保留此投影點，執行步驟4.3 ;否則，反投影點落在圖像的背景上，認為是錯誤的點，丟棄此投影點；
[0054]步驟4.3:數據處理單元對完成投影剔除的圖像信息進行相對關系剔除，計算所有三維數據點同他鄰居的三維數據點的距離；
[0055]步驟4.4:判斷步驟4.3得到的距離是否大于預設的閾值；如果是，認為這一點是游離在外的誤差點，丟棄此三維數據點，執行步驟5 ;否則，保留此三維數據點，執行步驟5。
[0056]進一步，還包括步驟O:對搖臂上的多個相機的位置進行校準，校準包括硬件校準和軟件校準，所述硬件校準通過搖臂實現；軟件校準通過在兩幅不同位置的相機照片直接找到特征值和對應關系，通過這些對應關系得到相機的精準的位置和方向信息。
[0057]進一步，所述步驟5包括以下步驟:
[0058]步驟5.1:獲取相機的精準的位置和方向信息，建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系；
[0059]步驟5.2:利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，實現通過圖像信息進行位置和方向上的校準，生成一個完整的三維物體；步驟5.3:采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖；
[0060]步驟5.4:采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原。
[0061]進一步，所述步驟5.3中所述的三維物體區域分析的方法具體步驟包括:
[0062]步驟5.3.1:找到物體顏色相對一致的區域，根據不同的物體，把物體分割成50到500個這樣的投影區域；
[0063]步驟5.3.2:計算每一個區域的法線方向同相機方向的夾角，選取最小夾角的相機顏色最為這一區域的顏色貼圖。
[0064]進一步，所述步驟5.4具體包括以下步驟:
[0065]步驟5.4.1:針對步驟5.3.1劃分的投影區域，對每一個區域分別進行控制僅開啟球形龍骨內一組同方向的LED燈，分別控制在LED燈不同角度上的多個相機進行拍照，得到不同角度的物體表面反光率的圖像；
[0066]步驟5.4.2:將不同角度的物體表面反光率的圖像與預設的材質庫中的圖像進行比對，得到一致或者最相近的物體材質屬性，完成對每個區域的材質復原，實現材質屬性貼圖。
[0067]進一步，所述材質庫是分別對木材、石頭、琉璃等12000種物體材質進行數據采集并標定得到的圖像數據庫。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]圖1為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統結構框圖；
[0069]圖2為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統硬件設施圖；
[0070]圖3為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法流程圖；
[0071]圖4為本發明中所述步驟4的具體步驟流程圖；
[0072]圖5為本發明中所述步驟7和步驟8的具體步驟流程圖；
[0073]圖6為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統硬件設施主視圖；
[0074]圖7為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統硬件設施俯視圖；
[0075]圖8為計算機構造的一系列黑白相間的編碼結構光示意圖；
[0076]圖9為編碼與周期的對應關系。
[0077]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0078]1、管理單元，2、數據采集單元，3、數據處理單元，4、三維重建單元，21、支撐臺，22、置物臺，23、光柵投影儀，24、照明設備，25、相機，31、反投影剔除模塊，32、相對關系剔除模塊，41、幾何結構復原模塊，42、顏色貼圖模塊，43、材質復原模塊，211、支撐架，212、球形龍骨，213、搖臂，221、透明平臺，222、電機，223、轉臺支撐。

【具體實施方式】
[0079]以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0080]如圖1所示，為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統，包括管理單元1、數據采集單元2、數據處理單元3和三維重建單元4 ；
