一种复杂织物表面的三维重建系统及方法

技术领域

本发明涉及织物表面三维重建技术领域，尤其涉及一种复杂织物表面的三维重建系统及方法。

背景技术

纺织产业在我国具有悠久的历史，两千年前，丝绸之路为中西方文化交流做出了重大贡献。中国近代民族工业的发展也离不开纺织工业的推进。

对于纺织品外观的检测主要是人工检验，但是人工检验有许多缺陷，主观化程度较高且很容易受到人为情绪的影响。数字智能化蓬勃发展，在纺织领域也逐渐开始普及，已经出现了比传统检验方法更加精确、客观的评价方法。计算机视觉技术开始普及并且应用到与工业生产、工业检测、科学研究等各个领域，具有精度高、速度快、可以循环处理等优点，把计算机视觉和织物外观检测结合可以有效提高检测效率和准确性。

三维表面重建是计算机视觉领域一个重要分支，也是国内外研究的侧重点，三维视觉测量因为检测速度快，非接触，精度高等优势在工业检测领域迅速发展，如德国GOM公司的ATOS三维光学扫描仪和德国Ettemeyer公司的G-Scan系列。另外三维表面重建在纺织品外观检测方面的作用也逐渐显现，现有的方法仍未有通用得能够实现织物表面三维重建的方法。

现有的方法如基于双目或多目立体视觉的方法，对于纹理细节不明显的物体表面，无法准确恢复织物表面组织点的三维形态只能恢复其宏观轮廓；激光三角测量技术需要的条件较多，扫描过程较慢且设备昂贵；结构光栅测量如果应用到具有复杂表面或颜色杂乱的织物由于破坏了光栅的编码图案会导致算法的失败；其他大部分基于图像的三维重建方式如立体匹配等，是基于物体表面的特征进行三维重建，意味着当物体表面纹理较弱时重建后将无法得到精细的三维模型。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种不受织物表面纹理影响、对每个像素点三维重建、设备简便且重建精度高的复杂织物表面的三维重建系统及方法。

