三維彩色逆向工程技術(shù)研究論文

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摘要采用由彩色CCD攝像機(jī)和面結(jié)構(gòu)光投射裝置組成的三維彩色逆向工程測量系統(tǒng)，獲取待測物體的彩色圖像，結(jié)合機(jī)器視覺雙目視差原理和圖像處理技術(shù)，獲得物體表面點(diǎn)的三維彩色信息，生成三維彩色點(diǎn)云，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量物體的三維彩色模型重構(gòu)。

關(guān)鍵詞逆向工程；雙目立體視覺；立體匹配；彩色點(diǎn)云

1引言

通過二十年的發(fā)展，逆向工程已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，在模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、鞋業(yè)、藝術(shù)業(yè)、醫(yī)學(xué)工程及產(chǎn)品造型設(shè)計等方面發(fā)揮了重要作用[1]。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在多媒體、游戲業(yè)、動畫業(yè)、醫(yī)學(xué)以及古文物和藝術(shù)品的數(shù)字化等方面，目前的單色三維逆向技術(shù)已不能滿足需求，在這種情況下，彩色三維數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開始蓬勃發(fā)展，三維彩色逆向工程技術(shù)成為逆向工程研究中非常活躍的一個分支。

2系統(tǒng)組成

逆向工程中的測量系統(tǒng)分為接觸式測量和非接觸式測量，由于非接觸式測量有著眾多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在逆向工程測量系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，目前普遍使用的是單色結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，它采用兩個黑白CCD攝像機(jī)，從不同角度得到待測物體的二維圖像，利用雙目視差原理，獲得待測物體的深度信息。由此得到物體表面各個點(diǎn)的三維坐標(biāo)[2]。

在當(dāng)前單色非接觸式結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用彩色CCD攝像機(jī)，運(yùn)用彩色信息提取技術(shù)，得到三維物體的彩色信息(R，G，B分量)，再與物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)匹配，從而得到物體表面點(diǎn)的六維信息(X，Y，Z，R，G，B)，生成彩色點(diǎn)云文件，為三維彩色模型重構(gòu)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)主要組成部分(參見圖1)：

①彩色CCD攝像機(jī)；②三維標(biāo)定靶；③編碼光柵投射裝置；④圖像采集卡；⑤PC機(jī)。

測量系統(tǒng)的采集部分由一個編碼光柵投射器和兩個彩色CCD攝像機(jī)組成，投射器固定于中央，兩臺攝像機(jī)分布于兩側(cè)。首先，投射器直接投射面結(jié)構(gòu)光柵到測量物體表面，兩側(cè)的彩色CCD攝像機(jī)攝取物體的二維圖像，接著，關(guān)閉投射器，在自然光照明情況下，由左右攝像機(jī)攝取測量物體二維彩色圖像。攝像機(jī)采集的信號經(jīng)采集卡轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

其中：，f為攝像機(jī)的有效焦距，dX，dY為像素之間水平和垂直方向的距離，(u0，v0)為主點(diǎn)在計算機(jī)圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，R為3×3旋轉(zhuǎn)矩陣，t=(tx，ty，tz)T為平移矩陣，標(biāo)定的結(jié)果就是得到上述幾個參數(shù)。

對于攝像機(jī)標(biāo)定的方法，現(xiàn)在研究的比較成熟，其中Tsai(1986)提出的基于徑向約束的兩步法[4]是研究的重點(diǎn)，本文基于Tsai的RAC兩步法完成攝像機(jī)的標(biāo)定，設(shè)左攝像機(jī)位于世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，且無旋轉(zhuǎn)，右攝像機(jī)相對世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，平移矩陣T=(Tx，Ty，Tz)T，通過RAC兩步法求出左右攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

3.2采集表面點(diǎn)六維信息(XwYwZwRGB)

在左右CCD攝像機(jī)分別獲得三維物體的二維彩色圖像后，關(guān)鍵是如何通過匹配得到物體的三維信息和彩色信息。

1)三維信息的獲取

目前，立體匹配的算法主要分為兩大類：區(qū)域匹配和特征匹配[5]。區(qū)域匹配對圖像中各像素點(diǎn)周圍的圖像子區(qū)域進(jìn)行灰度相關(guān)運(yùn)算，通過相關(guān)值來確定匹配關(guān)系，這種匹配可以得到密集的視差圖，但這種算法存在①計算量大，速度慢。②匹配窗口大小選擇困難。③對仿射畸變和輻射畸變敏感等缺陷。特征匹配通常選擇邊緣、角點(diǎn)等特征點(diǎn)作為匹配點(diǎn)，因此特征匹配算法①匹配速度較快。②特征匹配精度較高(亞像素級)。但這種算法只能得到稀疏視差圖。綜合上述兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用混合算法，即分步利用特征匹配和區(qū)域匹配兩種方法進(jìn)行匹配。