[0081]所述管理單元I控制數據采集單元2、數據處理單元3和三維重建單元4的工作；
[0082]所述數據采集單元2用于采集物品的全方位的圖像信息，并將采集到的圖像信息傳輸至數據處理單元3 ；
[0083]所述數據處理單元3接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理；進一步將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元4 ;
[0084]所述三維重建單元4將處理后的圖像信息進行位置和方向上的校準，利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，生成一個完整的三維物體；并進行顏色貼圖和材質復原，實現對物品的三維重建。
[0085]如圖2、6、7所示，為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統硬件設施圖，即數據采集單元2的結構圖，所述數據采集單元2包括支撐臺21、可水平自轉360度的置物臺22、光柵投影儀23、照明設備24和至少5個相機25 ；
[0086]所述支撐臺21用于支撐和固定置物臺22、光柵投影儀23、照明設備24和至少5個相機25 ；
[0087]所述置物臺22設置在支撐臺21上，所述置物臺22用于放置物品；
[0088]所述光柵投影儀23設于支撐臺21上正對置物臺22上方的位置，所述光柵投影儀23將產生的一系列衍射條紋投射到放置在置物臺22上的物品上；
[0089]所述照明設備24設置在支撐臺21上，用于全方位為置物臺21上的物品照明；
[0090]所述相機25設置在支撐臺21上，用于拍攝物品的圖像，并將圖像信息傳輸到數據處理單元3。
[0091]所述數據處理單元3包括反投影剔除模塊31和相對關系剔除模塊32 ；
[0092]所述反投影剔除模塊31用于計算三維數據點在二維圖像上的反投影點，如果反投影點在圖像的物體上，那么認為是正確的有用的點，相反，如果反投影點落在圖像的背景上，那么認為是錯誤的點，保留正確的反投影點，剔除錯誤的反投影點；
[0093]所述相對關系剔除模塊32用于計算三維數據點同他鄰居的三維點的距離，如果這個距離大于一定閾值，認為這一點是游離在外的誤差點，剔除游離在外的誤差點。
[0094]所述三維重建單元4包括幾何結構復原模塊41、顏色貼圖模塊42和材質復原模塊43 ；
[0095]所述幾何結構復原模塊41利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起(這一步通過圖像信息進行位置和方向上的校準)，生成一個完整的三維物體；
[0096]所述顏色貼圖模塊42用于獲取相機的精準的位置和方向信息,建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系；得到二維圖形上的顏色信息；采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖；
[0097]所述材質復原模塊43采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原。
[0098]如圖6、7所示，圖6為所述支撐臺21包括支撐架211、球形龍骨212和搖臂213 ；
[0099]所述支撐架211放置于地面上，用于支撐和固定球形龍骨212和搖臂213 ；
[0100]所述球形龍骨212中心軸兩端固定設于支撐架211上，所述球形龍骨212內部設有照明設備24，所述置物臺22設于球形龍骨212內部，使放置在置物臺22上的物品的全部表面均勻受光；
[0101]所述搖臂213設置于支撐架211上，可沿球形龍骨212緯線方向滑動；所述多個相機25固定設置在搖臂213上，用于采集球形龍骨212內放置在置物臺212上的物品的圖像信息。
[0102]所述球形龍骨212由多個直徑不同的同心圓的圓環龍骨構成，所述照明設備24設置在圓環龍骨內側面上。
[0103]所述照明設備24包括多個LED燈，所述多個LED燈均勻設置在所有球形龍骨212內部，用于使置物臺22上的物品所有方向均得到光照。
[0104]所述置物臺22包括透明平臺221、控制透明平臺在平面上實現360度自轉的電機222和轉臺支撐223 ；