一种复杂织物表面的三维重建系统，其包括：

箱体，所述箱体的内部设有一滑轮，所述滑轮的周向方向上设有多个光源，所述滑轮能够在水平面内旋转以调节每个所述光源的位置；

底座，设置在所述箱体的下方，所述底座的上表面用于放置织物样本；

压紧单元，设置在所述底座和所述箱体上，所述压紧单元能够将所述织物压紧在所述底座上；

相机，设置在所述箱体的内侧顶部，所述相机用于采集单一光源下的织物样本的样本图像；

图像处理模块，用于对样本图像进行三维重建以获取对应三维模型。

在其中一个实施例中，所述压紧单元包括磁铁和磁条圈，所述磁铁固定在所述箱体的底部外边缘上，所述磁条圈固定在所述底座的上表面外缘处，所述磁铁和磁条圈相配合。

在其中一个实施例中，所述滑轮上设有刻度表。

一种使用复杂织物表面的三维重建系统的方法，其包括以下步骤：

S1、对光源进行标定，确定光源的光照方向；

S2、将待测的织物样本放置在底座上，合拢箱体和底座；分别采用不同方向的单一光源拍摄并采集织物样本的样本图像；

S3、转动滑轮，再分别采用不同方向的单个光源依次采集下一组样本图像；

S4、对样本图像进行分析，并重建出织物表面的三维模型。

在其中一个实施例中，所述步骤S3之后还包括：

S31、对采集到的样本图像的噪声进行分析，并祛除噪声。

在其中一个实施例中，所述步骤S1包括：

S11、将探测球放置于底座上，并合拢箱体和底座；

S12、识别探测球的高光点空间位置，计算得到光照方向；

S13、发现高光点时，视点方向和反射光的方向一致，得到反射光向量的单位向量；

S14、对探测球高光点的空间位置进行识别，根据探测球高光点的镜面反射原理计算得到入射光的方向矢量；

S15、移动探测球位置，拍摄一个光照方向下，多个不同位置的探测球，利用奇异值分解求超定方程组最终得到精确的光照方向。

在其中一个实施例中，所述探测球为球状纯黑色的黑曜石。

在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：

S41、根据朗伯体表面反射模型将所有样本图像向量化，并组合成一个秩为3或者接近于3的低秩矩阵；

S42、把镜面反射和阴影使用一个大多数值都是0的噪声矩阵表示，则观察矩阵可以表示成由一个低秩矩阵和一个稀疏矩阵组合而成；

S43、在标定完光照方向的情况下，通过求解拉格朗日公式得到表面法向矩阵；

S44、根据表面法向矩阵获得织物表面深度，即可重建出织物表面的三维模型。

上述复杂织物表面的三维重建系统及方法，通过一个相机和多个不同光照方向的光源，可以采集到信息完整的织物样本的表面图像，配合主成分分析噪声、祛除噪声，然后，便可恢复表面法向以及从向量场，从而可重建出织物表面的三维模型，本发明具有使用简便、运算快速、重建精度较高，能够恢复织物表面纹理以及组织点三维形态的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的复杂织物表面的三维重建系统的结构示意图；

图2是本发明的复杂织物表面的三维重建系统的部分结构俯视图；

图3是本发明的复杂织物表面的三维重建方法的方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1-2所示，本发明一实施例提供一种复杂织物表面的三维重建系统，其包括：

箱体8，所述箱体8的内部设有一滑轮3，所述滑轮3的周向方向上设有多个光源2，所述滑轮3能够在水平面内旋转以调节每个所述光源2的位置；本实施例中，光源2可采用AFT-RL100型号led灯提供合适的光源环境。所述滑轮3上设有刻度表，方便控制滑轮3的旋转角度。

底座5，设置在所述箱体8的下方，所述底座5的上表面用于放置织物样本9；

压紧单元，设置在所述底座5和所述箱体8上，所述压紧单元能够将所述织物压紧在所述底座5上；

相机1，设置在所述箱体8的内侧顶部，所述相机1用于采集单一光源2下的织物样本9的样本图像；本实施例中，相机1可使用尼康D7200高清数码相机和40mm微距镜头，分辨率可以达到2400万左右，从而可以清晰拍摄到组织点。

图像处理模块7，用于对样本图像进行三维重建以获取对应三维模型。

在本发明一实施例中，所述压紧单元包括磁铁4和磁条圈6，所述磁铁4固定在所述箱体8的底部外边缘上，所述磁条圈6固定在所述底座5的上表面外缘处，所述磁铁4和磁条圈6相配合。当将织物样本9放置在底座5上，磁铁4和磁条圈6的相互吸合，可以将织物样本9牢固地固定在底座5上。在一些实施例中，也可以将所述磁铁4设置在所述底座5的上表面外缘处，将所述磁条圈6设置在箱体8的底部外边缘上。

参阅图3所示，本发明一实施例提供一种复杂织物表面的三维重建方法，其包括以下步骤：

S1、对光源2进行标定，确定光源2的光照方向；

S2、将待测的织物样本9放置在底座5上，合拢箱体8和底座5；分别采用不同方向的单一光源2拍摄并采集织物样本9的样本图像；本实施例中，相机1是安装在箱体8的中央顶部位置处，相机1的斜下方安装周向四个光源2，进行样本图像采集时，分别使用单个光源2依次采集一组样本图像，样本图像可以存储在图像采集卡10中。

S3、转动滑轮3，再分别采用不同方向的单个光源2依次采集下一组样本图像；如：把滑轮转动45°后，再分别使用单个光源2依次采集第二组图像，最后获得八个不同照明方向的织物图片，如此，可以得到织物表面的完整信息，从而能够重建出高精度的表面法向。

