基于視覺的零件三維重構方法研究

梁錦麟，陳映璇

0 引言

數(shù)字化、信息化技術的發(fā)展，促進了基于視覺的三維重構技術的發(fā)展。基于視覺的三維重構技術就是利用多幅圖像獲取對象的空間信息或周邊環(huán)境的認知能力，是計算機視覺研究的主要目標，因此，基于圖像序列的三維重構技術是計算機視覺領域的重要研究內(nèi)容。本文利用該技術建立一套簡便并具有實際應用功能的零件三維重構系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 簡介

基于圖像的三維重建方法是計算機圖形學與計算機視覺知識相互貫通后產(chǎn)生的一種新的目標重建方法。該方法首先通過相機獲取目標的足夠的二維圖像序列，并應用各種圖像處理方法完成對二維圖像的處理，通過得到的零件輪廓信息恢復目標的三維幾何數(shù)據(jù)，并利用相關軟件完成目標三維實體的重現(xiàn)。

1.1 作用與目的

基于圖像序列的三維重建技術在重建過程中擁有成本低廉、操作簡單、真實感強等優(yōu)點，因此，在逆向工程、個性化定制、CAD/CAM、精密工業(yè)測量、現(xiàn)場勘測、機器人導航、物體識別、虛擬現(xiàn)實、場景漫游以及軍事機械制造、數(shù)字博物館、作戰(zhàn)演習、無痛手術等等諸模擬仿真領域得到了廣泛應用。

2 主要研究工作

圍繞基于視覺的三維重建技術，本文主要分以下方面進行相關研究：圖像采集系統(tǒng)的搭建、相機的標定、圖像輪廓提取、實體模型的三維重建。

2.1 圖像采集系統(tǒng)的設計

論文設計并搭建了基于旋轉軸的單目多視角圖像采集系統(tǒng)（如圖1所示），即相機固定，將目標對象放置在一個旋轉軸的轉臺上。轉臺每旋轉一定角度，相機獲取此視角下對應目標的二維圖像。控制轉臺的轉動角度及轉角范圍，可獲得圖像序列。

2.2 相機標定

圖1 基于旋轉軸的單目多視角圖像采集系統(tǒng)Fig.1 Monocular Multi-view Image Acquisition System Based on Rotated Axis

本文使用張正友平面標定法，該方法只要求繪制出一個具有精確定位點陣的模板(如圖2所示)，然后使相機在不同的視角下獲取此模板的二維圖像信息。

圖2 張正友標定平面模板Fig.2 Zhang Zhengyou Calibration Plane Template

此過程中，相機與模板都可以任意放置并且可以自由運動，通過將二維圖像上的點與模板上的點進行匹配計算出圖像與模板之間的變換關系矩陣，最后，利用該變換矩陣線性地求解出相機的內(nèi)外參數(shù)，從而完成相機的標定。張正友標定方法用投影關系即數(shù)學模型如圖3所示。其基本原理可表達為：

圖3 張正友標定法基本投影模型Fig.3 The Basic Projection Model of Zhang Zhengyou Calibration Method

式中，s即為實際上的zc；

[r1r2r3]為相機坐標系∑XcYcZc相對于世界坐標系∑XwYwZw的相機外部參數(shù)矩陣，旋轉矩陣R；

t是相機外部參數(shù)矩陣，平移矩陣T。

2.3 圖像輪廓提取

對采集得到二維目標圖像進行預處理，以初步分割出前景與背景，從而簡化后續(xù)處理結果。

（1）應用式（2）對原圖像（如圖4(a)所示）進行二值化處理，處理后的結果如圖4(b)所示。

（2）從圖4(b)可看出，二值圖像中存在很多噪點，本文應用式（3）對其進行形態(tài)學去噪，結果如圖4(c)所示。

式（3）的含義為在連通域X中，如果有連通域的面積X.area小于設定值（本文取為300），認為此連通域為噪點并給予去除。

（3）去噪后的圖像存在一定的缺陷如小空洞。在此，需要對圖像做進一步的處理以期獲得比較完整的目標。先應用式（2）對圖像進行閉運算，結果如圖4(d)所示；再對空洞進行填充，其結果如圖4(e)所示。

（4）為得到目標域，應用式（4）去除邊界干擾，處理后的結果如圖4(f)所示。

圖4 預處理過程與結果Fig.4 Pretreatment Processand Results

2.4 實體模型的三維重建

圖5 基于空間雕刻法的三維重構算法流程圖Fig.5 The Flow Chart of 3DReconstruction Algorithm Based on Space-carving Method

通過提取二維圖像的輪廓信息，再根據(jù)相機標定過程中求得的變換矩陣，將這些二維輪廓信息轉換成三維空間上的點，最終應用空間雕刻法預先估計一個重建物體所在空間區(qū)域，也就是估計一個初始的包絡體，然后，將這個包絡體劃分為容積相同的小立方體（稱之為體素voxel），根據(jù)一定的約束判別這些初始區(qū)域的voxel是否屬于物體的表面，若該voxel屬于物體表面，則將其保留，不屬于的話則將其雕刻掉。如此循環(huán)判斷每個voxel，直到再也沒有voxel可以被雕刻掉為止。最后，沒有被雕刻掉的voxel的集合就構成了物體的三維模型，具體過程如圖5。

根據(jù)上述流程，工件每旋轉10°獲取此視角下零件的二維圖像，共36個圖像數(shù)據(jù)。對每個二維圖像提取輪廓并建立包絡體，后續(xù)對包絡體進行二次雕刻。重復運算36個圖像數(shù)據(jù)合成的雕刻結果如圖6所示。

圖6 36個視角下雕刻結果Fig.6 the result of Space-carving from36 Angleof Views

3 總結

基于圖像的三維重建技術一直以來都是計算機視覺領域中一個重要的研究課題。如何由二維圖像序列最終得到目標的三維信息，是綜合電子學、光學和計算機技術發(fā)展為一體的一項先進技術。本文主要研究了基于圖像序列的三維重建的技術。該技術無需繁瑣的幾何建模，就可以通過圖像序列就可獲取目標的空間位置。此技術在重建過程中擁有成本低廉、操作簡單、真實感強等優(yōu)點。