多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于圖像采集處理與三維重構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多尺度雙軸 旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維重構(gòu)是指對三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是在計(jì)算機(jī)環(huán) 境下對其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬 現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 通過對場景進(jìn)行三維重構(gòu)的一個(gè)重要作用是獲取到場景的三維信息。在傳統(tǒng)的三 維重構(gòu)中，常利用角點(diǎn)提取進(jìn)行三維重構(gòu)，但是對于無明顯角點(diǎn)的物體，其三維重構(gòu)就難以 實(shí)現(xiàn)。此外，一般應(yīng)用于室內(nèi)場景重構(gòu)的三維重構(gòu)儀器，其工作距離都有一定的范圍，難以 實(shí)現(xiàn)全自動一步到位的室內(nèi)場景重構(gòu)。
[0004] 上述論述內(nèi)容目的在于向讀者介紹可能與下面將被描述和/或主張的本實(shí)用新型 的各個(gè)方面相關(guān)的技術(shù)的各個(gè)方面，相信該論述內(nèi)容有助于為讀者提供背景信息，以有利 于更好地理解本實(shí)用新型的各個(gè)方面，因此，應(yīng)了解是以這個(gè)角度來閱讀這些論述，而不是 承認(rèn)現(xiàn)有技術(shù)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光 影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，其既可以解決非角點(diǎn)難以重構(gòu)的問題，又可以應(yīng)用于多尺度范圍測量。
[0006] 本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 提供一種多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)控制平臺、圖像采集 系統(tǒng)、標(biāo)定板、線結(jié)構(gòu)激光器、計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)；
[0008] 所述旋轉(zhuǎn)控制平臺包括電控旋轉(zhuǎn)臺和安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的伸縮旋轉(zhuǎn)支架，伸縮 旋轉(zhuǎn)支架為T型結(jié)構(gòu)，伸縮旋轉(zhuǎn)支架的兩個(gè)支臂的端部裝有可360度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺；
[0009] 所述圖像采集系統(tǒng)包括兩個(gè)圖像傳感器，兩個(gè)圖像傳感器分別安裝在兩個(gè)支臂端 部的旋轉(zhuǎn)臺上；
[0010]所述線結(jié)構(gòu)激光器安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心處，所發(fā)出的線激光垂直于水平 面，線激光所在平面、兩個(gè)圖像傳感器所拍攝的圖像平面相交于一條垂直于水平面的直線。
[0011] 所述計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)用于攝像頭系統(tǒng)標(biāo)定、影像匹配與三維重構(gòu)運(yùn)算。
[0012] 其中，所述支臂的長度可調(diào)。
[0013] 其中，所述兩個(gè)圖像傳感器水平放置，互成一定夾角。
[0014] 其中，所述兩個(gè)圖像傳感器型號相同，每個(gè)傳感器上裝有型號相同的可變焦FA鏡 頭。
[0015] 由于采用了上述的結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型對比傳統(tǒng)的雙目三維重構(gòu)系統(tǒng)，本實(shí)用新型 添加的伸縮旋轉(zhuǎn)支架，使被檢測區(qū)域的相對誤差可調(diào)，利用標(biāo)定板一次標(biāo)定實(shí)現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn) 角度下的各相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定，然后使用線結(jié)構(gòu)激光器掃描場景區(qū)域，圖像采集系統(tǒng)獲取覆蓋 線激光的影像圖像，進(jìn)行影像匹配及三維重構(gòu)運(yùn)算重建得該區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型 能實(shí)現(xiàn)多尺度的空間場景三維重構(gòu)，即球半徑在數(shù)十厘米至亞十米的空間范圍內(nèi)均適用， 且重構(gòu)效果優(yōu)良，誤差小。在所提出的重構(gòu)方法中，標(biāo)定一次結(jié)合矩陣運(yùn)算完成不同旋轉(zhuǎn)角 度的相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定，簡化了操作;利用線激光掃描重構(gòu)，避免使用一般的特征點(diǎn)獲取算法帶 來的系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)了圖像的精準(zhǔn)匹配，并且解決了非角點(diǎn)無法進(jìn)行重構(gòu)的難題。
【附圖說明】
[0016] 利用附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本實(shí)用新型的 任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附 圖獲得其它的附圖。