[0105]所述透明平臺221用于放置需掃描物品，所述電機222控制透明平臺221在平面方向轉動；所述轉臺支撐223用于支撐透明平臺221。
[0106]如圖3所示，為本發明所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，具體包括以下步驟:
[0107]步驟O:對搖臂上的多個相機的位置進行校準，校準包括硬件校準和軟件校準，所述硬件校準通過搖臂實現；軟件校準通過在兩幅不同位置的相機照片直接找到特征值和對應關系，通過這些對應關系得到相機的精準的位置和方向信息；
[0108]步驟1:將需掃描物品放置在球形龍骨內部的置物臺上，開啟照明設備；
[0109]步驟2:控制搖臂勻速在垂直方向的180度范圍內移動，同步控制置物臺勻速在平面的360度進行轉動，每間隔一定時間停留一次，數碼相機進行采集圖像信息；
[0110]步驟3:數碼相機將采集到的多組圖像信息傳輸至數據處理單元；
[0111]步驟4:數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理，將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元；
[0112]步驟5:獲取相機的精準的位置和方向/[目息，建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系；
[0113]步驟6:利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起(這一步通過圖像信息進行位置和方向上的校準)，生成一個完整的三維物體；
[0114]步驟7:采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖；
[0115]步驟8:采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原，完成對物品的三維重建，結束。
[0116]如圖4所示，所述步驟4具體包括以下步驟:
[0117]步驟4.1:數據處理單元對圖像信息反投影剔除，計算所有三維數據點在二維圖像上的反投影點；
[0118]步驟4.2:判斷反投影點是否在圖像的物體上；如果是，那么認為是正確的有用的點，保留此投影點，執行步驟4.3 ;否則，反投影點落在圖像的背景上，認為是錯誤的點，丟棄此投影點；
[0119]步驟4.3:數據處理單元對完成投影剔除的圖像信息進行相對關系剔除，計算所有三維數據點同他鄰居的三維數據點的距離；
[0120]步驟4.4:判斷步驟4.3得到的距離是否大于預設的閾值；如果是，認為這一點是游離在外的誤差點，丟棄此三維數據點，執行步驟5 ;否則，保留此三維數據點，執行步驟5。
[0121]如圖5所示，所述步驟7中所述的三維物體區域分析的方法具體步驟包括:
[0122]步驟7.1:找到物體顏色相對一致的區域，根據不同的物體，把物體分割成50到500個這樣的投影區域；
[0123]步驟7.2:計算每一個區域的法線方向同相機方向的夾角，選取最小夾角的相機顏色最為這一區域的顏色貼圖。
[0124]如圖5所示，所述步驟8具體包括以下步驟:
[0125]步驟8.1:針對步驟7.1劃分的投影區域，對每一個區域分別進行控制僅開啟球形龍骨內一組同方向的LED燈，分別控制在LED燈不同角度上的多個相機進行拍照，得到不同角度的物體表面反光率的圖像；
[0126]步驟8.2:將不同角度的物體表面反光率的圖像與預設的材質庫中的圖像進行比對，得到一致或者最相近的物體材質屬性，完成對每個區域的材質復原，實現材質屬性貼圖。
[0127]所述材質庫是分別對木材、石頭、琉璃等12000種物體材質進行數據采集并標定得到的圖像數據庫。
[0128]針對現有的掃描設備的缺點，我們的技術提出了新的解決技術方法，其目的是:
[0129]1.采用“一鍵式”全自動的掃描建模方式，非技術的人員就可以操作并得到預期的結果。
[0130]2.掃描過程不受外部環境影響。外部由黑色幕布全部遮蓋，預留相機運動的軌跡，并且燈光和相機的運動方向和開關由程序自動控制。
[0131]3.非接觸式的掃描方法，不需要在被建模的物體上做任何的處理，適合珍貴文物的處理。
[0132]4.無需人工的后期處理，3D數字化重建結果自動生成。
[0133]5.顏色貼圖信息自動生成，并且恢復物體材質材料的質感信息。材質的信息恢復是本發明的獨創，目前為止，沒有其他設備可以做到。
[0134]本發明技術方案的完整內容:
