基于手持相机传感器的多模态摄影测量技术实现低纹理表面三维数字化

为解决低纹理表面在传统多视角摄影测量(MVP)中难以精确三维数字化的问题，研究人员创新性地提出RGB-NIR MVP方法，通过近红外(NIR)光谱投影人工纹理特征，结合双模态相机同步采集，实现了亚毫米级精度(0.2 mm)的三维重建，为工业检测、文化遗产保护等领域提供了非接触式高保真数字化解决方案。

　　

在工业4.0和数字孪生技术快速发展的背景下，三维数字化技术已成为智能制造、文化遗产保护等领域的核心工具。多视角摄影测量(MVP)因其仅需普通相机即可实现三维重建的优势被广泛应用，但其对表面纹理特征的依赖性导致低纹理物体重建时易产生孔洞、变形等严重缺陷。传统解决方案如粘贴标记物会破坏原始纹理，而可见光投影仪又无法同时保留真实色彩信息，这成为制约动态扫描系统发展的关键技术瓶颈。

针对这一难题，国内某研究机构团队在《Measurement: Digitalization》发表创新成果，提出基于近红外(NIR)光谱的多模态摄影测量技术(RGB-NIR MVP)。该方法通过850 nm波长激光衍射光学元件(DOE)投影随机点阵图案，配合双摄像头同步采集系统——包含标准RGB相机和带FBH850-40滤光片的NIR单色相机(分辨率4096×3000像素)，实现了不干扰真实色彩的低纹理表面增强。研究采用预标定双相机位姿矩阵T_precalib
，通过T_i,RGB
=T_i,NIR
×T_precalib
公式实现模态融合，并优化了50%图案密度的投影参数。

关键技术方法包括：1) 搭建含三台NIR投影仪的实验室系统，对比LED幻灯片(50%密度)与DOE激光投影(15%密度)性能；2) 开发自适应MVP流程，在特征匹配阶段优先使用NIR图像，纹理映射阶段切换至RGB图像；3) 采用Metashape软件进行三维重建，通过ICP算法与HandyScan Elite结构光扫描结果进行亚毫米级精度验证。

【关系模式密度与连接点】实验发现，当投影图案密度达40-55%时，圆柱体试件的特征匹配点数量提升23倍，网格噪声标准差从0.6 mm降至0.02 mm。DOE投影仪虽密度仅15%，仍可使白色塑料球体实现从零到有的三维重建。

【重叠图案区域】三台投影仪产生的图案重叠区域(最大密度150%)未引起重建异常，而图案间隙会导致局部噪声增至0.1 mm，证实多投影仪布局需保证照射区域连续覆盖。

【原始物体纹理叠加】棋盘格等规则纹理与NIR点阵叠加时产生0.02 mm微小畸变，而随机噪声纹理无干扰，建议实际应用中避免强边缘特征与投影图案共存。

【真实物体三维数字化】在酒瓶扫描案例中，RGB-NIR MVP使特征点数量激增60倍(555→33,565)，铝质瓶盖区域仍存在噪点，证实该方法对镜面反射材料改善有限。手柄零件重建的Hausdorff平均偏差仅0.12 mm，边缘精度优于传统MVP 2.7倍。

【紧凑型DOE投影仪手持系统】在高压涡轮(1.5 m³
)现场实验中，采用移动电源供电的微型DOE投影仪(1.25 W)配合43组双模态图像，即实现2.3 mm RMS精度的数字化，较专业MVP系统(需250张RGB图像)效率提升5.8倍。

该研究突破性地解决了动态MVP系统在低纹理表面的应用限制，其创新点在于：1) 首次将NIR光谱投影与双模态成像结合，避免可见光投影的色彩干扰；2) 验证800×600像素的NIR相机即可满足重建需求，降低系统成本；3) 开发出可扩展的开放式投影仪架构。实验数据表明，该方法在工业零部件(标准偏差0.19 mm)、文物(无标记要求)等场景具有显著优势，为移动式三维扫描设备提供了新的技术路径。未来通过优化DOE图案密度(增至50%)、采用808 nm激光提升传感器灵敏度，可进一步扩大其在户外考古、犯罪现场重建等复杂环境的应用潜力。