CN101281023A - 一种获取三维目标外形的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取三维目标外形的方法和系统。其中，方法包括：将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上，拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；将所述结构光投影到三维目标上，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像；分别对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，根据二个图像中解码出的相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息确定三维目标的外形。本发明中的技术方案，无需进行标定和图像匹配过程，通过较简单的方法实现了三维目标的外形获取。

Description

一种获取三维目标外形的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种获取三维目标外形的方法及系统。

背景技术

在计算机视觉、机器人学以及计算机图形学等领域中，通常需要获取三维目标的外形等信息，以便将物体在计算机中进行真实的三维重建。

目前获取三维目标外形的方法主要有接触式方法和非接触式方法。在接触式方法中，通常借助于传感器逐点探测测量物体，然后通过对逐点测量结果的彼此连接，确定物体的三维外形。但该方法中由于必须要机械地接触被测物体，因此会对形变物体的测量产生机械影响，此外，由于需要逐点测量，因此需要很长的测量时间。

非接触式方法由于无需接触被测物体，因此应用的灵活性较高。目前的非接触式方法主要包括光学方法和激光扫描法。激光扫描法由于其激光扫描设备一般比较昂贵，因此无法得到普及。光学方法中目前较通用的方法为基于双目视觉的方法，如图1所示，图1为现有技术中基于双目视觉获取三维目标外形的方法示意图。该方法基于人的双目视觉原理，从两个不同的角度对三维目标(如图中的花枝)进行拍摄，根据拍摄的图像中的像素点坐标、以及相机的内部参数及其在空间坐标系中的位置和方向信息，计算出三维目标对应点的空间坐标，从而得到三维目标各部分的空间位置信息，进而得到三维目标的外形。

但该方法中，首先需要对从不同角度进行拍摄的两个相机进行标定，以确定相机的内部参数(如焦距和主点位置)和其在空间坐标系中的位置和方向信息；然后对拍摄的图像进行图像匹配(Image Matching)，以识别出图像中对应三维目标某一点的同名像素点的坐标，以图中花枝的一个空间三维点M为例，假设C_r和C_l为两个相机的位置，m_r和m_l是M点在两个相机上的成像点，则对应M点需要找到m_r和m_l两个像素点的图像坐标，再根据这两个像素点的坐标及相机的标定信息计算出M点的空间坐标。然而上述过程中的标定和图像匹配都是非常复杂且实现困难的过程，且现有技术中尚没有一种较好的实现方法。

发明内容

有鉴于此，本发明中一方面提供一种获取三维目标外形的方法，另一方面提供一种获取三维目标外形的系统，无需进行标定和图像匹配过程，实现较简单。

本发明所提供的获取三维目标外形的方法，包括：

将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上，拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；

将所述结构光投影到三维目标上，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像；

分别对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，根据所述标准图像和所述变形图像中解码出的相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

较佳地，所述将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上为：由投影设备在预设的投影方向上将所述结构光投影到预设平面区域上；

所述将结构光投影到三维目标上为：由所述投影设备在所述投影方向上将所述结构光投影到三维目标上；

所述拍摄平面区域上的结构光为：由照相设备在偏离所述投影方向的照相方向上拍摄所述平面区域上的结构光；

所述拍摄三维目标上的结构光为：由照相设备在所述照相方向上拍摄所述三维目标上的结构光。

较佳地，所述投影方向为：垂直所述平面区域的方向。

较佳地，所述根据空间位置信息得到三维目标的外形之前，进一步包括：根据所述照相方向对应的角度信息对所述三维目标各部分的空间位置信息进行校正。

本发明所提供的获取三维目标外形的系统，包括：

平面设备，用于提供预设的平面区域；

投影设备，用于将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上；

照相设备，用于拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；和，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像；

解码设备，用于对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，分别得到所述标准图像和所述变形图像的解码光线；

外形确定设备，用于根据所述标准图像和所述变形图像的解码光线中相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

较佳地，所述投影设备按照预设的投影方向将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上；

所述照相设备按照偏离所述投影方向的照相方向拍摄所述平面区域上的结构光和所述三维目标上的结构光。

较佳地，所述外形确定设备根据所述照相方向对应的角度信息对所述三维目标各部分的空间位置信息进行校正后，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