[0135]這里要介紹的光柵三維掃描系統就是專門針對現有鐳射掃描技術在藝術品或文物三維重建方面的問題，而專門研發的一項全新的實物數碼化技術，包括硬件設施和處理軟件。技術研發的目的是能夠自動并快速生成現實物體的高品質三維數據。使物體能夠真實再現在網絡，電影，圖像，游戲以及更多的數字應用中。一般所需的采集時間在30分鐘以內，即使應用辦公用級別的計算機，重建時間也不會超過2 - 3個小時。
[0136]物體首先要平穩地放置在光柵三維掃描儀器球幕中的玻璃轉臺上進行自動化光學數據采集，其中載物臺的旋轉和高度均可控。儀器標定的被測物標準上限為直徑80厘米,質量100公斤以內的物體。
[0137]利用結構化照明，即利用精密控制的光柵投影儀產生一定的一系列光影衍射條紋投射到物體上，同時精密控制的多臺消費級數碼相機在各個角度以一定的設置對物體進行拍攝。這一系列拍攝的照片與已知光照條件相結合，通過核心的計算機程序，物體的幾何形狀得以重建。在精密控制地漫射光照明和定向光照明條件下所拍攝的照片系列將用于物體表面顏色和表面光照表現即表面質感的信息重建。分辨率達到了亞毫米量級。
[0138]由表面反射干擾和圖像傳感器噪聲所產生的偽數據點可被系統自動識別并剔除。轉臺底部的透明玻璃材質使物體底部的信息可在各種照明條件下同時采集到，玻璃表面的發射和厚度所產生的像差可通過計算機算法進行補償。因此，該技術真正實現了自動化快速全物體表面的高質量三維重建。
[0139]重建的三維數據讀取和顯示有多種選擇，有配套開發的數據顯示軟件，同時數據格式也可以與CAD (計算機輔助工程設計)繪圖軟件兼容，甚至還可以在Firefox (火狐網頁瀏覽器)中直接打開觀看。重建的精細程度也提供多種選擇，每個物體重建最高可以達到IGB左右的數據量用于數據的備份；也可以縮小到20MB左右用于網絡傳輸和在線查看，而且研制的特殊算法可以保證在低數據量的情況下仍能獲得較高的重現精細程度。
[0140]文物高品質的三維重現，為文化遺產的保護提供了更加全面和可靠的儲存方式，同時，為參觀者提供了一種從未有過的視覺，感覺的交互式體驗。利用當前流行的3D打印技術，數控機床等加工技術可以對現實物體外形實體進行快速的復制。當然，值得注意的是，此項技術目前僅限于物體的三維虛擬重現，而非以復制為目的。
[0141]光柵三維掃描系統硬件的詳細闡述:
[0142]整個掃描系統由兩大部分組成:硬件控制設備和電子數據采集設備。下面我們分別系統的闡述這兩部分:
[0143]硬件控制設備:如圖2、圖6、圖7所示，主要由三部分構成:支撐平臺，轉臺和搖臂。
[0144]支撐平臺:支撐平臺包括圓形的龍骨，和支撐圓形龍骨的平臺。支撐平臺主要是在掃描過程中提供一個穩定的安全的無外界干擾的環境，可以把待重建的物體置于圓形的龍骨中間的轉臺上，然后進行自動的掃描操作。支撐圓形龍骨可分開變成兩部分，方便放進和拿出物體。在龍骨上分布著很多LED燈，最后會在龍骨外面包黑色的帆布。基于這樣的設計，圓形的龍骨里面的燈光是完全可以通過LED燈組進行控制，不會受外界環境的影響。
[0145]轉臺:轉臺包括玻璃的轉臺平面，控制轉動的電機和轉臺的支撐，同步電機可以控制玻璃的轉臺水平的360度的旋轉。轉臺放置于支撐平臺中。基于這樣的設計，待掃描的物體可以在支撐平臺的嚴格環境保護下進行水平360的旋轉，為數據采集提供支持。轉臺平面是玻璃的，因為需要采集物體底部的信息，配合搖臂裝置，就可以完成待測物體底部的數據獲取。
[0146]搖臂:搖臂如圖6、7所示，由同步電機控制搖臂，可以在垂直方向180度旋轉，搖臂上有固定的多臺相機和投影儀，用來掃描數據。搖臂的垂直180度和轉臺的水平360度旋轉，使得能夠對物體全方位的，無死角的數據掃描。
[0147]電子數據采集設備:電子數據采集設備是由5臺CanonOTII相機和一臺投影儀組成，分別安置在搖臂上，如圖6所示。搖臂，轉臺，相機和投影儀通過計算機統一控制，來完成數據掃描的過程。數據掃描過程自動完成:搖臂垂直180度從上到下停留7個位置，這7個位置之間間隔30度。搖臂每停留一個位置，轉臺都水平方向旋轉360度，停留18個位置，每個位置之間間隔20度。在每個位置上在投影光柵下5臺相機同時拍攝一組照片，在沒有光柵投影下5臺相機再同時拍攝一組照片。這樣每個物體拍攝7*18*5*2 = 1260張照片。這些照片作為我們接下來軟件分析的輸入數據。
[0148]光柵三維掃描系統軟件的詳細闡述:
[0149]被掃描物體表面結構的自動生成:
