（计算机应用技术专业论文）基于编码结构光的三维扫描仪原型系统研发.pdf

摘要 本文实现了一个三维扫描仪原型系统，该原型系统能够在2 0 秒左右的时间对 1 0c m 3 6 0c m 3 大小的物体完成一个面的三维数据采集工作，扫描结果以带r g b 彩 色值的三维空间点云表示，输出标准v r m l9 7 文件。使用该三维扫描仪对良渚文 物黑陶鼎和玉琮进行扫描可以获得精度较高的三维数据，对于石膏，金属，布料， 塑料，木料，瓷器等多种材质的物体也能达到较好的扫描效果。 本文首先对目前市场上各种三维扫描设备做了大量的调研，对具体实现技术进 行了比较全面的分类和比较：根据文物领域的实际应用需求，兼顾技术实现的可行 性等多方面因素的考虑，本文三维扫描仪原型系统采用了投影编码结构光技术；编 码结构光技术的核心是对投影图案进行编码设计，本文对当前投影图案的各种编码 设计方案进行比较全面的分类和对比，采用了精度较高，编码简单，但是投影图案 数量较多的g r a yc o d e + p h a s es h i f t i n g 编码方案。 照相机和投影仪定标技术是原型系统的核心技术，本文给出了照相机和投影仪 内外部参数求解步骤和详细的公式推导；图像主动线索特征提取和离散点三维重构 是对原型系统采集的照片进行数据处理的关键步骤，本文给出了详细的实现方法； 最后本文还定义了原型系统的性能参数，分析了影响原型系统扫描精度的多种冈素。 关键词：三维扫描仪；编码结构光；照相机定标；投影仪定标；三角测量法 浙江大学硕士学位沦文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa3 ds c a n n e r p r o t o t y p es y s t e m t h a tc a ns c a no n et h c eo fa n o b e c ti n2 0s e c o n d s t h eo u t p u to f t h e3 d s c a n n e ri s3 d p o i n t c l o u dw i t h c o l o r - p e r 。p o i n t c o n t a i n e di nv r m l9 7f i l e t h i s3 ds c a n n e rp r o t o t y p es y s t e mh a sa c q u i r e d t h e3 d m o d e l so fb l a c kc h i n a w a r ea n dy u c o n g t h a ti sl i a n g z h uc u l t u r a lr e l i c ，a n dt h er e s u k si s v e r yg o o d i np r a c t i c e ，t h i s3 d s c a n n e rc a l lw o r kv e r yw e l lw h e ns c a n so t h e rm a t e r i a l o b j e c t s ，s u c h a s p l a s t e r ，m e t a l ，c l o t h ，p l a s t i c a n dw o o d e v e np e o p l e sf a c e ，t h i s3 d s c a n n e ra l s oc a nw o r k t h i sp a p e rc o l l e c t sal o t o fi n f o r m a t i o no fm a n y3 ds c a n n e r s i nt h em a r k e t ； c l a s s i f i e st h e mi n t os o m ek i n d sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s t h e3 ds c a n n e r p r o t o t y p es y s t e m m a k e su s eo f p r o j e c t o r t op r o j e c tc o d e ds t r u c t u r e dl i g h t ，b e c a u s ec o d e d s t r u c t u r e dl i g h tt e c h n o l o g yo n l yn e e d ss i m p l eh a r d w a r ea n d h a s h i g hp r e c i s i o n t h ek e y t e c h n o l o g y o fc o d e ds t r u c t u r e dl i g h ti s c o d e dp a t t e r nd e s i g n ；t h i sp a p e rp r e s e n t e d a c l a s s i f i c a t i o no f e x i s t i n ga l lk i n d so f c o d e d p a t t e m s a f t