专利名称：基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光学技术领域的成像方法，具体是一种基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法。
背景技术：
光学三维成像技术因其具有非侵犯性、数据采集速度快、测量精度高等优点，有着极其广泛的应用。然而，无论是采用主动投影的方式还是采用被动视觉的方法，为了实现对大型目标的三维成像，目前通常采用以下几种方法并存在各自的问题(1)采用广角镜摄像机时，通常存在严重的径向畸变，需要复杂的图像后续处理；如果要增大视场角，但同时径向畸变要小，则需要极其昂贵的镜头，以致系统成本很高。(2)采用移动成像装置或移动被测物体的方法，需要较大体积且精度很高的机械扫描装置，导致成像装置的体积庞大、结构复杂，成本很高。(3)通过多个视觉传感器或者传感器阵列从不同视角拍摄，由于需要对物体进行图像拼接，多视觉传感器需要联合标定，后续算法复杂，其应用的柔性很差，只能用于测量形状相近的物体，且成本非常高。
经对现有技术的文献检索发现，刊登在《Proceedings of SPIE》(国际光学工程学会会议论文集)5638(2004.11.8-12)，146-153上的文章“Design of asynchronized scanning system for size measurement of human body”(设计一种用于人体尺寸测量的同步扫描系统)，曾提出一种集单CCD摄像机和多激光片投影的同步扫描装置。但是在实际应用中发现，由于只使用了单个CCD摄像机从一个角度拍摄，系统的成像光路易受物体表面的凹凸遮挡，形成阴影区域以致影响三维成像的效果。同时，在其数学模型中，先采用三角关系计算出物点在X、Z轴上的坐标值，接着再计算出像点在X、Z轴上的坐标值，然后再通过像点的X、Z轴上的坐标值用镜像关系求解物点的Y轴坐标值，计算过程复杂。此外，多激光片投影器投影出的结构光条纹无法进行编码，计算机对其变形后的结构光条纹识别和区分存在很大困难，结构光条纹数很少，成像效率很低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提出一种基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，通过同时改变面阵投影装置的投影光路和两个成像装置的接收光路，使其实现对被测物体的大视角成像，可用于设计和制造高性能、低成本、占用空间小的大视角三维面形传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用的是面阵投影同步扫描的方式，在三维成像的景深范围内，面阵投影装置发出带有编码信息的结构光条纹经旋转平面镜反射覆盖左成像装置、右成像装置经旋转平面镜反射的接收光路交汇而成的有效视场，且投影在被测物体上的每条结构光条纹经旋转平面镜反射，左成像装置、右成像装置成像和数据采集卡采集后能够被计算机识别和区分；利用三角计算，累积三维成像。
以下对本发明作进一步的描述，具体步骤如下1)在平面镜与X轴成θ角时，面阵投影装置通过平面镜的反射，将编码后的结构光条纹投影到被测物体上；同时，左成像装置、右成像装置通过平面镜的反射，分别从两个不同的视角同时摄取投影在被测物体表面上的变形条纹；2)左成像装置、右成像装置摄取两幅图像经数据采集卡储存到计算机，通过建立两幅二维图像上变形条纹中心线上各点的对应关系，利用三角计算，先获取空间物点P在平面镜中的像点P’的三维坐标值，再通过镜像关系，来获取物点P的三维坐标值；从而求解出在这一视场范围内的变形条纹中心线上各点对应的三维坐标值；3)旋转平面镜，改变投影光路和接收光路来实现对被测物体表面的扫描；4)重复1)、2)、3)的步骤，累积计算来实现大视角三维成像。
面阵投影装置由投影装置驱动器控制。平面镜由电机控制旋转，电机由其配套的电机驱动器控制。平面镜的反射面通过电机旋转中心轴线，可根据需要，在平面镜的表面涂上增透膜，避免结构光条纹被多次反射，引起识别问题。
本发明还可以通过改变平面镜的转速和左成像装置、右成像装置及其数据采集卡的图像采集速度，来改变空间三维面形的采样精度和采集速度。
