基于结构光的手持式摄影扫描系统关键技术研究

李彩林

山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博255049

物体表面三维测量技术已广泛应用于文物数字化保护、逆向工程、产品质量检测等领域。使用已得到广泛应用的非接触式三维测量技术对复杂物体进行重建时，通常会受到测量条件和测量环境的限制，从而会产生由于轮廓遮挡（扫描盲区）引起的表面点云空洞，使得最终生成的物体表面点云模型不完整。另外，一种测量方法可以实现的分辨率及其能够测量的物面尺度大小是有限的，因此其适用范围受到限制，需要同时利用多种测量技术来解决三维恢复问题。

针对以上问题，结合光学摄影扫描原理，本文提出了一种基于结构光的手持式摄影扫描解决方案。在分析手持式摄影扫描特点的基础上，以降低系统的成本、体积、重量为原则，将基于结构光的投影光栅编码技术与数字摄影测量技术相结合，设计了单相机—微型投影器装置构建手持式摄影扫描硬件系统。研究并开发了一套基于彩色结构光的手持式三维扫描软件系统，实现了遮挡区域高精度、快速的表面三维数字化，并结合其他的三维信息获取方式如三维激光扫描仪，完成具有轮廓遮挡的复杂目标的完整三维模型重建。

本文主要内容如下：

（1）介绍并分析了国内外三维测量技术的研究现状和发展趋势。主要包括静态三维测量技术的研究现状、动态三维测量技术的研究现状以及三维测量技术的发展趋势。

（2）手持式摄影扫描硬件系统的构建。在分析手持式摄影扫描系统特点的基础上，以操作灵活方便、降低成本、快速测量为原则，设计了利用单相机－微型投影器的方案构建手持式摄影扫描硬件系统，减少硬件系统的成本、体积和重量，便于手持对目标进行摄影扫描。

（3）硬件系统标定。对当前已有的相机标定方法进行分类，介绍了相机的成像模型，重点讨论了投影器标定的原理与方法，分别给出了相机标定和投影器标定的实现流程。详细分析了在系统标定试验中所采用的平面标定板中的标志设计，以及专门用于投影器标定的投影图案设计，并利用相机－投影器三维量测系统采集实际数据进行了试验，验证了相机－投影器系统标定方法的可行性和精度水平。

（4）研究了基于结构光的手持式摄影扫描的原理与方法。基于彩色编码原理，设计了一种彩色混合编码光栅图，只需要投影一帧光栅就能获取当前视点目标物体的密集三维点云模型。分析了一种基于单幅投影光栅图像的解码方法，并与设计的光栅中的编码信息进行全局最优化匹配，最后获取了某一视点目标物体表面的三维信息。

（5）研究了基于spin－images匹配的方法自动获取具有重叠区域的任意两组点云配准的初始值。然后在ICP算法的基础上，对重叠区域的选定、两视点云模型对应点的确定、初始同名点过滤等3个方面进行了优化，结合初始配准的结果实现手持式扫描系统获取的单视点目标点云和整体点云之间的配准，完成目标物体的整体三维重建。

（6）提出了一种基于切平面投影的散乱数据点快速表面重构算法，可以快速、稳定、自动地重构出复杂物体三维点云的三角网表面模型，从而实现物体表面的三维量测。