e ra n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e x i s t i n gc o d e dp a t t e r nd e s i g ns t r a t e g i e s ，t h i sp a p e r u s e s g r a yc o d e + p h a s es h i f t i n gw h i c h h a sh i g h p r e c i s i o n ，e a s yr e a l i z a t i o nb u tm o r ep a t t e r n n u m b e r c a m e r aa n d p r o j e c t o r c a l i b r a t i o na r et h e k e yt e c h n o l o g y i nt h e3 ds c a n n e r p r o t o t y p e s y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d t h ed e t a i l e ds t e p st oc o m p u t e t h el r m e ra n do u t e r p a r a m e t e r s a f t e r a c q u i r i n g t h ec o d e dp a a e mp i c t u r e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d h o wt o a n a l y z e t h e p i c t u r e s a n dd e c o d et h ec o d e dp a t t e r n t h ed e t a i l e ds t e p s o ft r i a n g u l a t i o na l s o a r e p r e s e n t e d i nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h i sp a p e rd e f i n e st h e3 d s c a n n e r sc a p a b i l i t yp a r a m e t e r s a n d a n a l y z e s t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r e c i s i o n k e y w o r d s ：3 d s c a n n e r ；c o d e d s t r u c t u r e d l i g h t ；c a m e r a c a l i b r a t i o n ；p r o j e c t o r c a l i b r a t i o n ；t r i a n g u l a t i o n i i 扫描结果彩页图 m 新江走学焉士肇位论文 彩图2 普通物体扫描效果图 彩圈3 人脸扫描_ 绶果圈 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 我国作为世界著名的文明古国，历史悠久，文化遗产十分丰富。这些珍贵文化遗产对 传承中华文化、建设社会主义精神文明和物质文明、实现中华民族伟大复兴具有不可替代 的重要作用。浙江是中国古代文明的发祥地之一，早在5 万年前的旧石器时代，就有原始 人类“建德人”活动。全省境内文化遗址星罗棋布，己发现新石器时代遗址就有1 0 0 多处。 有效保护和合理利用这些前人遗留下来的珍贵文物，满足公众和考古专家鉴赏文物，研究 古代文化的需要，具有重要的现实意义和研究价值。 文物数字化工作目前已经被越来越多的各方号家所认可，文物数字化工作在文物保护 和研究中所起到的重要作用也受到越来越多的重视。文物数字化获取是文物数字化工作的 一个关键环节所在，脱离文物数字化获取，其他所有的文物数字化 二作无异于窄中楼阁。 然而如何有效的、完整的、精确的获取文物的数字化信息是一个非常复杂的问题。文物数 字化获取的范同非常广泛，而且随着技术的进步，文物数字化获取的概念也在不断拓展。 绝大多数实体文物都具有非常鲜明的表面结构形状，其表面的三维信息中蕴涵有重要的历 史、人文等考古信息，传统的相片拍摄以及手t 绘制等方法无法完整、准确、真实地记录 和反映文物的三维信息，使用三维扫描技术，可以对文物三维信息进行快速数字化获取。 当前在文物三维信息数字化获取领域中广泛采用的方法主要是三维扫描技术，三维扫 描技术起源于8 0 年代。c y b e r w a r e 公司最早研制出基于视觉的三维扫描仪，并将其成功地 投入实用。进入9 0 年代，三维扫描技术获得了广泛的应用，到目前为止已有近百种璎号 的三维扫描设备面世。目前，欧、美、加、日等国的几十家高技术公司开展了对三维扫描 技术的研究开发，已形成了一定规模的新兴产业，其产晶在精度、速度、易操作性等方面 达到了很高的水平，扫描的对象不断扩大，而价格则逐步下降。