基于面结构光的物体表面三维重建方法分析与实现-analysis and implementation of 3d surface reconstruction method based on surface structured light.docx

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于必威体育官网网址□，不必威体育官网网址□。在年解密后适用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1绪论1.1引言随着信息和通信技术的不断发展，人们越来越多地使用计算机和通信网络进行学习、工作、研究、娱乐、购物和交流。然而，在这些平台上，人们通常只能获得二维的图像、图形信息和抽象的文字描述，缺乏真实感，难于全面地认识和把握真实的事物。使用三维重建技术能够重建出物体的数字化三维模型。由于三维模型比二维投影包含更丰富的信息，更容易被人所理解，所以三维重建具有十分广泛的应用[1]。现代工业中，很多零部件具有十分复杂的结构和形式多样的曲面，如轿车车身、飞机机身和机翼、凸轮轴、旋转机械叶片等，这些曲面难于测量和设计，使用三维重建技术，能够方便、快速地重构出这些结构和曲面[2-5]。逆向工程中，三维重建技术结合计算机辅助设计和制造技术，可以快速地设计和制造零部件，还能使用计算机辅助工程软件对所获得的实体模型进行三维有限元分析[6]。医疗上，三维重建技术能够获得直观的数字化三维影像，从而能提供解剖和病理等方面的信息，可以用来构建内窥镜和虚拟手术系统，进行教学、研究和手术验证[7]。通过三维重建消费者的体形或足型，服装商家可以定制出最贴身最合脚的产品；可以提供虚拟试穿功能给客户，让人们足不出户就可以选购到合适的产品；还可以制作时装产品的虚拟展示，为商家节省时装发布展示的费用和时间，其真实的三维效果将是平面广告无法比拟的[8]。有些建筑造型奇特、表面纹理复杂不规则，难于用常规的手段进行复制，尤其是珍贵的文物，要千方百计地避免人为的损坏，使用三维重建技术得到这些建筑和文物的三维数字模型，然后在计算机中对其测量、分析、研究是十分有效的解决办法，而且这些三维数字模型还可以进行仿制以用于实物展示，或者制作数字化博物馆进行三维数字展示，既能产创造经济社会效益又能有效地避免原物的破坏[9,10]。另外，三维重建还被广泛应用于地质、刑侦和游戏影视制作等方面[11-13]。基于视觉的三维重建是一种典型的三维重建方法。根据三维重建的原理，常见的视觉三维重建方法有：层析法[14]（tomography）、调制度法[15]（ModulationMeasuringProfilomety,MMP）、SFX法[16（]ShapefromX）、立体视觉法[17（]StereoscopicVision,SV）、结构光法[18]（StructuredLight,SL）等。其中，结构光法以其重建精度高、速度快等特点而被广泛应用。1.2结构光三维重建的原理及关键技术1.2.1结构光三维重建方法的原理和分类结构光是指亮度分布具有一定空间结构的光束，如点状激光、通过狭缝的线状光带、通过光栅或者网格的面状结构光等。按照结构光的形式，结构光三维重建方法可以分为使用点状结构光的激光逐点扫描法、使用线状结构光的光切法和使用面状结构光的光栅投影法。结构光三维重建是基于三角测量原理的，它利用入射光线、反射光线和基线（光线发射端和接收端的连线）构成的三角关系求解物体的深度。（a）激光逐点扫描法（b）光切法（b）光栅投影法图1.1结构光法原理激光逐点扫描法[19]的测量原理如图1.1（a）所示。激光器发出的激光经发射透镜准直聚焦后，投射到物体表面上一点PT，光线被反射到接收透镜汇聚后，在光电接收器件上成像于点PR。当系统平行于参考平面扫描整个物面时，由于物体表面的起伏，投影在物面上的点PT的位置发生变化，引起成像点PR位置的变化。由于接收透镜与光电接收器件之间的距离和发射透镜与接收透镜光心之间的距离已知，通过三角关系可以换算出扫描点相对于参考平面之间的深度，从而完成物面的三维重建。激光三角法单独计算物面上各点的深度，原理简单，技术比较成熟，但是需要专门的装置二维逐点扫描整个物面，耗时且精度取决于扫描机构的分辨率。光切法[20]的测量原理如图1.1（b）所示。光源发射的线状结构光形成一个切面与物面相交，交线因物面的起伏而在成像平面上为曲线，曲线上的各点同时运算得到交线上