專利名稱：基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置與方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)領域，具體講，涉及基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
激光三角空間掃描是一種采用激光探測環(huán)境的主動空間掃描方法，其原理如圖I所示。激光發(fā)射器101發(fā)出一束激光在物體上形成一個光斑點，并使用一個數(shù)字相機(鏡頭組102與圖像傳感器103)來尋找該點的位置。取決于物體表面點與激光發(fā)射器的距離，光斑點的像出現(xiàn)在相機視場的不同位置。此方法中激光發(fā)射器101、光斑點與圖像傳感器103構(gòu)成一個三角形。三角形的一邊即激光發(fā)射器101與傳感器103的距離是已知的，激光發(fā)射器101角的角度也是已知的。光斑點在相機視場中的位置則可計算出傳感器103角的角度，這三個數(shù)值完全確定了一個三角形，因此可以計算出光斑點一角的實際空間位置。此 的坐標。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種彩色圖像采集裝置，采集到更加真實的彩色圖像，解決探測器與傳感器空間位置相對固定的限制，實現(xiàn)便攜手持掃描；并且解決點掃描的效率問題，每一次采樣可重構(gòu)出一條空間曲線的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高速掃描。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，由激光二極管與光學鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、夕卜部存儲芯片、接口控制器組成；手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標物體上形成空間曲線，空間曲線透過光學鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時鐘和必要的控制信號，并將兩個傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片302中，用于計算空間點云坐標，圖像處理芯片計算得到的坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機作進一步處理?；陔p圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法，采用手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標物體上形成空間曲線；使空間曲線透過光學鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時鐘和必要的控制信號，并將兩個傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片中，用于計算空間點云坐標，圖像處理芯片計算得到的坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機作進一步處理；計算空間點云坐標包括如下步驟光學鏡頭組有效焦距為f，設在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為
a = f+p(I)b = f+q(2)又由光路中的三角相似關系及式⑴(2)整理得到1/f = l/a+1/b(3)以安裝在一個可調(diào)直角支架上的兩片圖像傳感器、光學鏡頭組、被測物體建立一個笛卡爾空間坐標系，原點為O;—個傳感器與光學鏡頭組在Y軸上，坐標為(0，a, O)并且軸線與Y軸重合；另一個傳感器與光學鏡頭組在X軸上，坐標為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；光學鏡頭組的焦距為f，則由式(3)可計算得到b的值；手持探測器發(fā)出帶狀激光射向目標，在某一時刻目標表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器捕獲到，采用專用圖像處理芯片將依靠存儲在外存中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條 空間曲線，步驟如下I)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標，每個坐標對應物體表面的一個興趣點；2)對于一個傳感器捕獲的任意興趣點的投影(Xl，yi)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(0，a,O)確定了一條空間直線V，該直線在另一個傳感器上的投影與其捕獲曲線的交點(x2，y2)為當前興趣點在另一個傳感器上的投影，(x2，y2)的值由另一個傳感器捕獲的興趣點集中與ν最近的兩個點插補得到；3)設物體表面當前興趣點的空間坐標為(X，y, z)，由空間幾何關系得到χ : X1 = (a-y) : b(4)y ； X2 = (a_x) : b(5)z ； Y1 = (a-y) : b(6)整理得χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7)y = a OdX2-X1X2) / (Id2-X1X2)(8)z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9)4)對一個傳感器捕獲的所有投影點進行以上操作，得到一組空間曲線點云坐標；5)對于另一個傳感器捕獲的任意投影點(x2，y2)，同樣有χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10)y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11)z = a ^y2-Y2X1) / (Id2-X1X2)(12)重復I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點云坐標；6)對4)和5)的結(jié)果進行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點云坐標數(shù)據(jù)；兩個圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片重構(gòu)出一組空間曲線點云，用戶通過揮動手持探測器描過目標，可重構(gòu)出目標表面的點云坐標，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度；點云數(shù)據(jù)通過接口控制器上傳至計算機可作進一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面。本發(fā)明的技術(shù)特點及效果本發(fā)明使用2個圖像傳感器和定制的專用圖像處理芯片完成空間曲面的掃描與重構(gòu)，目標物體、傳感器支架與探測器的相對位置可以不固定，掃描區(qū)域與采樣密度可人為控制，具有靈活性和便攜性；并且單次采樣即可重構(gòu)出一條空間曲線，相對于傳統(tǒng)的方法提高了效率。本技術(shù)可直接應用于影視娛樂的3D掃描系統(tǒng)中，適合對于便攜及興趣區(qū)域可控性有特殊要求的應用場合。