f i 前，三维扫描技术可以 将古文物、传统雕刻、浮雕甚至人类学中将古人类的骨头、器皿，快速的数字化并保存下 来，便携式3 d 数字扫描器，可架设于复杂的地理环境，对于过于火件的文物也可分批扫 描，从而使得三维扫描技术在文物保护领域处于重要的位置，并已成为三维文物数字信息 记录技术的主流。 利用三维扫描技术进行文物数字信息记录的典型研究项目有：美国斯坦福大学、华盛 顿大学与c y b e r w a r e 公司合作完成的数字化米开朗基罗计划【i j ，该计划使用三维扫描仪记 录了十座米开朗基罗塑造的大型塑像，包括著名的大卫像，并在旁建立了交互式的计算机 环境供参观者使用；加州大学伯克利分校等采用了b i r i ss c a n n e r 完成p o m p o s a 修道院的数 字化记录。 文物的三维模型不仅包括其三维信息，而且还包括丰富的色彩信息，这些色彩、纹理 也是文物作为研究展示的重要组成内容。日前市场上已经出现具扫描色彩信息能力的三维 浙江大学硕士学位论文 扫描仪，可以通过它来获取物体的纹理贴图或各点着色( c o l o r - p e r - p o i n t ) 模型。虽然这种 获取方法十分方便，但是由于价格等原因，这类扫描仪尚不能获得广泛的应用。现在广泛 使用的三维扫描仪只能获得物体的单色几何模型，而无法直接获取色彩信息。 三维扫描技术在国内的文物保护领域的应用也开展了多年，但是作为其中的关键设 备，只能购买国外昂贵的三维扫描仪，在一定程度上限制了三维扫描技术在国内文物领域 的推广应用。近年来，三维扫描仪的研究在国内也已经得到了较快的发展，已经有多家产 品申请专利并在市场上销售，虽然和国外产品比较在技术上和性能上还缺乏竞争力，但从 无到有的跨越是振奋人心的。本课题组多年来一直从事文物数字化获取研究，深刻感受到 文物数字化获取设备的研发是文物数字化获取工作的关键所在，脱离文物数字化获取设备 的文物数字化研究处处受国外设备的限制，很难在研究上持续深入，在应用上实际推广， 研究成果也很难沉淀为产品。本课题组目前在研项目需要对良渚文物黑陶鼎和玉琮进行三 维数字化获取，经过实验表面，无法使用f a s t s c a n 手持三维扫描仪和l n s p e c k 三维扫描仪 进行三维扫描。因此，一来为了摆脱本课题组目前文物数字化研究的被动局面，二来针对 良渚文物三维数字化获取的需要，本文将根据当前日趋成熟的计算机视觉技术，探究三维 扫描技术原弹，研发一个廉价的三维扫描仪原型系统，能够适用于针对良渚文物黑陶鼎和 土琮的三维数字化获取。 1 2 背景综述及技术现状 1 1 1 三维获取技术综述 通常，人们获取物体三维模型的方式有三种：第一埽十方式利用建模软件构造三维模型： 第二种方式利用图像或者视频来重建三维模型；第三种方式通过三维扫描设备对物体表面 进行三维扫描。 | = | 前，在市场上可以购买到许多优秀建模软件，比较知名的有3 dm a x 、m a y e r 以及 a m o c a d 等等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球等，通过一 系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。用这种方法 建模的优点是刈以精确控制) i 素的位置及大小，构建许多人造物体的三维模型，特别是建 筑物、家具等：可以生成一些奇异的渲染效果，这一点被广泛地运用于影视作品和广告特 效中；此外，也可以让人f f j 更好地控制光照和纹坪。其缺点在于，首先必须充分掌握场景 数据，如场景中物体的大小比例，相对位置等等，缺乏这些信息就难以建模；第二，这些 软件的操作都十分复杂，以3 dm a x 为例，其中包括百余个基本操作以及数倍于此的扩 充功能，如各种插件。这些操作分散在许多菜单、工具条中，同时还要求用户填写大量的 参数。这也令这种方法的自动化程度低；第三，由于操作复杂，使得建模周期长，同时需 要熟练的操作人员，因而提高了制作成本；最后，对于许多外形复杂且不规则的自然物体 或者人造物体，仅仅使用传统测绘工具得到的测量数据，无法用建模软件构造出接近真实 物体的模型。 浙江大学硕士学位论文 第- - ；f b 建模方法是根据图像或者视频建模。通过对场景实拍的一系列图像，可以恢复 出具有相片级真实感的场景或者物体模型，同时建模过程自动化随着技术的进步也在不断 提高，使得人工劳动强度越来越轻，降低了建模成本。基于图像建模所需的设备也非常简 单，只需要一部或者多部数码相机。因此，在需要真实感建模野外自然场景的场合，基于 图像的建模无疑具有很高的实用价值。根据视频实时生成模型是另外一个诱人的应用，但 就目前的技术手段以及硬件水平来看还不太现实。这种方法尤其适合野外大场景( 建筑物) 的三维建模，例如d e b e v e c l 2 】利用场景中的已知形状，如立方体，棱锥等等，通过参数化 几何模型对建筑物进行建模，p o l l e 姆s d 利用立体像对中的对应点信息对建筑物进行建模。 这种方法的缺点就是仍然需要大量的手工操作，而且建模精度不高，其精度对于野外大场 景建模尚可接受，但是对于馆藏文物来说其精度由于技术本身的原因是远远不够的。 