本发明集成了面阵投影技术、双目主动视觉技术和同步扫描三维成像技术，减小了由被测物体表面凹凸引起的前后遮挡问题对成像系统的影响，提高了计算机对变形后的结构光条纹识别和区分的能力，只需采用普通的成像装置，系统机构简单、紧凑、体积小、成本低，成像视角大，应用范围广，且系统的三维采样精度和成像效率大幅提高。
图1为本发明的基本原理示意图。
图2为本发明在平面镜与X轴成某个θ角时的三维成像过程图。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施实例作进一步的详细描述。
如图1所示，为本发明的基本原理图，面阵投影装置3在左成像装置1、右成像装置2中间，它们的正前方安装一块平面镜4。本发明中的左成像装置1、右成像装置2采用的是现有任意一种二维面阵成像技术，例如二维CCD摄像机等通用成像装置；面阵投影装置3的投影方式采用现有任意一种带有编码信息的二维面阵投影结构光技术，例如光栅投影、傅立叶投影、彩色结构光投影等。当采用傅立叶投影方式时，可同时集成相位法和三角法来计算空间三维数据。在三维成像的景深范围内，面阵投影装置3发出的结构光条纹覆盖左成像装置1、右成像装置2的接收光路交汇而成的有效视场，且垂直于OXZ平面。
平面镜4可根据需要，依据投影结构光波长的不同，在其表面涂上相应的增透膜，避免结构光被多次反射，引起识别问题。平面镜4由电机5控制其旋转方向、速度、角度，其反射面通过电机5的旋转轴线。电机5采用的是步进电机、带减速箱的步进电机或带减速箱的同步电机，由其驱动器6控制。电机驱动器6与其相应的电机配套，是步进电机驱动器或同步电机驱动器，并与计算机的输入/输出控制单元相连接。投影装置驱动器8控制面阵投影装置3，也与计算机的输入/输出控制单元相连接。
本发明通过成像装置垂直扫描外同步器7发出外同步信息控制左成像装置1、右成像装置2两者同步成像。
为了使本发明在OXY坐标系下获得较大的视场，左成像装置1、右成像装置2在安装时，将左成像装置1、右成像装置2本身视场角较大的一面安装OXY坐标系下，视场角较小的一面安装在OXZ坐标系下，故本发明特别适合对外形轮廓基于拱形状的物体进行三维成像。
当左成像装置1、右成像装置2摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，两幅二维图像中结构光条纹的灰度值高于背景的灰度值时，先通过取一个初阈值将结构光条纹从背景中区分出来，然后用“冒泡法”找出同一条结构光条纹在X1轴或X2轴方向上的灰度值最高点为该条纹在X1轴或X2轴方向上的中心；对于在X1轴或X2轴方向上的连续几个灰度值相同的点，则取它们中间点为该条纹在在X1轴或X2轴方向上的中心；以依次提取了每条结构光条纹的中心线。
如图2所示，是本发明在平面镜4与X轴成某个θ角时的三维成像过程。首先在左成像装置1、右成像装置2摄取的两幅图像中，建立同一个物点P对应的两个像点间的映射关系，物点P是在被测物体表面的变形结构光条纹的中心线上；再利用三角关系，求解出物点P在平面镜中的像点P’的三维坐标值；然后，利用镜像关系，通过像点P’的三维坐标值来求解物点P的三维坐标值；进而，获取在此θ角下，成像系统有效视场中的结构光条纹中心线上各点的三维数据。旋转平面镜4，以同时改变投影光路和接收光路的方式，扫描被测物体的不同位置，依次获取不同θ角时，被测物体表面不同位置的三维数据，累积这些三维数据，来实现大视角三维成像。其中，左成像装置1、右成像装置2的内、外参数由系统标定预先完成。
通过改变电机5的转速来控制平面镜4的旋转速度，而当平面镜4的转速不同时，可以获得不同三维面形的空间采样精度和采集速度。同样，可以通过改变左成像装置1、右成像装置2及其数据采集卡的图像采集速度来获得不同空间三维面形的采样精度和采集速度。
当面阵投影装置3向被测物体投影30条结构光条纹，平面镜4旋转10秒钟，左成像装置1、右成像装置2及其数据采集卡的图像采集速度为每秒25帧时，则本发明的空间采样解析度为7500条，与同等条件下采用5条多激光片投影的单目同步扫描三维成像装置相比，本发明的成像效率和采样精度是其6倍，同时大幅降低了被测物体表面凹凸引起的前后遮挡对成像系统的影响，且计算机容易识别和区分变形后的结构光条纹。
权利要求