[0150]掃描物體的結構表面的系統由一臺掃描儀和5臺相機組成。掃描儀打出一系列的帶有編碼信息的結構光，5臺相機同時同步的拍攝這些結構光信息。實現方法是先將計算機構造的一系列黑白相間的編碼結構光也由投影儀投射到物體上，如圖8所示。編碼結構光是具有不同節距的一系列二值光柵，比如將圖8的這三幅光柵投影在物體上，被測空間被劃分為8個區域，根據各個點在不同圖像中的亮度進行編碼，每個區域由一個三位二進制編碼表示，這個編碼是與該點所處的周期相聯系的，因此可以由編碼與周期的對應關系得到被測物體上柵線的周期分布，從而基本完成相展開過程。編碼與周期的對應關系如圖9所示。根據被測空間的大小以及對精度的要求，可以靈活調整投射編碼結構光的數目，也即調整周期的數目。然后將畸變柵線圖像由7臺照相及采集到計算機中，用解相光柵進行解相得到重疊在(-η，)區間內的相主值，用結構光編碼方法進行相展開得到相位的周期，二者相加得到真實的相位值。與傳統的相展開方法相比，該方法相展開過程變得簡單高效，不依賴于路徑，不存在誤差的傳播，對噪音的抗干擾能力強，那夠得到準確的周期。根據以上的技術簡述得到被掃描物體表面在亞毫米量級的幾何結構。
[0151]有結構光掃描的數據的原始值是有很多噪音和誤差點的。我們通過程序自動來剔除這些噪音和誤差。第一步:反投影剔除。計算三維數據點在二維圖像上的反投影點，如果反投影點在圖像的物體上，那么認為是正確的有用的點，相反，如果反投影點落在圖像的背景上，那么認為是錯誤的點。第二步:相對關系剔除。計算三維數據點同他鄰居的三維點的距離，如果這個距離大于一定閾值，認為這一點是游離在外的誤差點。
[0152]被掃描物體顏色貼圖的自動生成:
[0153]搖臂上的5臺相機的位置是相對固定的，不需要校準。當搖臂移動時，相機的位置信息初始值可以通過硬件控制信息得到，進一步的精細的校準是由軟件完成。在兩幅不同位置的相機照片之間找到特征值和對應關系，通過這些對應關系得到相機的精準的位置和方向信息。這些相機外參信息用于下一步的顏色貼圖。由于得到了相機的位置和方向，并建立了相機同被重建物體的對應關系，也就得到了從二維的圖像到三維重建物體的投射關系。每一個三維重建物體的表面上的點都可以在二維的圖像上找到相對應的顏色信息，這個顏色就是最終生成物體的顏色貼圖信息。由于對角度的投射，在不考慮遮擋的條件下，每一個三維點至少有5臺相機投射到這點。如何選取合適的顏色呢？我們采用基于三維物體區域分析的方法來實現，所謂區域分析，就是找到物體顏色相對一致的區域，根據不同的物體，把物體分割成50到500個這樣的投影區域。計算每一個區域的法線方向同相機方向的夾角，選取最小夾角的相機顏色最為這一區域的顏色貼圖。由此顏色貼圖自動完成。
[0154]被掃描物體材質屬性的自動生成:
[0155]被掃描物體材質屬性由物體的反光率對比圖生成。通過控制球幕內各個方向的LED燈組，相機拍攝物體表面的反光率圖像。把所有的LED燈關閉，打開一組同一方向的LED燈，分別在LED燈10度，30度，60度和90度方向上的相機拍照，得到這些角度的物體表面反光率的圖像。最后再把這些反光率圖像同預先建立好的材質庫圖像進行軟件自動比對，得到一致的或者最相近的物體材質屬性。這個材質庫是預先建立好的，使用我們的掃描系統對木材，石頭，琉璃等12000種物體材質進行數據采集并標定，得到一個相對完整的針對我們掃描儀的材質庫。基于在顏色貼圖步驟的區域劃分，對于每一個區域，通過反光率圖像對比，再在材質庫中找到對應的材質信息。最終生成一個材質屬性貼圖，用于物體的顯示渲染，得到更加逼真的效果展示。
[0156]以往的光柵掃描儀(例如CREAF0RM的G03DScan系統)都是手持式的，需要專業人員經過培訓才能使用，而且常常不能解決采集過程和結果中出現的實際問題。同時掃描的時間長，外部環境的變化會引起結果的不穩定。需要大量繁重的人工后期處理，不僅在重建結果中引入了人為不確定因素，而且大大增加了時間和人工成本。我們團隊研發的光柵掃描的硬件系統如圖1、2、6、7所示，整個系統由三部分組成:轉臂，轉臺和LED燈組外殼。轉臂上安裝了五個照相機和一個投影儀，可以垂直180度的旋轉。轉臺上是一個透明的玻璃支承平臺，可以水平360度的旋轉。LED燈組外殼保證數據采集時的均勻光線，無外界干擾。整個數據采集過程可以保證物體的安全和一鍵式的自動化。由表面反射干擾和圖像傳感器噪聲所產生的偽數據點可被系統自動識別并剔除。轉臺底部的透明玻璃材質使物體底部的信息可在各種照明條件下同時采集到，玻璃表面的發射和厚度所產生的像差可通過計算機算法進行補償。因此，該技術真正實現了自動化快速全物體表面的高質量三維重建。