从上述方案可以看出，本发明中通过将结构光分别投影到平面区域和三维目标上，并分别得到结构光的标准图像和变形图像，对标准图像和变形图像上的结构光进行解码，再对两图像中解码出的相同光线的位置进行比较，根据各光线的位置变化确定三维目标的外形，从而避免了标定和图像匹配过程，通过较简单的方法实现了三维目标的外形获取，降低了获取三维目标外形的复杂度。

附图说明

图1为现有技术中基于双目视觉获取三维目标外形的方法示意图；

图2为本发明实施例中获取三维目标外形的方法的示例性流程图；

图3为本发明实施例中得到的不存在变形光线的结构光的标准图像的示意图；

图4为本发明实施例中得到的存在变形光线的结构光的变形图像的示意图；

图5为本发明实施例中根据光线位置变化确定空间位置信息的示意图；

图6为采用本发明实施例中的方法后得到的三维图像的外形的示意图；

图7为本发明实施例中获取三维目标外形的系统的示例性结构图。

具体实施方式

本发明实施例中，为了避开图像匹配过程，利用结构光进行图像识别，结构光指经过编码后的若干编码光线，具体实现时，将编码光线投影到三维目标上面，从拍摄图像中对编码光线进行解码来识别结构光中每条光线的位置，从而解决了图像匹配问题。此外，为了避开标定过程，本发明实施例中，利用结构光的没有光线变形的标准图像与投影到三维目标上得到的结构光的变形图像进行比较，根据结构光的变形程度获取三维目标的外形。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明实施例中获取三维目标外形的方法的示例性流程图。如图2所示，该方法包括如下流程：

步骤201，将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上，拍摄该平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像。

本步骤中，可由某个平面设备提供该平面区域，较佳地，应使结构光投影到该平面区域后，结构光的成像能够使光线布满整个图像。本实施例中的平面设备可以为平板或影幕等。

步骤202，将上述同样的结构光投影到三维目标上，拍摄该三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像。

本实施例中，步骤201和步骤202中的投影可由投影设备按照预设的同一投影方向进行。较佳地，该投影方向可以为垂直于上述平面区域的方向。同样，步骤201和步骤202中的拍摄可由照相设备按照预设的偏离该投影方向的照相方法进行，以便得到变形明显的结构光的变形图像。具体实现时，步骤201和步骤202的先后顺序也可以不按照本实施例中的顺序，如可以先执行步骤202，再执行步骤201。

如图3和图4所示，图3为将结构光投影到平面区域后得到的不存在变形光线的结构光的标准图像，图4为将结构光投影到三维目标(图中的人体上半身)后得到的存在变形光线的结构光的变形图像。其中，为了与标准图像对比方便，可使三维目标位于所述平面区域的前方，如图4中所示的位置。

步骤203，分别对上述标准图像和变形图像中的结构光进行解码，根据两个图像中解码出的相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据确定的空间位置信息得到三维目标的外形。

本步骤中，通过对标准图像和变形图像中的结构光进行解码，可得到两个图像中结构光的各条光线分别是哪条光线，现有技术中可有多种结构光的编码方法及对应的解码方法，本发明中并不限定采用何种结构光的编码和解码，同样，结构光的编码和解码也可以采用未来的结构光编码和解码方法。

通过比较图3和图4可以看出，结构光中投影到平面区域的同一条光线在投影到三维目标上以后，其位置发生了变化，对于图3和图4中的线条形的结构光，对应的线条发生了扭曲变形，三维目标的深度(三维目标距离平面区域的距离)越大，线条的变形就越大，深度越小，线条的变形就越小，因此可根据同一条光线在两个图像中的位置变化来确定三维目标各部分的空间位置信息，并根据确定的空间位置信息得到三维目标的外形。

下面以三维目标外形上的一个点为例，对上述根据两个图像中解码出的相同光线在该点的位置变化确定三维目标该点的空间位置信息的过程进行详细描述。

如图5所示，图5为本发明实施例中根据光线位置变化确定空间位置信息的示意图。其中，假设A为平面区域的横截面直线，L为三维目标外形的一个横截面曲线，O为结构光的投影中心，OP_iP_r为结构光中的一条光线，该光线与三维目标的外形曲线交于点P_i，和平面区域交于点P_r。又假设投影中心O与平面区域的垂直距离为H，即图5中OP₀的长度为H，且假设OP_iP_r与OP₀的夹角为φ，则当已知结构光投影中心的焦距时，可以根据解码后的值计算出φ的取值。此外，假设C为照相中心，p_r是P_r在图像上的成像点，p_i是P_i在图像上的成像点，则对结构光进行解码后可以分别得到p_r和p_i的位置。