基本步驟是：

(1)對左右兩個彩色CCD攝像機(jī)獲得彩色二維圖像(BMP)進(jìn)行灰度化處理，并進(jìn)行必要的圖像預(yù)處理[6](均值濾波、高斯濾波、直方圖均衡化、拉普拉斯銳化)消除噪聲。(2)特征匹配需要特征點(diǎn)，采用如圖3所示的Sobel算子對左右圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算[7]，把圖像像素點(diǎn)梯度▽f(x，y)大于某一選定閾值的點(diǎn)作為邊緣特征點(diǎn)，得到待測物體的左右邊緣特征點(diǎn)圖。

(3)采用雙向匹配法[8]對左右邊緣特征圖中的邊緣特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，首先選取左圖中的邊緣特征點(diǎn)，根據(jù)灰度、梯度、方向、極線等約束條件，和右圖中的特征點(diǎn)匹配，然后再選取右圖中的邊緣特征點(diǎn)和左圖中的特征點(diǎn)匹配，最后選擇雙向都是最優(yōu)匹配點(diǎn)的點(diǎn)對作為最終匹配點(diǎn)，得到邊緣特征點(diǎn)的視差圖。

(4)上一步驟只是得到邊緣點(diǎn)的稀疏視差圖，為了得到密集的視差圖，需要對大量非邊緣點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域匹配，步驟⑶得到邊緣特征點(diǎn)實(shí)際上把左右圖像分割成許多小區(qū)域，這就大大縮小了區(qū)域匹配的搜索空間，從而提高了匹配的效率和準(zhǔn)確程度。左圖中一點(diǎn)m(i，j)，在右圖中找其對應(yīng)的匹配點(diǎn)，使用M×N的相關(guān)窗口，使窗口位于m處，在右圖中，在同一條水平線搜尋匹配點(diǎn)n，使用協(xié)方差系數(shù)[9]來衡量m，n之間的相似程度，最終找到最佳匹配點(diǎn)。

(5)通過上面四個步驟，可以得到待測物體表面各個點(diǎn)P在左右攝像機(jī)圖像上映射點(diǎn)(Pl，Pr)的對應(yīng)關(guān)系，以及左右兩個映射點(diǎn)的圖像坐標(biāo)Pl(Xl，Yl)，Pr(Xr，Yr)，由標(biāo)定得到的有效焦距fl，fr以及旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T進(jìn)行計算，可以得到待測物體表面各個點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xw，Yw，Zw)。

計算公式如下：

2)彩色信息獲取

本系統(tǒng)采集的二維彩色圖像為24位的BMP文件，位圖文件頭BITMAPFILEHEADER為14字節(jié)，位圖信息頭BITMAPINFOHEADER為40字節(jié)，不具有調(diào)色板，參見圖4。對于BMP文件，實(shí)際位圖數(shù)據(jù)區(qū)每三個字節(jié)表示一個像素點(diǎn)的RGB信息(按BGR順序排列)數(shù)據(jù)是從下到上，從左到右排列的，且圖像每一行像素所占的字節(jié)數(shù)必須是4的整倍數(shù)(如不足，需補(bǔ)齊)[10]。

圖4BMP文件結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)BMP文件的大小(字節(jié))為SIZE，圖像上某點(diǎn)p(u，v)。點(diǎn)在文件中的字節(jié)位置為POS，則：

已經(jīng)得到物體表面點(diǎn)P的三維坐標(biāo)(Xw，Yw，Zw)，以及點(diǎn)P在左右攝像機(jī)圖像上映射點(diǎn)Pl(ul，vl)和Pr(ur，vr)的對應(yīng)關(guān)系。使用VC中的三個宏，GetRValue、GetGValue和GetBValue，從左右圖像中讀取像素點(diǎn)Pl，Pr的RGB分量。

綜合兩者(點(diǎn)Pl，Pr)的顏色信息，就是物體表面點(diǎn)P的顏色信息(RGB)，至此，可以確定物體表面測量點(diǎn)的六維信息(XwYwZwRGB)。此外，標(biāo)記出左右彩色圖像的顏色邊緣點(diǎn)，作為后續(xù)數(shù)據(jù)精簡時的約束條件(顏色邊界點(diǎn)不能精簡掉，否則重構(gòu)模型的顏色邊界模糊)。

3)彩色點(diǎn)云的生成

由被測物體表面測量點(diǎn)的六維信息，生成ASCII格式的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，格式如下：

點(diǎn)數(shù)

65536

序號XYZRGB

020304025500

130405002550

……

最終，ASCII格式的彩色點(diǎn)云文件經(jīng)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換，生成逆向工程軟件支持格式的文件，完成三維彩色模型重構(gòu)。

4結(jié)束語

目前，三維彩色逆向技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，本文在單色非接觸結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用彩色CCD攝像機(jī)獲取測量物體的彩色圖像，綜合運(yùn)用機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，為獲得測量物體的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供了一種方法，也是對三維彩色逆向工程技術(shù)研究的一種有益嘗試。

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