[0157]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統，其特征在于，包括管理單元、數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元； 所述管理單元控制數據采集單元、數據處理單元和三維重建單元的工作； 所述數據采集單元用于采集物品的全方位的圖像信息，并將采集到的圖像信息傳輸至數據處理單元； 所述數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理；進一步將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元； 所述三維重建單元將處理后的圖像信息進行位置和方向上的校準，利用光柵編碼計算待重建物體的三維幾何結構，并進行顏色貼圖和材質復原，實現對物品的三維重建。
2.根據權利要求1所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統，其特征在于，所述數據采集單元包括支撐臺、可水平自轉360度的置物臺、光柵投影儀、照明設備和至少5個相機； 所述支撐臺用于支撐和固定置物臺、光柵投影儀、照明設備和至少5個相機； 所述置物臺設置在支撐臺上，所述置物臺用于放置物品； 所述光柵投影儀設于支撐臺上正對置物臺上方的位置，所述光柵投影儀將產生的一系列衍射條紋投射到放置在置物臺上的物品上； 所述照明設備設置在支 撐臺上，用于全方位為置物臺上的物品照明； 所述相機設置在支撐臺上，用于拍攝物品的圖像，并將圖像信息傳輸到數據處理單元。
3.根據權利要求2所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述數據處理單元包括反投影剔除模塊和相對關系剔除模塊； 所述反投影剔除模塊用于計算三維數據點在二維圖像上的反投影點，如果反投影點在圖像的物體上，那么認為是正確的有用的點，相反，如果反投影點落在圖像的背景上，那么認為是錯誤的點，保留正確的反投影點，剔除錯誤的反投影點； 所述相對關系剔除模塊用于計算三維數據點同他鄰居的三維點的距離，如果這個距離大于一定閾值，認為這一點是游離在外的誤差點，剔除游離在外的誤差點。
4.根據權利要求3所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述三維重建單元包括幾何結構復原模塊、顏色貼圖模塊和材質復原模塊； 所述幾何結構復原模塊利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，實現通過圖像信息進行位置和方向上的校準，生成一個完整的三維物體； 所述顏色貼圖模塊用于獲取相機的精準的位置和方向信息，建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系；得到二維圖形上的顏色信息；采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖； 所述材質復原模塊采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原。
5.根據權利要求4所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述支撐臺包括支撐架、球形龍骨和搖臂； 所述支撐架放置于地面上，用于支撐和固定球形龍骨和搖臂； 所述球形龍骨中心軸兩端固定設于支撐架上，所述球形龍骨內部設有照明設備，所述置物臺設于球形龍骨內部，使放置在置物臺上的物品的全部表面均勻受光；所述搖臂設置于支撐架上，可沿球形龍骨緯線方向滑動；所述多個相機固定設置在搖臂上，用于采集球形龍骨內放置在置物臺上的物品的圖像信息。
6.根據權利要求5所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述球形龍骨由多個直徑不同的同心圓的圓環龍骨構成，所述照明設備設置在圓環龍骨內側面上。
7.根據權利要求6所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述照明設備包括多個LED燈，所述多個LED燈均勻設置在所有球形龍骨內部，用于使置物臺上的物品所有方向均得到光照。
8.根據權利要求1-7任一項所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建系統,其特征在于，所述置物臺包括透明平臺、控制透明平臺在平面上實現360度自轉的電機和轉臺支撐； 所述透明平臺用于放置需掃描物品，所述電機控制透明平臺在平面方向轉動；所述轉臺支撐用于支撐透明平臺。