第三种方法是利用具有测距功能的三维扫描设备来获取物体的三维信息，如f a s t s c a a ， l n s p e c k ，g o m ，i q s u n8 8 0 ，d e l t a s p h e r e 等等。这些设备利用激光、超声波或者红外线测 距，能够获得的比较精确的三维数据，适用于有一定精度要求的建模应用中，如复杂机械 零件，文物等。除了精度高的优点外，另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时 问很少。然而这样的设备都比较昂贵，对于较大的场景在使用上有很多限制。下面将对各 种三维扫描技术进行分类，探究其原理。 三维扫描设备的关键部分是三维扫描测距探头，测距探头基本上可以分为两个太类 接触式探头和非接触式探头。 1 接触式三维测距探头 接触式探头在测量时探头需要和被测物体接触，根据不同的触发原理，接触式探头又 可以分为：硬式测头，触发式测头和扫描式测头，如图1 - 1 所示，目前市场上的三坐标测 量机就是采用接触式探头技术。 图1 - i 接触式三维测距探头示意图1 2 云纹铜油灯 使用接触式探头的三维扫描设备的优点主要是测量精度非常高，可以达到1 爿m ，而 且测量时完全不受物体表面反光，色彩等属性的影响。但是使用接触式探头的三维扫描设 备的缺点也非常明显，由于测距探头要接触被测物体表面且要产生一定的压力，所以会对 被测物体造成定程度的损伤，这一点是该类三维扫描设备用于文物三维获取领域的致命 缺陷；该类j 维扫描设备的另一个缺点就是扫描时需要逐点测量，速度较慢，获取效率难 以忍受；由于测距探头需要接触被测物体并产生压力，因此对被测物体的材质有一定的要 浙江大学硕士学位论文 求，只能测量表面材质较硬的物体。使用接触式探头的三维扫描设备的主要应用于机械零 件测量，如果应用于文物三维获取领域，可能对文物表面造成损伤是其最主要的缺陷，当 然，对于一些青铜器文物该类设备还是适用的，例如南京博物馆馆藏文物云纹铜油灯( 东 汉，1 9 7 5 年江苏睢宁刘楼出土，由牛身、灯座、灯盖三部分组成) ，该文物曾使用接触式 探头的三坐标测量机进行三维数字化获取，如图1 2 所示。 2 非接触式三维测距探头 非接触式探头将激光或者可见光投射到被测物体表面，然后利用各种感光器件对发射 的光进行感光，再利用各种技术计算出物体表面的深度信息。非接触式探头无需与被测物 体直接接触，所以不会直接对被测物体产生物理损伤，这一特性对于文物三维数字化获取 尤为重要。非接触式探头主要有以下两种：一种利用测量光飞行时间计算物体的深度信息， 另一种利用光学三角测量法计算物体的深度信息。 第一种方法通常是发射一束激光，利用激光返回时和发射时的相位差米计算激光的飞 行时问，从而获得物体表面反射点的深度信息，其原理如图i - 3 所示： 来自特测物体的反射光 激光发生器脉冲放大器指向待测物体的激光 圈1 3 光飞行时间法原理示意图圈i - 4 光学三角测量法示意图 这种非接触测距探头通常的适用于比较大的物体或者场景的三维获取，以美国 3 r d t c c h 公司生产d e l t a s p h e r e 激咒三维扫描仪为例，其平均角度误差为0 0 1 5 度，当获取 物体距离扫描仪4 0 英尺距离时其平均距离误差为0 3 英寸，浙江大学计算机学院网络媒 体实验室数字化文物小组已经成功使用该扫描仪对敦煌1 5 8 号洞窟中的卧佛进行了数字 化扫描。 第二种方法为光学三角测量法，此类非接触探头由光源和光感应器两部分组成，通过 由光源，光感应器和反射点构成的三角形关系来计算反射点的深度信息，其基本原理如图 1 - 4 所示。光源o 。发射的光线经过透镜f 1 的光心，物体表面爿点将光反射，反射光经过 透镜r 的，c 心到达光感应器上的0 2 ，0 1 a 0 2 构成的三角形，如果已知0 l ，伪的位置， 0 if l 和0 2f 2 的方向，就可以求解爿的位置，图中b 点虽然也在射线d 1r 上，但是在光 感应器上为0 3 点，因此可以看到，使用三角测量法可以区分a 和日的深度。光学三角测 浙江大学硕士学位论文 量法在实际应用中又可以分为三种：单光点测量，单光条测量和多光条测量。所谓单光点 测量是指每次发射一个光点到物体表面，其三角测量原理上可以理解为求解两条射线的交 点；所谓单光条测量是指一次将一条光条投射到物体表面，在物体表面上形成一条随物体 表面起伏而扭曲的光线，其三角测量原理上可以理解为求解一个平面和一条射线的交点； 多光条测量是单光条测量的拓展，一次投射多条光条，原理上也是求解平面和射线的交点。 三种方法基本原理如图1 - 5 所示。无论投射单光点，单光条和多光条，都利用了物体对光 反射后从不同角度观察所产生的形变特性，因此统称为结构光技术。 光 待铡物 a ， 待测物 光感应器光感应器 单光点 单光条 光感应器 多光条 图1 - 5 单光点、单光条、多光条原理示意图 图1 - 6 给出了单光条和多光条在实际测量巾的应剧，如图1 - 6 所示，单光条将一道激 光投射到被测物体表面，多光条同时将多道激光投射到被测物体表面。 