S4、对样本图像进行分析，并重建出织物表面的三维模型。

在本发明一实施例中，所述步骤S3之后还包括：

S31、对采集到的样本图像的噪声进行分析，并祛除噪声。

在本发明一实施例中，所述步骤S1包括：

S11、将探测球放置于底座5上，并合拢箱体8和底座5；本实施例中，所述探测球为球状纯黑色的黑曜石。

S12、识别探测球的高光点空间位置，计算得到光照方向；

S13、发现高光点时，视点方向和反射光的方向一致，得到反射光向量的单位向量；

S14、对探测球高光点的空间位置进行识别，根据探测球高光点的镜面反射原理计算得到入射光的方向矢量；

S15、移动探测球位置，拍摄一个光照方向下，多个不同位置的探测球，利用奇异值分解求超定方程组最终得到精确的光照方向。

需要说明的是，根据平行投影模型，假设与成像平面平行的探测球的球心所在的最大轮廓截面就是空间坐标系的OXY平面，利用图像处理相关技术以及掩膜图像，我们可以获得探测球成像后的圆心坐标和关于球面上高光点的成像点在图像平面中的坐标，由此，我们可以利用球心坐标和高光点的成像点坐标表示出高光点的球面法向量，进而得出光照方向。

具体地，将探测球放置于目标物体的场景中，固定相机1的位置，观察反光点位置，因为符合镜面反射原理，所以可以得到反射光向量的单位向量，对探测球高光点的空间位置进行识别，根据探测球的高光点的镜面反射原理，计算得到入射光的方向矢量，得到式(1)：

L＝2(NR)N-R (1)

其中，N是高光点的法线单位向量；

通过获取探测球成像后的圆心坐标和关于球面上高光点的成像点在图像平面中的坐标表示出高光点的球面法向量N，再将N带入公式(1)中就可以计算出光源L的方向。移动探测球的位置，拍摄一个光源方向下多个不同位置的小球，利用奇异值分解求超定方程组可以求得精确的光源方向。

在本发明一实施例中，所述步骤S4包括：

S41、根据朗伯体表面反射模型将所有样本图像向量化，并组合成一个秩为3或者接近于3的低秩矩阵；

S42、把镜面反射和阴影使用一个大多数值都是0的噪声矩阵表示，则观察矩阵可以表示成由一个低秩矩阵和一个稀疏矩阵组合而成；

S43、在标定完光照方向的情况下，通过求解拉格朗日公式得到表面法向矩阵；

S44、根据表面法向矩阵获得织物表面深度，即可重建出织物表面的三维模型。

采用上述方案，将阴影和镜面反射视为噪声并使用一个稀疏的噪声矩阵来表示，把采集到的图像构成的观察矩阵分解为一个低秩矩阵和稀疏矩阵，在光源方向已知的情况下，上述问题可以转化为一个在稀疏噪声下的低秩矩阵恢复的优化问题，通过求解朗格朗日公式求得表面法向。

具体地，本实施例中，可以根据朗伯体表面反射模型可以得到公式(2)：

其中，

假设有P个像素点和n个光源，则所有观察图像向量化并组合成矩阵D是个P×n的矩阵，D可以被分解成为D＝NL，N＝[ρ

把镜面反射和阴影视为噪声处理，用一个噪声矩阵M来表示，则观察到的图像测量矩阵D可得式(3)：

D＝NL+M (3)

令B＝NL，其中B是一个秩等于3的矩阵，上述问题表示为：

给定一个观察矩阵D，它是由一个低秩矩阵和一个稀疏矩阵组合而成，从而求最接近低秩矩阵以及稀疏矩阵的分解。

以上问题可以使用拉格朗日公式表述为以下形式：

min

s.t.D＝B+M

通过N＝BN

令E＝((Z

其中，

求解此泊松方程得到织物表面深度，得到图像中每个点的深度信息，即可重建出织物表面的三维模型。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。