一种多级摄像三维照相系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三维测量领域，特别涉及一种多级摄像三维照相系统及方法。
【背景技术】
[0002] 从图像中计算物体面形三维数据是光学三维传感领域长期研宄的焦点，而有着高 速、高精度和非接触优点的光学三维测量技术一直是研宄的热点。近来，在工业测量、逆向 工程、视觉导航、航空航天、影视娱乐、虚拟现实、整形美容等领域，特别在用于国家安防领 域的3D三维物体识别和3D打印行业受到极度的关注和研宄。
[0003] 基于三角测量原理的光学三维测量技术已有几十年的研宄，从需要许多图像到仅 仅需要一幅图像进行物体面形的三维重建。研宄者在设计三角测量系统时，使用了不同的 投影图像，如条纹图像、格雷码图像、编码图案图像等到物体表面实现位置编码。在这种需 求背景下，如何实现利用最少的图像快速的获取三维面形数据是当前研宄面临的难题和挑 战，在某些情况下对利用一幅图像获取三维面形数据采集的需求更加强烈，我们称其为单 帧测量。这种单帧三维数据测量技术实现了移动被测物体的实时测量。
[0004] 随着单帧测量的需要，Caspi (Caspi，D.，Kiryati, N.，and Shamir, J.，"Range imaging with adaptive color structured light, "Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 1998, 20 (5) ,470-480.)利用彩色格雷码减少了拍 摄图像数。Boyer and Kak (Boyer, K.L·，and Kak, A. C·，"Color-Encoded Structured Light for Rapid Active Ranging, " IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1987，PAMI-9(1)，14-28.)通过投影唯一编码的彩色条纹图减少图像数。傅 里叶变换轮廓术也是常用的实时测量方法，但是对复杂和分离物体存在着相位难以展开问 题。Mikael Sj5dalil and Per Synnergren ( SjMahl，M. and Synnergren，P·，"Measurement of Shape by Using Projected Random Patterns and Temporal Digital Speckle Photography, 〃Appl. Opt. 1999,38(10)，1990-1997.)将编码图案测量方法引入到三维测量 中，但是它仍属于平面相关的方法，并且计算非常耗时。
[0005] 微软的kinect亦是通过激光编码图案图像实现单帧图像来获得物体的深度信 息，但其主要针对体感所需要的大场景设计，测量精度较差，不能够适应三维物体测量领域 对测量精度的要求。基于编码图案投影的的三维物体测量技术可实现高精度的测量，但其 保证高精度性能条件下的测量深度范围非常小，一般只有20cm，这无疑限制了其应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有基于单帧编码图案的三维图像获取技术高测量精度 时测量深度范围小的问题，提供一种即保证测量精度，又能提高测量深度范围的多级摄像 三维照相方法：其包括标定设置阶段和实时拍照阶段；所述标定设置阶段包括如下步骤：
[0007] (1-1)在深度方向上将测量空间分为η个等份，分别标定η个照相装置的内参数， 并将η个照相装置在深度方向上的最佳摄像范围顺序设定在每个等份测量空间内一一对 应。
[0008] 照相装置内参数包括照相装置在宽度方向上的焦距fu、高度方向上的焦距f v、照 相装置主点坐标（Utl, Vtl)，通过标定，使得η个照相装置在高度方向上和宽度方向上具有相 同的最佳摄像范围。
[0009] (1-2)进行编码图案投影，在测量空间投影获得具有编码图案的空间调制场。 [0010] (1-3)设定标定距离d，通过精密位移平台对测量空间进行编码标定，即在测量空 间内，每间隔标定距离d依次采集一张编码图案，并将在各个位置采集到的编码图案按从 近到远的顺序从1到N标号保存为标定图像，N由深度方向上测量范围以及标定距离决定， 通常
【主权项】
