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三维激光彩色扫描仪关键技术研究

吴险峰  
【摘要】:随着计算机技术的发展,影视业、广告业、工业和国防科技等领域提出了一个 越来越迫切的要求:快速获取物体的三维彩色模型。进入 90 年代以后,利用一些数 字化设备,从原始模型直接得到物体的原始几何信息的方式成为一种主要的数据采 集途径。三维激光彩色扫描系统是一种基于结构光技术的,快速获取物体表面三维 彩色模型的系统。三维激光彩色扫描系统集光学、机械、电控、数据采集、图像处 理、计算机图形学等诸多领域的知识为一体,是具有重大应用价值的高科技产品。 基于结构光视觉方法的三维激光彩色扫描系统于 1996 年获得国家专利(ZL 95 2 27897.9),1998 年获得国家专利(ZL97240787.1)和(97109102.1),三维激光彩色扫 描系统属国内首创、国际先进水平。但是要想达到完全实用化水平,还有一段距离。 在国家自然科学基金(69775022)和国家“863”计划(863-306-ZT04-06-3)的资 助下,对原系统的一些有关内容进行了理论上的研究和技术上的改进,使得系统更 为完善和适用,并为其早日实用化打下基础。其主要研究内容包括扫描数据的三维 获取,三维重建、网格生成、三维数据融合、网格简化等等方面。 首先,在三维获取方面,系统总结了现有三维获取技术,并追踪现在世界先进 三维扫描仪的最新成果,为研制提供了一些参考信息, 对进行激光扫描仪的开发有 很好的借鉴作用。由于结构光是通过检测结构光在图像中的投影位置得到三维数据 的。这些投影的形状和间断性,反映了物体表面的形状特征。然后利用三角测量原 理,计算出被光源照射出的三维坐标。因此,当物体表面对光的反射太强或太弱时, 都会对算法精度产生影响,甚至导致系统无法工作。针对传统结构光三维获取系统 的弱点,提出了基于人工交互的结构光获取系统,通过人机交互的形式,对三维重 建后的物体进行评价,对置信度较低的重建结果,返回原始的二维图像,利用人的 知识对获取的结构光图像进行人工干预,然后再进行重建。并编程实现主要功能。 实践结果表明,该方法能够扩展结构光视觉系统的应用范围,对于因反射原因而用 传统结构光方法难以获取的物体,可以获得较好的结果。 I WP=4 其次,对结构光系统的精度问题进行了深入分析,并改进了激光线提取算法。 在原有的相减算法的基础上,提出了一种多帧平均提取激光线的新改进算法,通过 对多帧求平均,然后再进行相减,可以显著提高点的精度,减小点的误差,还能降 低噪声,方便激光线的提取。理论和实践表明,该算法能够显著提高精度,并且还 克服了原有方法的许多弊端。 第三,对于三维数据融合问题,提出并实现利用颜色信息来寻找匹配特征点的方 法。研究了利用神经网格进行融合的思路。针对该方法的一些不足,全面分析了叠 代最近点的方法,并且编程实现。最后对于拼合数据进行了融合并给出实验结果。 第四,对于三维散乱数据,提出来基于散乱点展开再投影的三角剖分新算法。首 先对三维点集沿着中心轴展开,然后将变换后的点集进行二维投影。投影后成为平面 散乱点集,可以采用比较成熟的二维 Delunay 三角剖分。再对此平面点集进行反变换。 并输出结果。利用展开法对于扫描仪产生的散乱数据三角化具有非常好的效果,但是 对于任意散乱点是否也有这样立竿见影的效果,还需要进行深入研究。 第五,为了在保持颜色信息的基础上对网格进行简化,传统的属性保持算法在计 算几何误差的同时,也考虑了属性误差,就达到了简化过程里保持属性的目的。它们 都属于原来几何简化算法的扩展。这里提出一种全新的属性保持简化算法思路。首先 将颜色数据和几何数据整合成一组新的几何数据,然后对这个新的几何数据用一般的 通用简化算法进行简化。最后将简化结果重新变换成原来的几何数据和颜色数据,从 而得到外观保持良好的简化结果。实践结果表明,该算法效果极好,并且对于原有算 法的一些不足进行了很好的弥补。 最后,对于正在研制的三维激光彩色扫描仪工业型,给出了系统分析框架,并利 用原型机进行实验,证明方法的可行性。


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