三维数据的重建方法、装置、处理器和电子装置

技术领域

本发明涉及数据处理领域，具体而言，涉及一种三维数据的重建方法、装置、处理器和电子装置。

背景技术

随着第四次工业革命的蓬勃兴起，越来越多的工业场景需要高精度、低成本的三维空间测量与定位技术，尤其在产品自动化生产过程中需要对生产线上的不规则零部件框料进行三维尺寸的测量和定位。然而，传统的三维数据测量定位系统因其昂贵、速度慢、精度低等问题已经不能很好地适应自动化生产的需求。而且，传统的三维数据测量定位系统也无法对待测物体进行移动，并且在待测物体纹理较弱的情况下，无法得到准确的、高精度的点云数据，进而降低了三维模型重建的精度。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种三维数据的重建方法、装置、处理器和电子装置，以至少解决现有的三维重建方法对三维模型进行重建时存在精度差的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种三维数据的重建方法，包括：获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案；根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据；将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹；对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

进一步地，三维数据的重建方法还包括：对待投影的条纹图案进行颜色反转，得到反转后的条纹图案，其中，反转后的条纹图案至少包括：水平方向的条纹图案和垂直方向的条纹图案；将水平方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到水平条纹图案；将垂直方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到垂直条纹图案。

进一步地，三维数据的重建方法还包括：获取水平条纹图案与水平方向的条纹图案之间的第一偏移量；获取垂直条纹图案与垂直方向的条纹图案之间的第二偏移量；根据第一偏移量和第二偏移量，得到待测物体的高度信息；获取图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，得到待测物体的水平坐标；根据高度信息以及水平坐标确定点云数据。

进一步地，三维数据的重建方法还包括：获取点云数据中的最大像素值和最小像素值；计算最大像素值与最小像素值之间的第一差值；计算当前像素值与最小像素值之间的第二差值；计算第一差值与第二差值之间的比例，得到当前像素值对应的格雷像素值；根据格雷像素值与预设阈值之间的比对结果，对待测物体进行编码，得到格雷码条纹。

进一步地，三维数据的重建方法还包括：在格雷像素值大于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为亮条纹编码；在格雷像素值小于或等于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为暗条纹编码。

进一步地，三维数据的重建方法还包括：将格雷码条纹按照预设相位进行多次移相处理，得到多幅移相后的格雷码条纹；将多幅移相后的格雷码条纹投影至待测物体，得到多幅条纹图案；基于多幅条纹图案对格雷码条纹中的过渡区域进行编码，得到编码后的过渡区域，其中，过渡区域为格雷码条纹中黑白条纹之间的区域；根据格雷码条纹以及编码后的过渡区域对待测物体进行重建，得到重建后的待测物体。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种三维数据的重建装置，包括：获取模块，用于获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案；确定模块，用于根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据；比对模块，用于将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹；重建模块，用于对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质中存储有计算机程序，其中，计算机程序被设置为运行时执行上述的三维数据的重建方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，该处理器用于运行程序，其中，程序被设置为运行时执行上述的三维数据的重建方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的三维数据的重建方法。

在本发明实施例中，采用基于水平条纹图案和垂直条纹图案获取待测物体的点云数据的方式，在获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案之后，通过根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据，然后，将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹，并对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

在上述过程中，基于水平条纹图案和垂直条纹图案获取待测物体的点云数据，可实现对待测物体的多个方向进行编码，保证了点云数据的准确性。另外，本申请还将待测物体的点云数据的像素值与预设阈值进行比对，实现对待测物体的格雷编码，增强了待测物体所对应的条纹图案纹理。最后，本申请还对格雷码条纹进行移相处理，提高了格雷码条纹中黑白条纹过度区域内的像素点的编解码精度，进而为三维模型的重建提供了可靠的数据，保证了三维模型重建的精度。

