專(zhuān)利名稱(chēng)：基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的成像方法，具體是一種基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)三維成像技術(shù)因其具有非侵犯性、數(shù)據(jù)采集速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，有著極其廣泛的應(yīng)用。然而，無(wú)論是采用主動(dòng)投影的方式還是采用被動(dòng)視覺(jué)的方法，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型目標(biāo)的三維成像，目前通常采用以下幾種方法并存在各自的問(wèn)題(1)采用廣角鏡攝像機(jī)時(shí)，通常存在嚴(yán)重的徑向畸變，需要復(fù)雜的圖像后續(xù)處理；如果要增大視場(chǎng)角，但同時(shí)徑向畸變要小，則需要極其昂貴的鏡頭，以致系統(tǒng)成本很高。(2)采用移動(dòng)成像裝置或移動(dòng)被測(cè)物體的方法，需要較大體積且精度很高的機(jī)械掃描裝置，導(dǎo)致成像裝置的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高。(3)通過(guò)多個(gè)視覺(jué)傳感器或者傳感器陣列從不同視角拍攝，由于需要對(duì)物體進(jìn)行圖像拼接，多視覺(jué)傳感器需要聯(lián)合標(biāo)定，后續(xù)算法復(fù)雜，其應(yīng)用的柔性很差，只能用于測(cè)量形狀相近的物體，且成本非常高。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，刊登在《Proceedings of SPIE》(國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)議論文集)5638(2004.11.8-12)，146-153上的文章“Design of asynchronized scanning system for size measurement of human body”(設(shè)計(jì)一種用于人體尺寸測(cè)量的同步掃描系統(tǒng))，曾提出一種集單CCD攝像機(jī)和多激光片投影的同步掃描裝置。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于只使用了單個(gè)CCD攝像機(jī)從一個(gè)角度拍攝，系統(tǒng)的成像光路易受物體表面的凹凸遮擋，形成陰影區(qū)域以致影響三維成像的效果。同時(shí)，在其數(shù)學(xué)模型中，先采用三角關(guān)系計(jì)算出物點(diǎn)在X、Z軸上的坐標(biāo)值，接著再計(jì)算出像點(diǎn)在X、Z軸上的坐標(biāo)值，然后再通過(guò)像點(diǎn)的X、Z軸上的坐標(biāo)值用鏡像關(guān)系求解物點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。此外，多激光片投影器投影出的結(jié)構(gòu)光條紋無(wú)法進(jìn)行編碼，計(jì)算機(jī)對(duì)其變形后的結(jié)構(gòu)光條紋識(shí)別和區(qū)分存在很大困難，結(jié)構(gòu)光條紋數(shù)很少，成像效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，通過(guò)同時(shí)改變面陣投影裝置的投影光路和兩個(gè)成像裝置的接收光路，使其實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的大視角成像，可用于設(shè)計(jì)和制造高性能、低成本、占用空間小的大視角三維面形傳感器。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用的是面陣投影同步掃描的方式，在三維成像的景深范圍內(nèi)，面陣投影裝置發(fā)出帶有編碼信息的結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射覆蓋左成像裝置、右成像裝置經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射的接收光路交匯而成的有效視場(chǎng)，且投影在被測(cè)物體上的每條結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射，左成像裝置、右成像裝置成像和數(shù)據(jù)采集卡采集后能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和區(qū)分；利用三角計(jì)算，累積三維成像。