9.一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:將需掃描 物品放置在球形龍骨內部的置物臺上，開啟照明設備； 步驟2:控制搖臂勻速在垂直方向的180度范圍內移動，同步控制置物臺勻速在平面的360度進行轉動，每間隔一定時間停留一次，數碼相機進行采集圖像信息； 步驟3:數碼相機將采集到的多組圖像信息傳輸至數據處理單元； 步驟4:數據處理單元接收圖像信息，并對所述圖像信息進行去噪及補償處理，將處理后的圖像信息傳輸至三維重建單元； 步驟5:三維重建單元將處理后的圖像信息，利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再通過位置和方向上的校準，再把多個面通過相機位置融合在一起，并進行顏色貼圖和材質復原，完成對物品的三維重建，結束。
10.根據權利要求9所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，所述步驟4具體包括以下步驟: 步驟4.1:數據處理單元對圖像信息反投影剔除，計算所有三維數據點在二維圖像上的反投影點； 步驟4.2:判斷反投影點是否在圖像的物體上；如果是，那么認為是正確的有用的點，保留此投影點，執行步驟4.3 ;否則，反投影點落在圖像的背景上，認為是錯誤的點，丟棄此投影點； 步驟4.3:數據處理單元對完成投影剔除的圖像信息進行相對關系剔除，計算所有三維數據點同他鄰居的三維數據點的距離； 步驟4.4:判斷步驟4.3得到的距離是否大于預設的閾值；如果是，認為這一點是游離在外的誤差點，丟棄此三維數據點，執行步驟5 ;否則，保留此三維數據點，執行步驟5。
11.根據權利要求9所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，還包括步驟O:對搖臂上的多個相機的位置進行校準，校準包括硬件校準和軟件校準，所述硬件校準通過搖臂實現；軟件校準通過在兩幅不同位置的相機照片直接找到特征值和對應關系，通過這些對應關系得到相機的精準的位置和方向信息。
12.根據權利要求9-11任一項所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，所述步驟5包括以下步驟: 步驟5.1:獲取相機的精準的位置和方向信息，建立相機與需掃描物品的對應關系，得到從二維圖像信息到三維重建物體的投射關系； 步驟5.2:利用光柵編碼，計算待重建物體每一面的三維幾何結構，再把多個面通過相機位置融合在一起，實現通過圖像信息進行位置和方向上的校準，生成一個完整的三維物體； 步驟5.3:采用基于三維物體區域分析的方法實現選擇三維貼圖上的顏色貼圖； 步驟5.4:采用物體的反光率對比圖實現對需掃描物品的材質復原。
13.根據權利要求12所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，所述步驟5.3中所述的三維物體區域分析的方法具體步驟包括: 步驟5.3.1:找到物體顏色相對一致的區域，根據不同的物體，把物體分割成50到500個這樣的投影區域； 步驟5.3.2:計算每一個區域的法線方向同相機方向的夾角，選取最小夾角的相機顏色最為這一區域的顏色貼圖。
14.根據權利要求12所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法，其特征在于，所述步驟5.4具體包括以下步驟: 步驟5.4.1:針對步驟5.3.1劃分的投影區域，對每一個區域分別進行控制僅開啟球形龍骨內一組同方向的LED燈，分別控制在LED燈不同角度上的多個相機進行拍照，得到不同角度的物體表面反光率的圖像； 步驟5.4.2:將不同角度的物體表面反光率的圖像與預設的材質庫中的圖像進行比對，得到一致或者最相近的物體材質屬性，完成對每個區域的材質復原，實現材質屬性貼圖。
15.根據權利要求14所述的一種基于光柵掃描的物體數字化三維重建方法,其特征在于，所述材質庫是分別對木材、石頭、琉璃等12000種物體材質進行數據采集并標定得到的圖像數據庫。
【文檔編號】G01B11/25GK104050714SQ201410243056
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】崔巖 申請人:崔巖