1.一种基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征在于，采用的是面阵投影同步扫描的方式，在三维成像的景深范围内，面阵投影装置发出带有编码信息的结构光条纹经旋转平面镜反射覆盖左成像装置、右成像装置经旋转平面镜反射的接收光路交汇而成的有效视场，且投影在被测物体上的每条结构光条纹经旋转平面镜反射，左成像装置、右成像装置成像和数据采集卡采集后能够被计算机识别和区分；利用三角计算，累积三维成像。
2.根据权利要求1所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，包括如下步骤1)在平面镜与X轴成θ角时，面阵投影装置通过平面镜的反射，将编码后的结构光条纹投影到被测物体上；同时，左成像装置、右成像装置通过平面镜的反射，分别从两个不同的视角同时摄取投影在被测物体表面上的变形条纹；2)左成像装置、右成像装置摄取两幅图像经数据采集卡采集到计算机，通过建立两幅二维图像上变形条纹中心线上各点的对应关系，利用三角计算，先获取空间物点P在平面镜中的像点P’的三维坐标值，再通过镜像关系，来获取物点P的三维坐标值，从而求解出在这一视场范围内的变形条纹中心线上各点对应的三维坐标值；3)旋转平面镜，改变投影光路和接收光路来实现对被测物体表面的扫描；4)重复1)、2)、3)的步骤，累积计算来实现大视角三维成像。
3.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，当左成像装置、右成像装置摄取的图像经数据采集卡采集到计算机，两幅二维图像中结构光条纹的灰度值高于背景的灰度值时，先通过取一个初阈值将结构光条纹从背景中区分出来，然后用“冒泡法”找出同一条结构光条纹在X1轴或X2轴方向上的灰度值最高点为该条纹在X1轴或X2轴方向上的中心；对于在X1轴或X2轴方向上的连续几个灰度值相同的点，则取它们中间点为该条纹在在X1轴或X2轴方向上的中心；以此依次提取每条结构光条纹的中心线。
4.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，通过改变左成像装置、右成像装置及其数据采集卡的图像采集速度，以改变空间三维面形的采样精度和采集速度。
5.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，电机采用的是步进电机、带减速箱的步进电机或带减速箱的同步电机，由其配套的驱动器控制，驱动器连接到计算机的输入/输出控制单元。
6.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，通过成像装置垂直扫描外同步器发出外同步信息控制左成像装置、右成像装置两者同步成像。
7.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，面阵投影装置由投影装置驱动器控制，投影装置驱动器连接计算机的输入/输出控制单元。
8.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，平面镜由电机控制旋转，平面镜的反射面通过电机旋转中心轴线。
9.根据权利要求1或者2所述的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，其特征是，或者在平面镜的表面涂上增透膜，避免结构光条纹被多次反射，引起识别问题。
全文摘要
一种光学技术领域的基于面阵投影的同步扫描双目视觉三维成像的方法，采用的是面阵投影同步扫描的方式，在三维成像的景深范围内，面阵投影装置发出带有编码信息的结构光条纹经旋转平面镜反射覆盖左成像装置、右成像装置经旋转平面镜反射的接收光路交汇而成的有效视场，且投影在被测物体上的每条结构光条纹经旋转平面镜反射，左成像装置、右成像装置成像和数据采集卡采集后能够被计算机识别和区分；利用三角计算，累积三维成像。本发明通过同时改变面阵投影装置的投影光路和两个成像装置的接收光路，实现对被测物体的大视角成像，可用于设计和制造高性能、低成本、占用空间小的大视角三维面形传感器。
文档编号G06T17/00GK1737642SQ200510029290
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月1日 优先权日2005年9月1日
发明者陈亚珠, 程胜, 郝丽俊, 张素 申请人:上海交通大学