由此可见，本申请所提供的方案达到了对三维模型进行重建的目的，从而实现了提高三维模型重建的精度的技术效果，进而解决了现有的三维重建方法对三维模型进行重建时存在精度差的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种三维数据的重建方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的三维数据的重建方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的一种三维数据的重建装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种三维数据的重建方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的三维数据的重建方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案。

需要说明的是，在本实施例中，三维重建系统作为本实施例所提供的方法的执行主体，其中，三维重建系统包括投影设备和图像采集设备，投影设备可以为投影仪，图像采集设备可以为相机。

可选的，投影仪将预先设定好的结构光投影至待测物体上，相机采集变形的条纹图案。通过控制投影仪投影结构光的方向，可使得投影仪向待测物体投影垂直条纹光和水平条纹光，进而相机可采集得到步骤S102中的水平条纹图案和垂直条纹图案。

步骤S104，根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据。

需要说明的是，对于有高度的物体，仅仅使用垂直条纹光可能造成垂直方向有高度差的位置有产生阴影，而这些阴影部分的像素点无法进行准确测量，因此，本申请增加了水平条纹图案可以待测物体的各方向进行编码，进而得到准确的点云数据，提高了三维模型重建的精度。

步骤S106，将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹。

需要说明的是，如何将像素点在黑色条纹区域还是白色条纹区域进行准确分类对待测物体的三维重建是一个关键步骤，在本实施例中，通过比对点云数据对应的像素值与预设阈值来确定当前像素点所对应的条纹区域，即通过步骤S106可实现对待测物体的条纹图案的编码，其中，上述预设阈值在不同光照条纹下保持不变的。

步骤S108，对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

需要说明的是，为了提高三维模型重建的精度，可通过对格雷码条纹进行移相处理，从而实现对格雷码条纹中黑白条纹过度区域内的像素点进行编码，进而为三维模型的重建提供了可靠的数据，保证了三维模型重建的精度。

基于上述步骤S102至步骤S108所限定的方案，可以获知，在本发明实施例中，采用基于水平条纹图案和垂直条纹图案获取待测物体的点云数据的方式，在获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案之后，通过根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据，然后，将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹，并对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

容易注意到的是，在上述过程中，基于水平条纹图案和垂直条纹图案获取待测物体的点云数据，可实现对待测物体的多个方向进行编码，保证了点云数据的准确性。另外，本申请还将待测物体的点云数据的像素值与预设阈值进行比对，实现对待测物体的格雷编码，增强了待测物体所对应的条纹图案纹理。最后，本申请还对格雷码条纹进行移相处理，提高了格雷码条纹中黑白条纹过度区域内的像素点的编解码精度，进而为三维模型的重建提供了可靠的数据，保证了三维模型重建的精度。

由此可见，本申请所提供的方案达到了对三维模型进行重建的目的，从而实现了提高三维模型重建的精度的技术效果，进而解决了现有的三维重建方法对三维模型进行重建时存在精度差的技术问题。

在一种可选的实施例中，图2示出了一种可选的三维数据的重建方法的流程图，由图2可知，该过程主要包括四个步骤：

步骤1：对条纹图案进行反转；

步骤2：使用水平条纹图案和垂直条纹图案获取点云数据；

步骤3：判断像素点明暗，得到格雷码条纹；

步骤4：对格雷码条纹进行三步相移，最后基于相移后的格雷码条纹对三维模型进行重建。

可选的，在使用水平条纹图案和垂直条纹图案获取点云数据之前，需要获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案。具体的，首先对待投影的条纹图案进行颜色反转，得到反转后的条纹图案，然后，将水平方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到水平条纹图案；最后，将垂直方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到垂直条纹图案。其中，反转后的条纹图案至少包括：水平方向的条纹图案和垂直方向的条纹图案。

需要说明的是，对待投影的条纹图案进行颜色反转，即将条纹图案中的黑白条纹进行反转，即将白条纹变为黑条纹，黑条纹变为白条纹。通过对条纹图案进行颜色反转，可使所有的像素点都经过亮条纹照射，能够准确编码条纹边缘信息。