1. 一种多级摄像三维照相方法，其特征在于，包括标定设置阶段和实时拍照阶段；所 述标定设置阶段包括如下步骤： (1-1)在深度方向上将测量空间分为η个等份，分别标定η个照相装置的内参数，并将 η个照相装置在深度方向上的最佳摄像范围顺序设定在每个等分测量空间内； 照相装置内参数包括照相装置宽度方向上的焦距fu、高度方向上的焦距fv、照相装置 主点坐标（Utl, Vtl)，将照相装置的有效摄像范围设定为测量空间； (1-2)进行编码图案投影，在测量空间投影获得具有编码图案的空间调制场； (1-3)设定标定距离d，对测量空间进行编码标定，即在测量空间内，从近致远，每间隔 标定距离d依次采集一张编码图案，并将在各个位置采集到的编码图案按顺序从1到N标 号保存为标定图像； (1-4)在步骤（1-3)的最后操作位置，通过位姿测量确定出标定世界坐标系与照相装 置坐标系之间的旋转矩阵R和平移矢量T，其中，R为3X3的正交矩阵，其元素为（Γι，… ，r9)，平移矢量T的分量分别为（T x，Ty，Tz); 所述实时拍照阶段包括如下步骤： (2-1)进行编码图案投影，由η台照相装置各拍摄一张编码图案投影下的被测物体图 像； (2-2)以j*j的像素块为基本单位，利用反差侦测或相位侦测法选出每个像素块对应 最清晰的物体拍摄图像，j为3以上的自然奇数；； (2-3)计算筛选出的各个像素块图像的深度值Z，其过程为，计算筛选出的各个像素块 图像与各个标定图像的各像素块相关度值C (u，V ;t)，计算公式如下：
其中，（u，v)是当前像素块中中心像素点坐标，t是标定图像序列号，其值从1到 N，S(u，v;t)为该像素块相应参考标定图像，0(u，v;h)为当前拍摄的被测物体图像在该像 素块；S(h，v;，)_0(?，k/〇)分别为待测像素块中S (u，V ;t)和O(u，V ;h)的平均值；根据所拍 摄被测物体与参考标定图像的相关度值C(u，v ;t)得出的相关度值曲线图进行曲线拟合， 求解出其最大相关值所对应的标定图像标号m，根据标定时拍摄图像间隔距离d直接获得 计算点的空间深度值Z = dXm。 (2-4)根据旋转矩阵R、平移矢量T以及计算出的被测物体图像各个像素点的空间深度 值Z，求解该像素点所对应的宽度方向上的坐标X和高度方向上的坐标Y，从而获得被测物 体图像像素点所对应被测物体表面的三维坐标，其计算公式为：
2. 如权利要求1所述的多级摄像三维照相方法，其特征在于，步骤（1-2)中编码图案投 影方式为光刻方式、印制方式或者数字投影方式。
3. 如权利要求1所述的多级摄像三维照相方法，其特征在于，所述编码图案投影的光 源采用红外光源、可见光光源或近紫外光源。
4. 如权利要求1所述的多级摄像三维照相方法，其特征在于，所述编码图案投影的分 辨率在30万像素以上。
5. 如权利要求1所述多级摄像三维照相方法，其特征在于，所述标定距离d的取值为 0· Imm-IOmm0
6. -种多级摄像三维照相系统，其特征在于，包括控制装置、编码图案投影装置及η个 照相装置，η为2以上自然数，所述照相装置、编码图案投影装置均与所述控制装置连接； η个照相装置在深度方向上的最佳摄像范围分别落在测量空间在深度方向上均分的η 个等分空间内； 所述控制装置包括标定图像存储模块、子图像块筛选模块、空间深度值计算模块以及 二维坐标计算模块； 所述子图像块筛选模块用于对不同摄像机拍摄的图像以j*j像素块为基本单位进行 清晰度筛选，j为3以上的自然奇数； 所述标定图像存储模块用于存储具有顺序标号的标定图像； 所述空间深度值计算模块用于计算所拍摄被测物体图像各个像素块的空间深度值； 所述三维坐标计算模块用于根据各个像素块的空间深度值计算其三维坐标。
7. 如权利要求6所述的多级摄像三维照相系统，其特征在于，所述编码图案投影装置 的光源为红外光源、可见光光源或近紫外光源。
8. 如权利要求6所述的多级摄像三维照相系统，其特征在于，所述编码图案投影装置 为光刻编码图案投影装置、印制编码图案投影装置或者数字编码图案投影装置。
【专利摘要】本发明涉及三维测量领域，特别涉及一种多级摄像三维照相系统及方法。本发明所提供的基于编码图案投影的三维照相方法及系统采用编码图案投影的方式对单帧图像进行三维数据的快速解算，形成的三维被测物体点云具有计算简单、速度快、分辨率高、测量数据精度高的特点，同时，相较于只有单照相装置的三维照相方法或装置，本发明提供具有多台照相装置的三维照相系统可实现即保证测量精度，又能提高测量深度范围；本发明提供的三维照相方法及装置在保证未发生拆卸部件改变操作时只需进行一次标定即可在以后的三维照相中重复使用，操作简单方便。
【IPC分类】G01C11-00, G01C11-02
【公开号】CN104634323
【申请号】CN201510081130
【发明人】薛俊鹏, 宋万忠, 游健
【申请人】四川川大智胜软件股份有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月15日