辟光条多光条 图1 - 6 争光条、多光条应用示意图 上面已经对三维扫描设备的关键部分三维测距探头做了分类介绍，这两种三维测距探 头采用了完全一i 同的技术，其技术本身决定了他们有自己固有的优点和缺点，因此各自都 有不同的工业应用范围，本文用表1 1 对这两种三维测距探头的各方面性能和优缺点做一 次比较全面的对比： 表1 - 1 接触式与非接触式三维测距探头对比 非接触式三维测距探头接触式三维测距探头 f 测量方式不接触被测物体表面接触被测物体表面，接触压力一般达 到1 5 0 9 以上 l 测量精度 1 0 5 0 0 l ml 研 浙江大学硕士学位论文 感测器光电元件开关元件 测量速度1 0 0 0 2 5 0 0 0 点s e c人力控制( 较慢) 被测物体材质无限制硬质材质 测量死角光学阴影处，光学焦距变化处测量头无法接触的部分 误差随被测物体表面曲率变化大 部分失真 优势 i 测量速度快，曲面三维结构容易获取 1 测量精度较高 2 可以对柔软、易碎、不可接触、薄件、2 可以直接测量被测物体特定点 皮毛等物体进行测量 的几何特征 3 不接触物体表面，对被测物体不会造 成物力上的损坏 r 1 测量精度较差，无法对某些特定点进 l需逐点测量，测量速度慢 行单独测量2 接触压力大小会影响测量值 2 陡峭面不易测量，激光无法找到的地 3 接触压力会造成被测物体表面 方存在测量死角 以及探头本身的磨损 3 被测物体表面的纹理会影响三维测量 4 也存在探头无法接触到的测量 4 测量误差随被测表面曲率变化而变化死角 1 1 2 编码结构光技术综述 上节本文谈到了单光条和多光条技术，在实际应用中，投射单光条的三维扫描仪一次 只能扫描一条线，即扫描单光条所照射的物体表面的那条线的三维结构，然后通过移动三 维扫描仪或者改变单光条投射方向改变单光条照射位置扫描下一条线，多次扫描的三维空 问线条组成了物体的三维表面结构。因此，投射单光条的三维扫描仪需要解决的一个技术 问题就是如何控制各个扫描线条之问的相对位置关系。就目前市场上的三维扫描仪来看， 主要采用了以下两种方法来解决这一问题，一种通过在扫描仪上安装的m o t i o nt r a c k 空间 定位器来定位每次扫描线条之问的位置关系，例如f a s ts c a n 等大多数手持三维激光扫描 仪，这种方法虽然增大了扫描仪使熠的灵活性，扫描密度可以无限增大，但是将m o t i o n t r a c k 的误差引入到了三维扫描仪忆一定程度上影响了扫描精度，而且扫描时扫描密度 手动很难定量控制，扫描的质量也不够高。另外一种采用各种机械，电子和光学方法改变 单光条的投射方向，例如同本美能达v i v i d 9 1 0 三维扫描仪，这种方法由于每次改变单光 条投射方向的量是一定的，所以采集密度是固定的，通常用转动的角度米表示，这种方法 扫描精度较高，而且自动化控度也较高。投射多光条的三维扫描仪一次投射多个光条，多 个光条组成一个面一起投射到被测物体表面，囚此该类扫描仪一次就能扫描被测物体的一 个面，由于在固定角度内投射光条的数量是一定的，因此其采集密度也是一定。投射多光 条的三维扫描仪必须解决一个技术问题就是，同时投射多个光条，如何区分他们呢? 光源 投剁多个光条，光感应器接收到多个形变的光条，他们之间如何一对应呢? 目前多光条 技术大多利用可见光，可以通过普通投影仪投影黑白相间的垂直条纹来实现，这种一次将 一个丽的多光条投射到物体表面我们也称为面结构光技术。目前，投影图案拓展了黑白相 问垂直条纹的方法，形成各种各样的投影图案，通过对图案上的点，线条进行各种方案的 编码，只要光感应器接收的照片能够正确解码，就能和投影图案一一对应，本文将这种经 浙江大学硕士学位论文 过编码的投影图案称为编码图案，因此，投影仪产生面结构光技术的关键问题就是投影图 案的编码设计问题。 对投影图案进行编码的技术非常多，在编码过程中，我们可以看到，我们可以对投影 图案的每个点进行编码，也就是在图像的墨y 方向上都作编码，点和点之间相互区分开 来，这种编码方法其实和激光投射单光点是一样的，在重建过程中，采用线和线相交求点 的三维空间位置。如果投影黑白相间的垂直条纹，我们可以只在水平方向y 上进行编码， 把条纹相互区分开来，这种编码方法就是用投影仪投射多光条的方法，在重建过程中，采 用面和线相交求点的三维空问位置。 j p a 9 6 s 4 j 根据各种编码策略为当前的编码图案做了一个分类。首先，将目前的编码 策略分为三大类：时间多路编码策略，空间领域编码策略和直接编码策略。所谓时问多路 编码策略就是在不同时间给编码的点赋一系列值进行编码，每个点在多个时间上的值组成 了该点的编码；空问领域编码策略就是每个点根据其领域点的信息进行编码；直接编码策 略就是每个点根据本身的值进行编码。表1 - 2 对这些编码策略的特性进行了如下分类：应 用场景( 适用于静态物体还是动态物体) ，象素编码色彩深度( 二值，灰度还是彩色) ，编 码周期策略( 编码值周期性重复的还是唯笼对的) 。 