圖I為現(xiàn)有激光三角法重構(gòu)物體表面的原理示意圖；圖2為本發(fā)明實施辦法的示意圖；圖3為本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖4為本發(fā)明中單個傳感器等效光路的示意圖；圖5為本發(fā)明在圖像處理中使用的坐標系示意圖； 圖6為本發(fā)明中兩個圖像傳感器在某一時刻捕獲的圖像數(shù)據(jù)及計算原理示意圖；圖7為本發(fā)明對物體表面重構(gòu)后的3D多邊形示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施辦法如圖2所示，由激光二極管與光學鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置201產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標物體上形成一條空間曲線202，空間曲線透過光學鏡頭組203和204在圖像傳感器205和206上形成不同的像，并捕獲。用戶通過揮動手持探測裝置201描過感興趣的區(qū)域，捕獲足夠多的準連續(xù)的空間曲線，從而重構(gòu)出空間曲面。本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩片圖像傳感器在定制的專用圖像處理芯片301的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集。上述專用圖像處理芯片可以是專門設計的集成電路芯片，也可以是用通用的FPGA芯片進行編程得到的。圖像處理芯片在本發(fā)明中采用FPGA編程得到，這個FPGA芯片在本例中選用xilinx公司的virtex_5芯片。圖像處理芯片301為圖像傳感器提供參考時鐘和必要的控制信號，并將兩個傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片302中，用于計算空間點云坐標，計算得到的坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器303中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機作進一步處理。下面介紹分立空間曲線上采樣點的空間坐標計算。首先考慮單個傳感器的光路圖，如圖4所示，鏡頭組203和204可等效為一片凸透鏡，其有效焦距為f，設在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為a = f+p(I)b = f+q(2)又由光路圖中的三角相似關系及式⑴(2)整理得到1/f = l/a+1/b(3)傳感器205和206安裝在一個可調(diào)直角支架上，建立一個笛卡爾空間坐標系，如圖5所示，原點為O ;傳感器205與鏡頭組203在Y軸上，坐標為(0，a, O)并且軸線與Y軸重合；傳感器206與鏡頭組204在X軸上，坐標為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；設兩組鏡頭203和204的焦距f已知，則由式(3)可計算得到b的值。手持探測器201發(fā)出帶狀激光射向目標，在某一時刻目標表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器205和206捕獲到，如圖6所示。專用圖像處理芯片301將依靠存儲在外存302中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條空間曲線，原理如下7)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標，每個坐標對應物體表面的一個興趣點；8)對于傳感器205捕獲的任意興趣點的投影(Xl，yi)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(0，a,O)確定了一條空間直線V，該直線在傳感器206上的投影與其捕獲曲線的交點(x2, I2)為當前興趣點在傳感器206上的投影，(x2，y2) 的值由傳感器206捕獲的興趣點集中與ν最近的兩個點插補得到。9)設物體表面當前興趣點的空間坐標為(X，y, z)，由空間幾何關系得到χ : X1 = (a-y) : b(4)y ； X2 = (a_x) : b(5)z ； Y1 = (a-y) : b(6)整理得χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7)y = a OdX2-X1X2) / (Id2-X1X2)(8)z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9)10)對傳感器205捕獲的所有投影點進行以上操作，得到一組空間曲線點云坐標；11)對于傳感器206捕獲的任意投影點(x2，y2)，同樣有χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10)y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11)z = a ^y2-Y2X1) / (Id2-X1X2)(12)重復I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點云坐標；12)對4)和5)的結(jié)果進行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點云坐標數(shù)據(jù)；兩個圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片301重構(gòu)出一組空間曲線點云，用戶通過揮動手持探測器201描過目標，可重構(gòu)出目標表面的點云坐標，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度。點云數(shù)據(jù)通過接口控制器303上傳至計算機可作進一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，保存為通用的OBJ格式，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面，效果如圖7所示。