[0017] 圖1為本實(shí)用新型重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2為本實(shí)用新型的圖像采集系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的示意圖。
[0019]圖3為采用本實(shí)用新型的重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行三維重構(gòu)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具 體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的 實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0021] 如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型所述的多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，包 括:旋轉(zhuǎn)控制平臺、圖像采集系統(tǒng)、標(biāo)定板、線結(jié)構(gòu)激光器、計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)。
[0022] 其中，旋轉(zhuǎn)控制平臺包括電控旋轉(zhuǎn)臺1與伸縮旋轉(zhuǎn)支架2,伸縮支架安裝在電控旋 轉(zhuǎn)臺上，可伸縮旋轉(zhuǎn)支架為T型結(jié)構(gòu)，伸縮旋轉(zhuǎn)支架具有兩個(gè)支臂4、5，支臂長度可調(diào)，支臂 外端裝有旋轉(zhuǎn)臺，能實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)；
[0023] 其中，圖像采集系統(tǒng)包括兩個(gè)型號相同的圖像傳感器6、7,每個(gè)傳感器上裝有型號 相同的可變焦FA鏡頭，兩個(gè)圖像傳感器分別安裝在伸縮旋轉(zhuǎn)支架的旋轉(zhuǎn)臺上，且水平放置， 互成一定夾角；
[0024]其中，線結(jié)構(gòu)激光器3安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心處，所發(fā)出的線激光垂直于水 平面，線激光所在平面和兩個(gè)圖像傳感器所拍攝的圖像平面，此三個(gè)平面相交于一條垂直 于水平面的直線；
[0025]其中計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)，可進(jìn)行攝像頭系統(tǒng)標(biāo)定、影像匹配與三維重構(gòu)運(yùn)算。
[0026] 如圖3所示，利用如上所述的基于多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)的重構(gòu) 方法，包括如下步驟：
[0027] S1:根據(jù)測量場景大小選擇合適的尺度；
[0028] S2:圖像采集系統(tǒng)的標(biāo)定；
[0029] S3:結(jié)合線激光旋轉(zhuǎn)掃描采集影像；
[0030] S4:在計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)里對影像進(jìn)行處理，重構(gòu)出三維場景。
[0031 ]對于步驟S1，根據(jù)測量場景大小選擇合適的尺度包括如下步驟：
[0032] S1-1:調(diào)整支架兩端的長度和兩圖像傳感器間的夾角，使兩圖像傳感器的光軸交 點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離與所測場景的半徑長度約等；
[0033] S1-2:調(diào)整可變焦FA鏡頭，設(shè)置合適的焦距；
[0034] 作為優(yōu)選，對于步驟S2，圖像采集系統(tǒng)的標(biāo)定包括如下步驟：
[0035] S2-1:變換標(biāo)定板8的姿態(tài)，用圖像采集系統(tǒng)拍攝標(biāo)定板不同姿態(tài)下的圖像各兩 幅；
[0036] S2-2:對所拍攝的兩幅圖像進(jìn)行標(biāo)定點(diǎn)像素坐標(biāo)提取，在計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)中 進(jìn)行攝像頭系統(tǒng)標(biāo)定，分別得出兩圖像傳感器在該旋轉(zhuǎn)角度下的相機(jī)矩陣Ml-Ο與M2-0;
[0037] S2-3:通過對相機(jī)矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算計(jì)算出圖像采集系統(tǒng)每旋轉(zhuǎn)1°對應(yīng)的兩個(gè)圖 像傳感器相機(jī)矩陣M1-1與Μ2-1，Μ1-2與M2-2,……，M1_359與M2-359,即標(biāo)定完成，矩陣計(jì)算 過程如下：
[0038] 如圖2所示，標(biāo)定時(shí)以旋轉(zhuǎn)角為0°設(shè)定世界坐標(biāo)系各軸的方向，其中X軸平行水平 面向右，Y軸垂直水平面向下，Z軸平行水平面指向兩攝像機(jī)成像平面的交線。
[0039]以相機(jī)矩陣Ml-Ο為例，使用標(biāo)定板標(biāo)定后得出的矩陣Ml-Ο是一個(gè)3X4的矩陣。當(dāng) 圖像采集系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)α°時(shí)(這里選定α = 1)，實(shí)際上等價(jià)于攝像機(jī)自身旋轉(zhuǎn)α°后，再在X軸與Z 軸方向上分別平移了L1與L2的距離。
[0040] 其中LI = L · (1-cosa)，L2 = L · sina;
[0041] 根據(jù)幾何變換的矩陣運(yùn)算，可得旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移矩陣T:
[0043] 即可求得旋轉(zhuǎn)a角度下的新攝像機(jī)矩陣Μ1-α = (Μ1_0) · R · Τ。