表1 - 2 编码策略分类总汇图 编编码方法相关文献 应用场景象素深度编码周期 码 静态动态二值灰度彩色周期绝对 策 物体 物体重复 略 b i n a r cc o d e sp o s d a m e re ta 1 i n o k u c h ie ta 1 m i n o ue ta 1 y ， t m b i n a v ， 时 v a l k e n b u r ga n dm c l v o r v ， 间 s k o c a ja n dl e o n a r d i s 多 r o c c h i n ie ta l v ， 路 n a r yc o d e s c a s p ie ta l 编 码 h o ma n dk i r y a t i 策 g r a yc o d e + p h a s es h i f t i n gb e r g m a n n s a n s o n ie ta 1 略 w i o r a g u h r i n g h y b r i dm e t h o d s k o s u k es a t o h a l l - h o l ta n dr u s i n k i e w i c z v 蒿 n o n f o r m a lc o d i f i c a t i o n m a r u y a m aa n d a b e d u r d l ee ta 1 巨 i t oa n di s h i i b o y e ra n dk a k c h e ne ta 1 浙江大学硕士学位论文 码 d eb r u i j as e q u e n c e s h u g l ia n dm a i t r e 策 m o n k se ta 1 略 v u y s t k ea n dq o s t e r l i n e k s a l v ie t a l l a v o i ee ta 1 z h a n ge ta 1 m a r r a y s m o r l t ae ta 1 p e h - i ue ta 1 k i y a s ue ta 1 s p o e l d e re ta 1 g r i f n na n dy e e d a v i e sa n dn i x o n m o r a n oe t a l v ， g r e yl e v e l s c a n i h i l la n dh u r m n e l 直c h a z a na n dk i r y a t i 接 h u n g 编c o l o u r t a j i m aa n dl w a k a w a 码 s m u t l l ya n dp a j d t a 策 g e n g v ， 略 w u s ta n dc a p s o n t a t s u os a t o v ，y ， 1 时间多路编码策略 时间多路编码策略将一系列投影图案在不同的时刻投射到被扫描物体的表面，物体表 面每个反别点得到一系列值，这些值构成了反剁点的编码。时间多路编码策略最大的限制 就是其不适用扫描动态的物体。这种编码策略：1 笙三维扫描中具有较高的扫描精度，因为这 种方法使j j j 了较少种类的色彩或者较少级别的灰度值，阏此能够较准确的区分不同的色彩 或者灰度级别：而且每个点的位置能够糖确的编码表示。时间多路编码策略的另外一个优 点就是能够达到较大的扫描密度。时问多路编码策略主要包括：基于进制编码，基于 n a r y 编码，格雷码结合相移编码，混和编码四种编码策略。 f 1 ) 基于二进制编码 这种方法使月 黑白两种色彩来对投身j 图案上的垂直条纹进行编码。p o s d a m e re t “【5 j 是 第一个提出这种方法的人，通过投影一系列图案到物体表面，例如投剁m 幅图案到物体表 面，从而可以对2 条条纹使剐简单的二进制数字进行编码，因此每条条纹就是由朋个0 和1 组成的二进制数表示，m 个数具体的0 ，1 取值则根据m 幅图案在每条条纹上的黑白 色决定。v a l k e n b u r ga n dm c l v o r f 6 1 通过使用格雷码进行编码以及亚象素级精度条纹边界定 位技术减少了这种方法的误差。格雷码是一种数码系统，不同于普通计算机内的数码系统 以二进制( b i n a r y c o d e ) 为基础，格雷码对应的二进码，只会有一个位的数字不同。当格雷 码增加l 时，只会有个位有变化( 0 变1 、或者是1 变0 ) 。格雷码与十进制之间的转换 浙江大学硕士学位论文 必须通过二进制帮助。由于任何二进码只要满足上述特性，即能称为格雷码，因而格雷码 的编码方式并非唯一。 但) 基于n a r y 编码 c a s p ie ta l 7 提出了一种格雷码的延伸编码方法，这种方法使用月个符号的字母表，每 个符号与一种颜色相关联。c a s p i 所作的工作就是将普通的二进制编码图案做了一般化。 c a s p i 同时定义了一个光照模型，该模型结合了物体表面的反射率，投影仪的发射光谱， 照相机的响应光谱等。而且，c a s p i 还设计了一个适应性很强的系统，可以根据测量的场 景和工作条件对系统的参数：条纹的数量，色彩的数量，抗噪声度进行重新配置。t l o ma n d k i r y a t i r8 在他们的工作中使用了同样的编码方法，不同的是，他们将每个符号和不同的灰 度级别相关联，而不是和不同的色彩相关联。在他们的实验中，与传统的格雷码相比较， 他们的方法获得了更好的精度。通常来说，n a r y 编码可以得到和二进制编码相当的效果 或者更好的效果，但是n a r y 编码可以大大降低编码图案的数量。 ( 3 ) 格雷码结合相移编码 这种方法源自结构光三维激光扫描仪所采用的经典方法，光条扫描。这种方法把光条 从被扫描物体表面扫描而过，同时随着投射光条位置的改变( 比如改变光条投射的角度) 而不停的获取投射光条的形变幽像。己知每次光条投射的角度，可以使用三角测量法求得 幽像上每个光条条的空间位置。为了减少扫描的时间，人们意识到使用投影仪町以。次投 射多条光条到物体表面，但是随之而来的问题就是产生了二义性，也就是说如何【蔓分同时 投射的多条光条呢? k r a t t e n h a l e re ta l 9 1 提出了利用格雷码来解决多条线条之间的二义性问 题。使用格雷码编码的图案可以区分一系列区域，这些区域的宽度正好是光条的宽度。因 此可以用格雷码把获取照片上的某一光条和投劓图案上对应的光条对应起来。g “u h g r i n g o 小但使用了格雷码编码，还加入了相位移动。除了投射格雷码，还投射了一系列的图案， 这些图案使朋，等宽的条纹，每次向一个方向移动一定的距离。通过这些图案，可以增加 系统的准确度，他劂时提出了亚象素级精度的条纹边界定位技术来提高系统的精度。 b c r g m a n j 则在投射图案上使用了周期性的连续正弦波灰度级，图案上的每列使用不同的 灰度级别来编码。格雷码结合柑移编码方法通常都可以达到较高的精度( 大约为o 0 4 r a m 的平均误差) ，但是需要数量较多的投影图案，因此处理的时问代价也较高。 ( 4 ) 混和编码 还有一些编码以时间多路编码策略为主，同时也采用了一小部分空间领域编码策略， 这种编码策略被认为是混和编码策略。h a l l h o l ta n dr u s i n k i e w i c z l 吲使用了4 幅投射图案， 总共投别了1 1 1 条垂直的黑白条纹，利用条纹的一对边界进行编码，编码总共有8 位，每 幅投射图案根据边界的颜色提供2 位编码。因此这种技术使用了时间多路编码策略( 4 幅 编码图案依次投射到物体表面) ，同时也采用了领域编码策略( 条纹两遍的条纹的色彩在 编码中被考虑) 。这种方法适用于运动速度较慢的动态场景。 9 浙江大学硕士学位论文 2 空间领域编码策略 下面介绍一下空间领域编码策略，这种编码策略仅仅使用一幅编码图案，在对每个象 素进行编码时需要考虑其领域象素点。在大多数情况下，这种方法适用于扫描运动物体表 面的三维信息。但是，这种编码策略的解码过程存在许多难点，比如扫描中一些遮挡关系 或者阴影，使得某些点的领域不能正确的获得，从而造成解码的困难。所以空间领域编码 策略通常仅限于扫描表面变化平缓的物体。其常用方法主要有以下三类：不规则图案编码； d eb r u i i n 序列图案编码；m a r r a y s 图案编码。 3 直接编码策略 直接编码策略使用。幅投影图案，每个点根据其本身的色彩值来进行编码。因此，这 种方法通常需要非常多的色彩值，或者降低扫描范围，或者周期性的重复使用色彩值。理 论上，这种方法可以获得很高的三维扫描密度，但是，由于编码之问的距离非常短( 比如 色彩与色彩之间的变化非常小) ，冈此对于噪声的敏感度很大。为了减少物体本身的色彩 对编码的影响，通常需要获取若干参考图像，因此，直接编码策略同样不适用于扫描动态 的场景。尽管如此，相对十u 寸问多路编码策略，直接编码策略还是大大减少了投影图案的 数量，相对于空问领域编码策略，直接编码策略也不需要限制被扫描物体表面变化尽量平 缓。但是直接编码策略限制了被扫描物体表面的色彩必须是中性的，而且不能是高饱和度 的色彩。此外，使用这种直接编码策略的系统需要适应对投影色彩整个光谱的感应和识别。 其常用方法丰要有以下两类：基于灰度级的编码；基于彩色的编码。 以上分类原则是基于投影图案的编码策略的。时间多路编码策略通常可以使用较少的 色彩对投影图案进行编码，能够获得较高的扫描精度，较高的扫描密度，而且解码过程简 单。时间多路编码策略的主要局限性是不适用于动态物体的表面三维获取。解决这一限制 的方法主要是通过考虑特定的空间领域对投影图案的进行编码，或者通过增加色彩的使朋 数量，如果不考虑图像分割的复杂性，色彩使用的数量越多，所需领域就越少。使用空间 领域编码策略，可以做到仅仅使用幅投影图案，因此空间领域编码策略适用于扫描运动 的物体的表面三维信息。但是表面有过大的起伏或者0 ；连续可能造成照片在领域识别上的 错误。由于编码浓缩到一幅投影图案巾，其扫描密度是比较低的。另外一个降低投影图案 数量的方法就是最大限度的使用灰度级别和使用色彩光谱，因此投影图案。p 每条或者每行 都有自己的值，这种力- 法仅仅适用于扫描中性色彩的物体。在投射多幅图案和使用多种灰 度级别或者色彩之间可以找到一种折中方案，使之具有较少的扫描时间和较好的扫描精 度。 总的来说，当对静态物体进行高精度扫描时，时问多路编码策略是最适用的，比如 c a s p ie la i l la n dg u h r i n g t “”提出的方法。当需要扫描动态的物体时，m a r r a y s 或者伪随机 序列是比较好的空问领域编码策略，这种方法的难点是设计一种强壮的解码算法准确地识 别不连续的部分，目前z h a n g c ta l u 3 提出的算法是该类算法中性能最好的算法。