以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，具體步驟如下1)在平面鏡與X軸成θ角時(shí)，面陣投影裝置通過(guò)平面鏡的反射，將編碼后的結(jié)構(gòu)光條紋投影到被測(cè)物體上；同時(shí)，左成像裝置、右成像裝置通過(guò)平面鏡的反射，分別從兩個(gè)不同的視角同時(shí)攝取投影在被測(cè)物體表面上的變形條紋；2)左成像裝置、右成像裝置攝取兩幅圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)，通過(guò)建立兩幅二維圖像上變形條紋中心線上各點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用三角計(jì)算，先獲取空間物點(diǎn)P在平面鏡中的像點(diǎn)P’的三維坐標(biāo)值，再通過(guò)鏡像關(guān)系，來(lái)獲取物點(diǎn)P的三維坐標(biāo)值；從而求解出在這一視場(chǎng)范圍內(nèi)的變形條紋中心線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)值；3)旋轉(zhuǎn)平面鏡，改變投影光路和接收光路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體表面的掃描；4)重復(fù)1)、2)、3)的步驟，累積計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)大視角三維成像。
面陣投影裝置由投影裝置驅(qū)動(dòng)器控制。平面鏡由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，電機(jī)由其配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制。平面鏡的反射面通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心軸線，可根據(jù)需要，在平面鏡的表面涂上增透膜，避免結(jié)構(gòu)光條紋被多次反射，引起識(shí)別問(wèn)題。
本發(fā)明還可以通過(guò)改變平面鏡的轉(zhuǎn)速和左成像裝置、右成像裝置及其數(shù)據(jù)采集卡的圖像采集速度，來(lái)改變空間三維面形的采樣精度和采集速度。
本發(fā)明集成了面陣投影技術(shù)、雙目主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)和同步掃描三維成像技術(shù)，減小了由被測(cè)物體表面凹凸引起的前后遮擋問(wèn)題對(duì)成像系統(tǒng)的影響，提高了計(jì)算機(jī)對(duì)變形后的結(jié)構(gòu)光條紋識(shí)別和區(qū)分的能力，只需采用普通的成像裝置，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、成本低，成像視角大，應(yīng)用范圍廣，且系統(tǒng)的三維采樣精度和成像效率大幅提高。


圖1為本發(fā)明的基本原理示意圖。
圖2為本發(fā)明在平面鏡與X軸成某個(gè)θ角時(shí)的三維成像過(guò)程圖。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示，為本發(fā)明的基本原理圖，面陣投影裝置3在左成像裝置1、右成像裝置2中間，它們的正前方安裝一塊平面鏡4。本發(fā)明中的左成像裝置1、右成像裝置2采用的是現(xiàn)有任意一種二維面陣成像技術(shù)，例如二維CCD攝像機(jī)等通用成像裝置；面陣投影裝置3的投影方式采用現(xiàn)有任意一種帶有編碼信息的二維面陣投影結(jié)構(gòu)光技術(shù)，例如光柵投影、傅立葉投影、彩色結(jié)構(gòu)光投影等。當(dāng)采用傅立葉投影方式時(shí)，可同時(shí)集成相位法和三角法來(lái)計(jì)算空間三維數(shù)據(jù)。在三維成像的景深范圍內(nèi)，面陣投影裝置3發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條紋覆蓋左成像裝置1、右成像裝置2的接收光路交匯而成的有效視場(chǎng)，且垂直于OXZ平面。
平面鏡4可根據(jù)需要，依據(jù)投影結(jié)構(gòu)光波長(zhǎng)的不同，在其表面涂上相應(yīng)的增透膜，避免結(jié)構(gòu)光被多次反射，引起識(shí)別問(wèn)題。平面鏡4由電機(jī)5控制其旋轉(zhuǎn)方向、速度、角度，其反射面通過(guò)電機(jī)5的旋轉(zhuǎn)軸線。電機(jī)5采用的是步進(jìn)電機(jī)、帶減速箱的步進(jìn)電機(jī)或帶減速箱的同步電機(jī)，由其驅(qū)動(dòng)器6控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6與其相應(yīng)的電機(jī)配套，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并與計(jì)算機(jī)的輸入/輸出控制單元相連接。投影裝置驅(qū)動(dòng)器8控制面陣投影裝置3，也與計(jì)算機(jī)的輸入/輸出控制單元相連接。
本發(fā)明通過(guò)成像裝置垂直掃描外同步器7發(fā)出外同步信息控制左成像裝置1、右成像裝置2兩者同步成像。
為了使本發(fā)明在OXY坐標(biāo)系下獲得較大的視場(chǎng)，左成像裝置1、右成像裝置2在安裝時(shí)，將左成像裝置1、右成像裝置2本身視場(chǎng)角較大的一面安裝OXY坐標(biāo)系下，視場(chǎng)角較小的一面安裝在OXZ坐標(biāo)系下，故本發(fā)明特別適合對(duì)外形輪廓基于拱形狀的物體進(jìn)行三維成像。