本發(fā)明一個最佳實施方式如圖2與圖3所示，由激光二極管與光學鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置201產(chǎn)生帶狀激光投射向目標物體上形成空間曲線202，反射被兩片互相垂直的面陣圖像傳感器205和206與光學鏡頭203和204構(gòu)成采集裝置所接收，數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片302中，經(jīng)圖像處理芯片301作重構(gòu)計算后，得到的空間坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器303中發(fā)送。本發(fā)明應用于三維表面掃描中，可實現(xiàn)興趣區(qū)域的三維多邊形重構(gòu)，特別適合于可移動的三維掃描系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，其特征是，由激光二極管與光學鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、外部存儲芯片、接口控制器組成；手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標物體上形成空間曲線，空間曲線透過光學鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時鐘和必要的控制信號，并將兩個傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片302中，用于計算空間點云坐標，圖像處理芯片計算得到的坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機作進一步處理。
2.一種基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法，其特征是，采用手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標物體上形成空間曲線；使空間曲線透過光學鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時鐘和必要的控制信號，并將兩個傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲芯片中，用于計算空間點云坐標，圖像處理芯片計算得到的坐標數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機作進一步處理；計算空間點云坐標包括如下步驟 光學鏡頭組有效焦距為f，設在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為a = f+p(I) b = f+q(2) 又由光路中的三角相似關系及式(I) (2)整理得到 I/f = l/a+1/b(3) 以安裝在一個可調(diào)直角支架上的兩片圖像傳感器、光學鏡頭組、被測物體建立一個笛卡爾空間坐標系，原點為O ;—個傳感器與光學鏡頭組在Y軸上,坐標為(0, a,0)并且軸線與Y軸重合；另一個傳感器與光學鏡頭組在X軸上，坐標為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；光學鏡頭組的焦距為f，則由式(3)可計算得到b的值； 手持探測器發(fā)出帶狀激光射向目標，在某一時刻目標表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器捕獲到，采用專用圖像處理芯片將依靠存儲在外存中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條空間曲線，步驟如下 1)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標,每個坐標對應物體表面的一個興趣占. 2)對于一個傳感器捕獲的任意興趣點的投影(U1)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(0，a，0)確定了一條空間直線V，該直線在另一個傳感器上的投影與其捕獲曲線的交點(x2，I2)為當前興趣點在另一個傳感器上的投影，(x2，y2)的值由另一個傳感器捕獲的興趣點集中與V最近的兩個點插補得到； 3)設物體表面當前興趣點的空間坐標為(x，y，z)，由空間幾何關系得到 X : X1 = (a-y) b(4) y : X2 = (a-x) b(5) z Y1 = (a-y) b(6) 整理得X = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7) y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(8) z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9) 4)對一個傳感器捕獲的所有投影點進行以上操作，得到一組空間曲線點云坐標； 5)對于另一個傳感器捕獲的任意投影點(x2，y2)，同樣有 X = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10) y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11) z = B^y2-Y2X1)/ (Id2-X1X2)(12) 重復I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點云坐標； 6)對4)和5)的結(jié)果進行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點云坐標數(shù)據(jù)； 兩個圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片重構(gòu)出一組空間曲線點云，用戶通過揮動手持探測器描過目標，可重構(gòu)出目標表面的點云坐標，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度；點云數(shù)據(jù)通過接口控制器上傳至計算機可作進一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)領域。為提供一種彩色圖像采集裝置，采集到更加真實的彩色圖像，解決探測器與傳感器空間位置相對固定的限制，實現(xiàn)便攜手持掃描；并且解決點掃描的效率問題，每一次采樣可重構(gòu)出一條空間曲線的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高速掃描。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，由激光二極管與光學鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、外部存儲芯片、接口控制器組成。本發(fā)明主要應用于數(shù)字圖像處理、便攜手持掃描。
文檔編號G01B11/25GK102706275SQ201210146138
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者史再峰, 葉穎聰, 姚素英, 徐江濤, 聶凱明, 高志遠, 高靜 申請人:天津大學