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文的工作 1 3 1 三维扫描仪关键技术研究 本文对目前市场上各种三维获取设备做了大量的调查和性能分析，对各种三维扫描仪 的具体实现技术进行了比较全面细致的分类。根据文物领域的实际应用需求和技术实现的 可行性等多方面因素的考虑，采用通过投影仪投影面结构光的技术来实现三维扫描仪原型 系统。本文对投影图案的编码设计方案做了比较全面的分析和对比，投影图案采用了g r a y c o d e - i - p h a s es h i f t i n g 编码，对其中的关键技术本文做了如下工作： 三维扫描仪原型系统定标。三维扫描仪定标技术主要包括照相机定标和投影仪定 标两个部分，本文对定标的整个过程做了详细的分析和公式推导。定标工作理论 上只需在三维扫描仪校准调试时使用一次即可，本文直接使用了j e a n y v e s b o u g u e t t ” 提供的定标程序。 图像主动线索特征提取。本文对g r a y c o d e + p h a s es h i f t i n g 编码图案做了详细的介 绍，研究并实现了由投影编码图案而产生的图像主动线索特征进行业象素级精度 提取的方法，编写软件系统将投影仪，摄像头和图像丰动线索提取算法进行整合。 离散点三维重构。本文对三角测量算法进行了详细的分析和公式推导，并且在软 件系统中对该算法进行了实现。 原型系统精度定义和分析。本文还对三维扫描仪的性能参数和扫描精度做r 详细 的定义，投影仪，摄像头对扫描仪精度的影响因素本文也做了一定的分析。 综上所述，本文介绍了投影图案g r a yc o d e + p h a s es h i f t i n g 编码方案，对三维扫描仪 所需的关键技术做了详细的分析和公式推导，除了定标程序使用开源代码，本文对其他关 键技术的算法进行了程序实现，形成了较为完整的软件系统。 1 3 2 三维扫描仪原型系统开发 1 三维扫描仪原型系统开发目标 本文要实现的三维扫描仪原型系统的应用对象主要是馆藏文物，针对馆藏文物通常是 静态实物的特性，以及对文物三维数字化获取精度较高的需求，本文使用时间多路编码策 略，其中的格雷码结合相移( g r a yc o d ea n dp h a s es h i f t i n g ) 编码具有精度高，易于实现的 特点，因此，投影图案采用格雷码结合相移编码；应用对象将锁定大小为( 1 0 c m l o c m 1 0 c m 至6 0 c m 6 0 c m 6 0 c m ) ：需要获取物体表面的三维空间信息和表面的纹理信息， 其中纹理信息包括两种：一种是每个三维空间点的色彩信息( c o l o r - p e r - p o i n t ) ，另一嚼十足 纹理贴图。本文给出了两种纹理的实现方法；获取精度将高于目前实验室的手持三维扫描 仪，加拿大的i n s p e c k 公司生产的三维扫描仪无论在具体实现技术上还是在外观上都将作 浙江大学硕士学位论文 为本文三维扫描仪原型系统的参照目标，i n s p e c k 公司的产品如图l 一7 所示 图l - 7 i n s p e c k 产品例图 2 三维扫描仪原型系统框架 图1 8 硬件平台图 本文的三维扫描仪原型系统的实现工作主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分的工 作主要包括扫描仪原型系统的平台搭建，投影仪和数码摄像头的性能参数选取等_ t 作；软 件部分的工作主要是数据采集和数据处理工作，下面分别从总体上介绍硬件部分和软件部 分的系统框架。 ( 1 ) 硬件部分 目前原型系统包括如下硬件设备： a ) 投影仪一个：我们使用了日立c p s 3 1 7 多媒体投影仪，其分辨率为8 0 0 6 0 0 ： b ) 数码摄像头一个：我们使用了d h 。h v 3 0 0 0 u c 工业级数字摄像头，该摄像头在1 6 0 0 1 2 0 0 分辨率下的最大输出可以达到1 0 帧，而且提供二次开发s d k 可以很方便 的对其进行编程控制； c ) 组合平台一个：包括投影仪底座，相机万向头，连接杆等； d ) 计算机一台：用于控制投影仪和数码摄像头，以及对数据进行处理。 雅个原型系统的硬件部分搭建完成后如图1 - 8 所示。 ( 2 ) 软件部分 软件整体设计如图1 9 所示： 浙江大学硕士学位论文 图1 - 9 软件整体框架图 模块关系说明： 投影摄影协控器用于控制投影模块和摄影模块，投影模块投影一幅编码图案，摄影模 块拍摄一幅照片并输出。投影模块驱动定标方案和编码力案，得到需要投影的编码图案的 数量给协控器，协控器开始控制投影模块和摄影模块依次按顺序t 作。摄影模块采集到的 照片集作为图像分析模块的输入数据进行图像主动线索特征提取，最后由三角测距模块进 行三角测量输出空间三维点云。 1 4 本文的结构 本文第一一章绪论部分介绍了项目背景和相关技术；第二章介绍了原型系统采用的照柏 机和投影仪模型，详细介绍，照相机和投影仪内外部参数的求解步骤和公式推导；第三章 介绍了原型系统采