另外，对于有高度的物体，仅仅使用垂直条纹光可能造成垂直方向有高度差的位置有产生阴影，而这些阴影部分的像素点无法进行准确测量，因此，本申请增加了水平条纹图案可以待测物体的各方向进行编码，进而得到准确的点云数据，提高了三维模型重建的精度。

进一步的，在得到水平条纹图案和垂直条纹图案之后，可根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据。具体，首先获取水平条纹图案与水平方向的条纹图案之间的第一偏移量，并获取垂直条纹图案与垂直方向的条纹图案之间的第二偏移量，然后，根据第一偏移量和第二偏移量，得到待测物体的高度信息，并获取图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，得到待测物体的水平坐标，最后，根据高度信息以及水平坐标确定点云数据。

可选的，首先对相机和结构光进行标定，得到图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，根据标定矩阵计算待测物体所对应的图像中的某个像素点在x轴和y轴上的坐标值(即水平坐标)。然后根据水平条纹图案与水平方向的条纹图案之间的第一偏移量和垂直条纹图案与垂直方向的条纹图案之间的第二偏移量利用三角测量法得到待测物体的高度信息，即像素点在z轴上的坐标值。最后，由像素点在x轴和y轴上的坐标值以及该像素点在z轴上的坐标值组成待测物体的点云数据。

由图2可知，在确定待测物体对应的点云数据之后，再对点云数据进行格雷编码，得到格雷码条纹。具体的，首先，获取点云数据中的最大像素值和最小像素值，并计算最大像素值与最小像素值之间的第一差值以及当前像素值与最小像素值之间的第二差值，然后计算第一差值与第二差值之间的比例，得到当前像素值对应的格雷像素值，最后，根据格雷像素值与预设阈值之间的比对结果，对待测物体进行编码，得到格雷码条纹。其中，在格雷像素值大于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为亮条纹编码；在格雷像素值小于或等于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为暗条纹编码。

可选的，可通过如下公式计算当前像素值对应的格雷像素值：

I

在上式中，I

需要说明的是，如果当前像素点位于暗条纹中，则当前像素点对应的当前像素值会接近最小的灰度值，即I

需要说明的是，由于编码全0的像素点和编码全为1的像素点不会同时经历明暗变化，因此，上述方法并不适于编码全为0的像素点或者编码全为1的像素点，对此，可通过避开全0的像素点和编码全为1的像素点的编码，或者额外投影图片让所有编码位置都能经历全0或者全1。

更进一步的，在得到格雷码条纹之后，对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。具体的，首先将格雷码条纹按照预设相位进行多次移相处理，得到多幅移相后的格雷码条纹，然后，将多幅移相后的格雷码条纹投影至待测物体，得到多幅条纹图案，并基于多幅条纹图案对格雷码条纹中的过渡区域进行编码，得到编码后的过渡区域，最后，根据格雷码条纹以及编码后的过渡区域对待测物体进行重建，得到重建后的待测物体。其中，过渡区域为格雷码条纹中黑白条纹之间的区域。

可选的，首先，将每幅格雷码条纹按三幅等相移

需要说明的是，上述对格雷码条纹进行相移可以对在黑白条纹过渡区域的像素点进行编码，提高像素点三维重建的精度。其中，一个相机的像素点有唯一的绝对相位值，同时也可以对应到唯一的投影仪绝对相位值，其对应于DMD(Digital Micromirror Devices，数字微反射镜)投影仪的一行像素平面。该方法可以提高过度像素点的编解码精度，进而为三维重建提供可靠的数据。

由上述内容可知，本申请使用结构光方法进行三维视觉测量，将投影仪替代双目视觉中的其中一个相机，结构光投影预先设定好的条纹图案到被测物体上，再通过相机捕捉变形的条纹图案，使用标定算法建立对应关系，然后利用三角测量法重建物体表面信息，将被动测量改为主动测量，提高了三维重建算法的精度和准确度，从而得到待测物体高精度的三维点云数据，对于因无法进行被测物体移动以及待测物体纹理较弱得不到准确和高精度点云的问题有较大地改善。

