【摘 要】
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面结构光三维重建技术具有精度高、速度快的优势,受到学者们日益关注,已被广泛应用于机器视觉、增强现实、工业测量等多个领域,但由于面结构光系统的视场范围限制,难以满足对大尺寸、表面复杂被测物（遮挡、景深）的重建需求,为了全方位获取被测物形貌信息,采用机器人搭载面结构光采集模块的重建方式逐渐成为当今的主流发展方向。然而,在实际重建过程中,视点选取及路径规划仍需要人工操作,如何高效、自主地完成对被测物的高
【基金项目】
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国家重点研发计划（2018YFB1306900）； 国家自然科学基金（U1813222,U20A 20283）；
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面结构光三维重建技术具有精度高、速度快的优势,受到学者们日益关注,已被广泛应用于机器视觉、增强现实、工业测量等多个领域,但由于面结构光系统的视场范围限制,难以满足对大尺寸、表面复杂被测物（遮挡、景深）的重建需求,为了全方位获取被测物形貌信息,采用机器人搭载面结构光采集模块的重建方式逐渐成为当今的主流发展方向。然而,在实际重建过程中,视点选取及路径规划仍需要人工操作,如何高效、自主地完成对被测物的高精度形貌重建尚缺乏相应研究,针对以上问题,本文提出了一种基于机器人及转台的面结构光三维重建方案,具体研究内容如下:结合实际应用需求,针对不同尺寸被测物,采用了不同的重建方法:对于未超出采集模块视场空间的小尺寸被测物,采用基于转台的无标志物点云配准方法,该方法不需要额外的标定工具,大大提高了重建效率。对于超出视场空间的较大尺寸被测物,推导了转台、机器人、结构光采集模块间的坐标变换关系,并完成了各视角点云的粗配准;同时,对经典ICP（Iterative Closest Point）算法进行了改进,实现了点云的高效精确配准。结合现有标定算法,提出了改进的多项式拟合标定方法,采用灰白标定板结合相位平面拟合的方式降低相位误差,且不需要外部精密平移装置,简化了结构光采集模块的标定步骤;采用四步相移法结合互补格雷码的相位展开方式,在保证解码速度的前提下提升了解码精度,通过以上方法,得到了高精度的单视角稠密点云。实验结果表明,采用本文方法的单视角重建精度可达到0.041 mm。改进了针对已知模型的视点规划方法,根据采集模块视场空间及已知模型生成候选视点,以各视点的可见性及成像质量为指标对所有候选视点进行评价,选取重建质量最高的候选视点作为最优视点;同时,对机器人路径规划算法进行了优化,将全局路径规划问题分解为在各个划分空间内的局部路径规划问题,采用A*算法解决视点间运动的避障问题,接着将机器人的运动代价作为权值,采用最短路径算法规划局部路径,从而组成全局最优路径。使用搭建的实验系统完成了对机器人、采集模块和转台的标定,并对不同尺寸的被测物进行了仿真及重建实验,验证了扫描方案的合理性;重建结果表明,本文方法能够高效的完成各个视角的点云配准,具有较好的应用价值。
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