[0044] 對于步驟S3，結(jié)合線激光旋轉(zhuǎn)掃描采集影像包括如下步驟：
[0045] S3-1:啟動線結(jié)構(gòu)光激光器，使線激光照射在場景表明；
[0046] S3-2:啟動電控旋轉(zhuǎn)臺，每旋轉(zhuǎn)1°進(jìn)行一次圖像對的采集；
[0047] S3-3:旋轉(zhuǎn)一周后將所采集的圖像對存儲在計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)中；
[0048] 對于步驟S4,在計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)里對影像進(jìn)行處理包括如下步驟：
[0049] S4-1:對影像中畫面進(jìn)行圖像分割，提出出若干激光點(diǎn)的像素坐標(biāo)；
[0050] S4-2 :對激光點(diǎn)進(jìn)行圖像匹配；
[0051 ] S4_3:進(jìn)彳丁二維重構(gòu)運(yùn)算，獲得場景的二維彳目息。
[0052]上面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型，但是，本實(shí)用新 型還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實(shí)施，因此，不能理解為對本實(shí)用新型保 護(hù)范圍的限制。
[0053]總之，本實(shí)用新型雖然例舉了上述優(yōu)選實(shí)施方式，但是應(yīng)該說明，雖然本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以進(jìn)行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本實(shí)用新型的范圍，否則 都應(yīng)該包括在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于:包括旋轉(zhuǎn)控制平臺、圖像 采集系統(tǒng)、標(biāo)定板、線結(jié)構(gòu)激光器、計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)； 所述旋轉(zhuǎn)控制平臺包括電控旋轉(zhuǎn)臺（1)和安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺（1)上的伸縮旋轉(zhuǎn)支架 (2)，伸縮旋轉(zhuǎn)支架(2)為T型結(jié)構(gòu)，伸縮旋轉(zhuǎn)支架(2)的兩個(gè)支臂(4、5)的端部裝有可360度 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺； 所述圖像采集系統(tǒng)包括兩個(gè)圖像傳感器(6、7)，兩個(gè)圖像傳感器(6、7)分別安裝在兩個(gè) 支臂(4、5)端部的旋轉(zhuǎn)臺上； 所述線結(jié)構(gòu)激光器(3)安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺（1)的旋轉(zhuǎn)中心處，所發(fā)出的線激光垂直于水 平面，線激光所在平面、兩個(gè)圖像傳感器(6、7)所拍攝的圖像平面相交于一條垂直于水平面 的直線； 所述計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)用于攝像頭系統(tǒng)標(biāo)定、影像匹配與三維重構(gòu)運(yùn)算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于:所述支 臂(4、5)的長度可調(diào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于:所述兩 個(gè)圖像傳感器(6、7)水平放置，互成一定夾角。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于:所述兩 個(gè)圖像傳感器(6、7)型號相同，每個(gè)傳感器上裝有型號相同的可變焦FA鏡頭。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多尺度雙軸旋轉(zhuǎn)激光影像三維重構(gòu)系統(tǒng),重構(gòu)系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)控制平臺、圖像采集系統(tǒng)、標(biāo)定板、線結(jié)構(gòu)激光器、計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)控制平臺包括電控旋轉(zhuǎn)臺和安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺上的伸縮旋轉(zhuǎn)支架，伸縮旋轉(zhuǎn)支架為T型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)支臂端部裝有旋轉(zhuǎn)臺；圖像采集系統(tǒng)包括兩個(gè)圖像傳感器，圖像傳感器分別安裝在兩個(gè)支臂端部的旋轉(zhuǎn)臺上；線結(jié)構(gòu)激光器安裝在電控旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心處，所發(fā)出的線激光垂直于水平面，線激光所在平面、兩個(gè)圖像傳感器所拍攝的圖像平面相交于一條垂直于水平面的直線。計(jì)算機(jī)重構(gòu)處理系統(tǒng)用于攝像頭系統(tǒng)標(biāo)定、影像匹配與三維重構(gòu)運(yùn)算。本實(shí)用新型可以解決非角點(diǎn)難以重構(gòu)的問題，又可以應(yīng)用于多尺度范圍測量。
【IPC分類】G01C11/00
【公開號】CN205209488
【申請?zhí)枴緾N201521087565
【發(fā)明人】顏潤明, 雷亮, 王 琦, 劉子強(qiáng), 鐘嘉華, 賴錦祥, 周金運(yùn)
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月22日