基于时间空间混合结构光编码的可移动式三维扫描技术研究

论文摘要

三维扫描技术由于在生产生活中有着广泛的应用而受到了很大的关注。可移动式三维扫描技术受外界约束少,能较快完成扫描任务,是三维扫描技术研究中的热点之一。常见的可移动式三维扫描技术可以通过结构光编码、视频和激光等技术方案实现。然而,以上方案不同程度都存在着以下问题首先,存在技术和成本上的挑战。结构光编码方法中只有空间编码可以实现可移动式三维扫描,但精度和分辨率不够高;基于视频方式易于实现,约束条件少,但获取的三维信息有限,多适用于建筑物等大型场景,对于小物体细节刻画的效果不够好。激光三维扫描仪是较理想的解决方案,但高昂的价格制约了其普及的程度。其次,生成完整三维模型的过程较繁琐。由于扫描仪视角范围的原因,大部分系统都是只产生了物体某一部分的三维模型。获得完整模型通常需要旋转物体或者旋转扫描仪,做多次扫描。得到多个视角的三维模型后,再通过RapidForm等第三方软件实现多视角模型的配准,得到完整的模型。这样的处理很费时,自动化程度低。针对以上问题,本文采用一种时间-空间混合结构光编码并设计了原型系统,实现了可移动式三维扫描,保证了较高的精度且扫描速度较快。所谓的快速,指从图像采集到模型渲染的过程速度较快。本文主要做了以下四个方面的工作:首先,本文给出了一种结构光三维扫描仪自动标定方法,通过在经典的标定方法中引入鲁棒的角点提取算法,省去了标定时的人工交互,在保证标定精度的同时提高了系统标定的效率。其次,本文研究了基于时间-空间混合结构光编码方法的可移动式三维模型获取技术。该技术结合了时间编码在精度上的优势和空间编码在处理动态物体扫描上的优势,给出了亚像素级别的解码算法,并利用三角测距法从不同角度获得物体的三维模型。第三,本文研究了多角度模型的ICP配准技术。该技术将第二部分获得的多角度模型通过ICP配准算法快速自动拼接成完整的模型并进行渲染。最后,本文实现了原型系统,介绍了原型系统的硬件配置、软件模块以及主要功能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文工作
• 1.3 本文结构
• 第2章 可移动式三维形态获取技术与应用综述
• 2.1 三维形态获取技术概览
• 2.2 可移动式三维形态获取技术
• 2.2.1 基于视频的三维重建技术
• 2.2.2 基于激光的三维重建技术
• 2.2.3 基于结构光编码的三维重建技术
• 2.3 点云配准技术
• 2.3.1 配准方法概述
• 2.3.2 ICP算法
• 2.4 小结
• 第3章 结构光三维扫描仪自动标定技术
• 3.1 模型和待标定参数介绍
• 3.2 自动标定方法
• 3.3 标定法实施和结果
• 3.3.1 实验平台
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 重建结果
• 3.4 小结
• 第4章 基于混合结构光编码的三维模型获取技术
• 4.1 系统编码
• 4.1.1 混合编码简介
• 4.1.2 生成混合编码
• 4.2 系统解码
• 4.2.1 边界识别
• 4.2.2 边界匹配
• 4.2.3 序列解码
• 4.3 三维重构
• 4.3.1 三角测距原理
• 4.3.2 三维重构算法的实现
• 4.3.3 实验结果及改进
• 4.4 小结
• 第5章 多角度模型ICP配准技术
• 5.1 配准方法
• 5.2 微切面法
• 5.2.1 寻找k个最相近的点
• 5.2.2 微切平面法向量计算
• 5.3 ICP算法实现
• 5.4 小结
• 第6章 原型系统
• 6.1 系统组成
• 6.2 系统功能
• 第7章 总结和展望
• 7.1 技术总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历