當(dāng)左成像裝置1、右成像裝置2攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，兩幅二維圖像中結(jié)構(gòu)光條紋的灰度值高于背景的灰度值時(shí)，先通過(guò)取一個(gè)初閾值將結(jié)構(gòu)光條紋從背景中區(qū)分出來(lái)，然后用“冒泡法”找出同一條結(jié)構(gòu)光條紋在X1軸或X2軸方向上的灰度值最高點(diǎn)為該條紋在X1軸或X2軸方向上的中心；對(duì)于在X1軸或X2軸方向上的連續(xù)幾個(gè)灰度值相同的點(diǎn)，則取它們中間點(diǎn)為該條紋在在X1軸或X2軸方向上的中心；以依次提取了每條結(jié)構(gòu)光條紋的中心線。
如圖2所示，是本發(fā)明在平面鏡4與X軸成某個(gè)θ角時(shí)的三維成像過(guò)程。首先在左成像裝置1、右成像裝置2攝取的兩幅圖像中，建立同一個(gè)物點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的兩個(gè)像點(diǎn)間的映射關(guān)系，物點(diǎn)P是在被測(cè)物體表面的變形結(jié)構(gòu)光條紋的中心線上；再利用三角關(guān)系，求解出物點(diǎn)P在平面鏡中的像點(diǎn)P’的三維坐標(biāo)值；然后，利用鏡像關(guān)系，通過(guò)像點(diǎn)P’的三維坐標(biāo)值來(lái)求解物點(diǎn)P的三維坐標(biāo)值；進(jìn)而，獲取在此θ角下，成像系統(tǒng)有效視場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)光條紋中心線上各點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)平面鏡4，以同時(shí)改變投影光路和接收光路的方式，掃描被測(cè)物體的不同位置，依次獲取不同θ角時(shí)，被測(cè)物體表面不同位置的三維數(shù)據(jù)，累積這些三維數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大視角三維成像。其中，左成像裝置1、右成像裝置2的內(nèi)、外參數(shù)由系統(tǒng)標(biāo)定預(yù)先完成。
通過(guò)改變電機(jī)5的轉(zhuǎn)速來(lái)控制平面鏡4的旋轉(zhuǎn)速度，而當(dāng)平面鏡4的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可以獲得不同三維面形的空間采樣精度和采集速度。同樣，可以通過(guò)改變左成像裝置1、右成像裝置2及其數(shù)據(jù)采集卡的圖像采集速度來(lái)獲得不同空間三維面形的采樣精度和采集速度。
當(dāng)面陣投影裝置3向被測(cè)物體投影30條結(jié)構(gòu)光條紋，平面鏡4旋轉(zhuǎn)10秒鐘，左成像裝置1、右成像裝置2及其數(shù)據(jù)采集卡的圖像采集速度為每秒25幀時(shí)，則本發(fā)明的空間采樣解析度為7500條，與同等條件下采用5條多激光片投影的單目同步掃描三維成像裝置相比，本發(fā)明的成像效率和采樣精度是其6倍，同時(shí)大幅降低了被測(cè)物體表面凹凸引起的前后遮擋對(duì)成像系統(tǒng)的影響，且計(jì)算機(jī)容易識(shí)別和區(qū)分變形后的結(jié)構(gòu)光條紋。
權(quán)利要求
1.一種基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征在于，采用的是面陣投影同步掃描的方式，在三維成像的景深范圍內(nèi)，面陣投影裝置發(fā)出帶有編碼信息的結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射覆蓋左成像裝置、右成像裝置經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射的接收光路交匯而成的有效視場(chǎng)，且投影在被測(cè)物體上的每條結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射，左成像裝置、右成像裝置成像和數(shù)據(jù)采集卡采集后能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和區(qū)分；利用三角計(jì)算，累積三維成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，包括如下步驟1)在平面鏡與X軸成θ角時(shí)，面陣投影裝置通過(guò)平面鏡的反射，將編碼后的結(jié)構(gòu)光條紋投影到被測(cè)物體上；同時(shí)，左成像裝置、右成像裝置通過(guò)平面鏡的反射，分別從兩個(gè)不同的視角同時(shí)攝取投影在被測(cè)物體表面上的變形條紋；2)左成像裝置、右成像裝置攝取兩幅圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，通過(guò)建立兩幅二維圖像上變形條紋中心線上各點