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摘要采用由彩色CCD攝像機和面結構光投射裝置組成的三維彩色逆向工程測量系統，獲取待測物體的彩色圖像，結合機器視覺雙目視差原理和圖像處理技術，獲得物體表面點的三維彩色信息，生成三維彩色點云，進而實現測量物體的三維彩色模型重構。

關鍵詞逆向工程；雙目立體視覺；立體匹配；彩色點云

1引言

通過二十年的發展，逆向工程已經取得了很大的進展，在模具制造業、玩具業、游戲業、電子業、鞋業、藝術業、醫學工程及產品造型設計等方面發揮了重要作用[1]。但是，隨著網絡技術的蓬勃發展，在多媒體、游戲業、動畫業、醫學以及古文物和藝術品的數字化等方面，目前的單色三維逆向技術已不能滿足需求，在這種情況下，彩色三維數字化和數據處理系統開始蓬勃發展，三維彩色逆向工程技術成為逆向工程研究中非常活躍的一個分支。

2系統組成

逆向工程中的測量系統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點，是現在逆向工程測量系統研究的重點，目前普遍使用的是單色結構光測量系統，它采用兩個黑白CCD攝像機，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的三維坐標[2]。

在當前單色非接觸式結構光測量系統的基礎上，采用彩色CCD攝像機，運用彩色信息提取技術，得到三維物體的彩色信息(R，G，B分量)，再與物體表面點的空間坐標匹配，從而得到物體表面點的六維信息(X，Y，Z，R，G，B)，生成彩色點云文件，為三維彩色模型重構提供數據基礎。

系統主要組成部分(參見圖1)：

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

測量系統的采集部分由一個編碼光柵投射器和兩個彩色CCD攝像機組成，投射器固定于中央，兩臺攝像機分布于兩側。首先，投射器直接投射面結構光柵到測量物體表面，兩側的彩色CCD攝像機攝取物體的二維圖像，接著，關閉投射器，在自然光照明情況下，由左右攝像機攝取測量物體二維彩色圖像。攝像機采集的信號經采集卡轉換后進入PC機進行后續處理。

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

對于攝像機標定的方法，現在研究的比較成熟，其中Tsai(1986)提出的基于徑向約束的兩步法[4]是研究的重點，本文基于Tsai的RAC兩步法完成攝像機的標定，設左攝像機位于世界坐標系原點，且無旋轉，右攝像機相對世界坐標系的旋轉矩陣，平移矩陣T=(Tx，Ty，Tz)T，通過RAC兩步法求出左右攝像機的內外參數。

3.2采集表面點六維信息(XwYwZwRGB)

在左右CCD攝像機分別獲得三維物體的二維彩色圖像后，關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：區域匹配和特征匹配[5]。區域匹配對圖像中各像素點周圍的圖像子區域進行灰度相關運算，通過相關值來確定匹配關系，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、角點等特征點作為匹配點，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缺點，本文采用混合算法，即分步利用特征匹配和區域匹配兩種方法進行匹配。

基本步驟是：

(1)對左右兩個彩色CCD攝像機獲得彩色二維圖像(BMP)進行灰度化處理，并進行必要的圖像預處理[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，采用如圖3所示的Sobel算子對左右圖像進行卷積運算[7]，把圖像像素點梯度▽f(x，y)大于某一選定閾值的點作為邊緣特征點，得到待測物體的左右邊緣特征點圖。

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

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

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

計算公式如下：

2)彩色信息獲取

本系統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，位圖信息頭BITMAPINFOHEADER為40字節，不具有調色板，參見圖4。對于BMP文件，實際位圖數據區每三個字節表示一個像素點的RGB信息(按BGR順序排列)數據是從下到上，從左到右排列的，且圖像每一行像素所占的字節數必須是4的整倍數(如不足，需補齊)[10]。

圖4BMP文件結構示意圖

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

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

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

3)彩色點云的生成

由被測物體表面測量點的六維信息，生成ASCII格式的彩色點云數據文件，格式如下：

點數

65536

序號XYZRGB

020304025500

130405002550

……

最終，ASCII格式的彩色點云文件經數據接口轉換，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。

4結束語

目前，三維彩色逆向技術正在蓬勃發展，本文在單色非接觸結構光測量系統的基礎上，采用彩色CCD攝像機獲取測量物體的彩色圖像，綜合運用機器視覺和圖像處理技術，為獲得測量物體的彩色點云數據提供了一種方法，也是對三維彩色逆向工程技術研究的一種有益嘗試。

參考文獻

[1]金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京：機械工業出版社，2003：26-65

[2]徐紅兵，任乃飛.ATOS流動式光學掃描儀的工作原理與系統標定[J].工具技術，2006年第40卷

[3]張廣軍.機器視覺[M].北京：科學出版社，2005：24-17

[4]ROGERY.TSAI.AVersatileCameraCalibrationTechniaueforHigh-Accuracy3DMachineVisionMetrologyUsingOff-the-shelfTVCamerasandLenses。IEEEJOURNALOFROBOTICSANDAUTOMATION[J]，VOL.RA-3，NO.4，AUGUST1987

[5]徐奕，周軍，周源華.立體視覺匹配技術[J].計算機工程與應用，2003.15

[6]李弼程、彭天強，彭波等.智能圖像處理技術[M].北京：電子工業出版社，2004：61-95

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[9]廖素英，楊華軍.基于區域相關的動態匹配方法.[J].光電工程，2004.12

[10]呂鳳軍.數字圖象處理編程入門[M].北京：清華大學出版社，1999