书书书
收稿日期:20150721;修回日期:20150906 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61101154)
作者简介:孙庆科(1991),男,硕士,主要研究方向为结构光三维成像方法(qingkesun@163.com);何云涛(1982),男,讲师,博士,主要研究方
向为成像技术、激光雷达探测等;陈瑞强(1983),男,博士,主要研究方向为激光测距及三维成像等;江月松(1959),男,教授,博导,主要研究方向
为光电探测及遥感遥测等.
基于结构光的三维点云重建方法研究
孙庆科,何云涛,陈瑞强,江月松
(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)
摘 要:结构光三维成像是近年来三维成像领域的研究热点之一。整体设计及实现了条纹结构光三维重构系
统,并重点研究了点云生成三角网格方法。该系统使用整体阈值与局部滑动阈值相结合的方法提取到条纹中心
特征点,以像素索引值为中间媒介进行编码值插值计算,并利用像素索引值为媒介对点云进行三角网格化处理。
利用像素索引值的方法简化了点云插值和点云生成三角网格的处理过程,并且能够精确得到每个点上的颜色值
并进行颜色渲染。最后利用提出的方法对石膏模型和实际人脸面部进行了三维测量和重建,并分析了该方法测
量的精度。结果表明提出的方法达到了实验精度的要求并取得了非常好的三维重构效果。
关键词:成像系统;三角网格划分;像素索引值;特征点提取;点云插值
中图分类号:TP391.9 文献标志码:A 文章编号:10013695(2016)09287305
doi:10.3969/j.issn.10013695.2016.09.072
Researchofthreedimensionalpointcloudreconstructionbasedonstructuredlight
SunQingke,HeYuntao,ChenRuiqiang,JiangYuesong
(SchoolofElectronicInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)
Abstract:Structuredlightthreedimensionalimagingisoneofthehotspotsinrecentyearsinthefieldofthreedimensional
imaging.Thispaperoveralldesignedandimplementedathreedimensionalreconstructionsystemofstripestructuredlight,and
focusedonthemethodoftrianglemeshgenerationofpointcloud.Itusedcombinationoftheglobalthresholdandthelocalslid
ingthresholdmethodstoextractthefeaturepointsinthestripcenter.Byusingthepixelindexvaluesoffeaturepointforinter
mediary
,itinterpolatedencodevaluesandpointcloudgeneratedtriangularmesh.Itmadethepointcloudinterpolationandthe
pointcloudtriangulationprocessgreatlysimplifiedbyusingthepixelindexvaluesoffeaturepointforintermediary,anditwas
abletoaccuratelygettheexactcolorvalueofeachpointanddocolorrendering.Finally
,ittookthesurfaceofaplastermodel
andahumanfaceasexamplestobemeasuredandreconstructedusingtheproposedmethod,andanalyzedtheaccuracyofthe
measurementmethods.Thisresultsshowthattheproposedmethodachievestheaccuracyoftestrequirementsandverygood
performances.
Keywords:imagingsystem;trianglemesh;pixelindexvalues;featurepointextraction;pointcloudinterpolation
三维成像技术能够获取三维物体各部分真正的三维测量
数据信息,即物体表面的三维坐标。近年来,随着高分辨率和
高速电子传感器件的发展,三维成像技术的研究发展以及商业
化应用取得了巨大的进展,其主要应用于逆向工程、质量检测、
军事、数字化文物、机械制造、整形治疗等范畴
[1]
。光学三维
测量技术是主动式获取物体三维信息最有效的手段之一,主要
优点有无须接触被测物表面、采样密度高等。光学三维测量技
术中,结构光编码法以其准确度高、测量速度快、成本低等优点
在三维重构、工业测量等领域有着广泛的应用前景
[2~4]
。
随着结构光三维点云采集技术的快速发展,从三维点云重
建三维物体表面的需求越来越多。点云处理技术的发展决定
了能否有效地将点云数据转换成高质量的三维数字模型,从而
为快速制造技术提供前期基础。点云插值以及三角网格生成
操作是点云数据处理中非常重要的内容,其方法在一定程度上
影响着点云数据处理和点云建模的效率
[5,6]
。三角网格能保
持原始网格模型的几何精度和形态信息,网格规模小、质量高,
众多学者已进行了深入的研究。Delaunay三角化是很常用的
方法,这种基于约束的
Delaunay三角化方法的主要缺点是计
算量太大。Kazhdan利用快速傅里叶变换(FFT)对有向点云进
行了快速有效的重建,由于需要对点云的包围立方体进行均匀
细分,稍高的分辨率就会导致内存需求过大
[7]
。文献[8]利用
空间 Poisson公式对有向点云进行重建,虽然弥补了细节产生
的过大内存需求,但是严重降低了重建效率。钱归平等人通过
曲面
Splatting筛选采样近似物体点云,采用新的非 Delaunay三
角网格化方法实现点云重建
[9]
。这些算法基于物体特征点的
实际三维空间坐标,或者采用投影面对特征点进行处理。
本文开展了基于条纹结构光的三维重构技术的研究,针对
条纹结构光设计了条纹特征点的提取和编码及插值方法,并且
针对此方法进行了点云的三角网格化处理,取得了良好的显示
效果。
!
条纹结构光三维重构基本原理
结构光三维测量系统是由投影仪将结构光编码图案投影
到被测物体,由摄像机等光电传感器在另一角度获取经被测物
第 33卷第 9期
2016年 9月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol.33No.9
Sep.2016