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用三角計(jì)算，先獲取空間物點(diǎn)P在平面鏡中的像點(diǎn)P’的三維坐標(biāo)值，再通過(guò)鏡像關(guān)系，來(lái)獲取物點(diǎn)P的三維坐標(biāo)值，從而求解出在這一視場(chǎng)范圍內(nèi)的變形條紋中心線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)值；3)旋轉(zhuǎn)平面鏡，改變投影光路和接收光路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體表面的掃描；4)重復(fù)1)、2)、3)的步驟，累積計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)大視角三維成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，當(dāng)左成像裝置、右成像裝置攝取的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，兩幅二維圖像中結(jié)構(gòu)光條紋的灰度值高于背景的灰度值時(shí)，先通過(guò)取一個(gè)初閾值將結(jié)構(gòu)光條紋從背景中區(qū)分出來(lái)，然后用“冒泡法”找出同一條結(jié)構(gòu)光條紋在X1軸或X2軸方向上的灰度值最高點(diǎn)為該條紋在X1軸或X2軸方向上的中心；對(duì)于在X1軸或X2軸方向上的連續(xù)幾個(gè)灰度值相同的點(diǎn)，則取它們中間點(diǎn)為該條紋在在X1軸或X2軸方向上的中心；以此依次提取每條結(jié)構(gòu)光條紋的中心線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，通過(guò)改變左成像裝置、右成像裝置及其數(shù)據(jù)采集卡的圖像采集速度，以改變空間三維面形的采樣精度和采集速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，電機(jī)采用的是步進(jìn)電機(jī)、帶減速箱的步進(jìn)電機(jī)或帶減速箱的同步電機(jī)，由其配套的驅(qū)動(dòng)器控制，驅(qū)動(dòng)器連接到計(jì)算機(jī)的輸入/輸出控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，通過(guò)成像裝置垂直掃描外同步器發(fā)出外同步信息控制左成像裝置、右成像裝置兩者同步成像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，面陣投影裝置由投影裝置驅(qū)動(dòng)器控制，投影裝置驅(qū)動(dòng)器連接計(jì)算機(jī)的輸入/輸出控制單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，平面鏡由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，平面鏡的反射面通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心軸線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，其特征是，或者在平面鏡的表面涂上增透膜，避免結(jié)構(gòu)光條紋被多次反射，引起識(shí)別問(wèn)題。
全文摘要
一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的基于面陣投影的同步掃描雙目視覺(jué)三維成像的方法，采用的是面陣投影同步掃描的方式，在三維成像的景深范圍內(nèi)，面陣投影裝置發(fā)出帶有編碼信息的結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射覆蓋左成像裝置、右成像裝置經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射的接收光路交匯而成的有效視場(chǎng)，且投影在被測(cè)物體上的每條結(jié)構(gòu)光條紋經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面鏡反射，左成像裝置、右成像裝置成像和數(shù)據(jù)采集卡采集后能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別和區(qū)分；利用三角計(jì)算，累積三維成像。本發(fā)明通過(guò)同時(shí)改變面陣投影裝置的投影光路和兩個(gè)成像裝置的接收光路，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的大視角成像，可用于設(shè)計(jì)和制造高性能、低成本、占用空間小的大視角三維面形傳感器。
文檔編號(hào)G06T17/00GK1737642SQ200510029290
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者陳亞珠, 程勝, 郝麗俊, 張素 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)