实施例2

根据本发明实施例，还提供了一种三维数据的重建装置实施例，其中，图3是根据本发明实施例的三维数据的重建装置的示意图，如图3所示，该装置包括：获取模块301、确定模块303、比对模块305以及重建模块307。

其中，获取模块301，用于获取待测物体对应的水平条纹图案和垂直条纹图案；确定模块303，用于根据水平条纹图案和垂直条纹图案确定待测物体对应的点云数据；比对模块305，用于将点云数据对应的像素值与预设阈值进行比对，得到待测物体的格雷码条纹；重建模块307，用于对格雷码条纹进行移相处理，得到重建后的待测物体。

需要说明的是，上述获取模块301、确定模块303、比对模块305以及重建模块307对应于上述实施例中的步骤S102至步骤S108，四个模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。

可选的，获取模块包括：反转模块、采集模块以及第一投影模块。其中，反转模块，用于对待投影的条纹图案进行颜色反转，得到反转后的条纹图案，其中，反转后的条纹图案至少包括：水平方向的条纹图案和垂直方向的条纹图案；采集模块，用于将水平方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到水平条纹图案；第一投影模块，用于将垂直方向的条纹图案投影到待测物体上，并采集在待测物体上的变形条纹图案，得到垂直条纹图案。

可选的，确定模块包括：第一获取模块、第二获取模块、第一处理模块、第三获取模块以及第一确定模块。其中，第一获取模块，用于获取水平条纹图案与水平方向的条纹图案之间的第一偏移量；第二获取模块，用于获取垂直条纹图案与垂直方向的条纹图案之间的第二偏移量；第一处理模块，用于根据第一偏移量和第二偏移量，得到待测物体的高度信息；第三获取模块，用于获取图像坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，得到待测物体的水平坐标；第一确定模块，用于根据高度信息以及水平坐标确定点云数据。

可选的，比对模块包括：第四获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块以及第一编码模块。其中，第四获取模块，用于获取点云数据中的最大像素值和最小像素值；第一计算模块，用于计算最大像素值与最小像素值之间的第一差值；第二计算模块，用于计算当前像素值与最小像素值之间的第二差值；第三计算模块，用于计算第一差值与第二差值之间的比例，得到当前像素值对应的格雷像素值；第一编码模块，用于根据格雷像素值与预设阈值之间的比对结果，对待测物体进行编码，得到格雷码条纹。

可选的，第一编码模块包括：第二确定模块以及第三确定模块。其中，第二确定模块，用于在格雷像素值大于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为亮条纹编码；第三确定模块，用于在格雷像素值小于或等于预设阈值的情况下，确定当前像素值对应的编码为暗条纹编码。

可选的，重建模块包括：移相模块、第二投影模块、第二编码模块以及第二处理模块。其中，移相模块，用于将格雷码条纹按照预设相位进行多次移相处理，得到多幅移相后的格雷码条纹；第二投影模块，用于将多幅移相后的格雷码条纹投影至待测物体，得到多幅条纹图案；第二编码模块，用于基于多幅条纹图案对格雷码条纹中的过渡区域进行编码，得到编码后的过渡区域，其中，过渡区域为格雷码条纹中黑白条纹之间的区域；第二处理模块，用于根据格雷码条纹以及编码后的过渡区域对待测物体进行重建，得到重建后的待测物体。

实施例3

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质中存储有计算机程序，其中，计算机程序被设置为运行时执行上述实施例1中的三维数据的重建方法。

实施例4

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，该处理器用于运行程序，其中，程序被设置为运行时执行上述实施例1中的三维数据的重建方法。

实施例5

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述实施例1中的三维数据的重建方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。