基于结构光的室内高精度重建技术研究

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在智能建造数字孪生领域,如何高效便捷的实现室内高精度三维重建对后期施工作业任务规划以及全生命周期的运维破拆环节有着重要意义。针对传统三维激光扫描仪等室内重建方法点云离散化严重、重建精度低、需多点转站测量等问题,本文提出一种面向移动机器人的结构光视觉室内场景重建方法。首先通过同心双圆环标定板实现室内高精度大场景相机标定,为高精度重建奠定基础;其次提出基于自适应插值滤波的高鲁棒性编解码算法,降低室内环境光对重建精度的影响;然后采用分层结构SAD相位匹配算法高效求解视差图,完成单幅点云重建;最后利用三步点云配准方法实现点云拼接,建立室内大场景高精度三维点云模型。主要包括以下五部分内容:(1)设计了面向移动机器人的双目结构光视觉室内场景重建系统平台。面向室内大场景高精度重建需求,提出了一种基于同心双圆环标靶的特征点高精度提取方法,并使用张正友标定方法得到高精度相机标定结果。(2)为尽量消除室内场景存在的全局光照并提升投影效率,本文采用高频互补格雷码与两步离焦相移法相结合的编解码策略。对两步离焦相移图利用希尔伯特变换求解包裹相位随后运用高频互补格雷码方法求解展开相位以避免周期校错现象。针对运用高频互补格雷码辅助解相后仍然存在大量相位跳变点的问题,本文提出了一种自适应插值滤波算法得到正确且平滑的绝对相位。(3)利用基于分层结构的SAD相位匹配算法对双目相位图进行匹配获取视差图,并结合标定参数求解三维点云数据。大幅度降低匹配算法的时间复杂度与内存占用率。(4)得到单帧点云后采用三步拼接的方式完成多视角点云拼接。首先利用手眼标定矩阵以及机械臂位姿矩阵将点云转换至机械臂基座坐标系;其次运用基于快速点特征直方图的SAC-IA算法完成点云粗拼接;最终运用基于KD-Tree的ICP算法完成多片点云的精拼接,获得多帧拼接后的点云。(5)开发了室内环境重建系统软件,实现了建筑物内部环境高精度重建的功能,并通过实验验证了本文算法的重建精度。结果表明,本文搭建的双目结构光重建系统具有较高的测量精度,结合移动机器人可满足面向建筑物数字孪生的室内高精度重建需求。
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