假设O和C在一条直线上，且该直线和平面区域A平行，并且已知照相设备的投影光轴与OC的夹角为θ，若记α_i为CP_i与OC的夹角，α_r为CP_r与OC的夹角。因为p_r和p_i的位置和θ的值都已知，那么当已知照相设备的焦距时，就可以计算出α_i和α_r的值。

则对应结构光中光线OP_iP_r的外形的空间位置信息，可以为P_i到平面区域的距离h，h＝P_iP_r cos(φ)。

其中，P_iP_r的值可通过求解下述方程组来得到。

P_iP_r+OP_i＝H/cos(φ)

$\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)=\frac{{\mathrm{CO}}^2+{\mathrm{CP}}_i^2-{\mathrm{OP}}_i^2}{2\mathrm{CO}.{\mathrm{CP}}_i}$

$\cos ({\mathrm{\α}}_r-{\mathrm{\α}}_i)=\frac{{\mathrm{CP}}_i^2+{\mathrm{CP}}_r^2-P_i{P}_r^2}{2.{\mathrm{CP}}_i{P}_r}$

上面方程中，CP_r＝H/sin(α_r)，因此未知数为：CP_i，P_iP_r和OP_i，通过求解上述三个方程可得到P_iP_r的取值。

得到所有点的空间位置信息后，对这些点进行逐点连接等处理可得到三维目标的外形。

此外，由于照相设备是偏离投影方向一定角度进行拍摄的，因此对于三维目标上同一深度的点来说，与标准图像相比，离照相设备越近，其上光线的位置变化越小，离照相设备越远，其上光线的位置变化越大。因此，本步骤中可根据照相设备的照相方向对应的角度信息对确定的三维目标各部分的空间位置信息进行校正，之后，再根据校正后的空间位置信息确定三维目标的外形。

图6为本步骤中根据图3和图4的结构光的光线变化，得到的三维图像的外形的示意图。

具体实现时，若需要不断的获取三维目标(状态在不断变化的同一个三维目标或不同的三维目标)的外形时，步骤201可只执行一次，即获取一次标准图像即可，而步骤202可分别执行多次，之后，对每次步骤202中获取的变形图像与标准图像进行比较，来确定当前三维目标的外形。

以上对本发明实施例中获取三维目标外形的方法进行了详细描述，下面再对本发明实施例中获取三维目标外形的系统进行详细描述。

图7为本发明实施例中获取三维目标外形的系统的示例性结构图。如图7所示，该系统包括：平面设备、编码设备、投影设备、照相设备、解码设备和外形确定设备。

其中，平面设备用于提供预设的平面区域。该平面设备可以为平板或影幕等。

投影设备用于将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上。在投影设备中，为了得到由编码光线构成的结构光，该设备中可包括按照结构光编码制作的光栅以及用于使光束通过该光栅得到结构光的光源。

照相设备用于拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；和，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像。

解码设备用于对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，分别得到所述标准图像和所述变形图像的解码光线。其中，结构光编码方法及对应的解码方法现有技术中可有多种，本发明中并不限定采用何种结构光编码和解码，同样，结构光的编码和解码也可以采用未来的结构光编码和解码方法。

外形确定设备用于对所述标准图像和所述变形图像的解码光线中相同光线的位置进行比较，根据各光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

具体实现时，投影设备可按照预设的投影方向将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上。照相设备按照偏离所述投影方向的照相方向拍摄所述平面区域上的结构光和所述三维目标上的结构光。述外形确定设备根据所述照相方向对应的角度信息对所述三维目标各部分的空间位置信息进行校正后，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种获取三维目标外形的方法，其特征在于，该方法包括：

将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上，拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；

将所述结构光投影到三维目标上，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像；

分别对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，根据所述标准图像和所述变形图像中解码出的相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将由编码光线构成的结构光投影到预设平面区域上为：由投影设备在预设的投影方向上将所述结构光投影到预设平面区域上；

所述将结构光投影到三维目标上为：由所述投影设备在所述投影方向上将所述结构光投影到三维目标上；

所述拍摄平面区域上的结构光为：由照相设备在偏离所述投影方向的照相方向上拍摄所述平面区域上的结构光；

所述拍摄三维目标上的结构光为：由照相设备在所述照相方向上拍摄所述三维目标上的结构光。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述投影方向为：垂直所述平面区域的方向。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据空间位置信息得到三维目标的外形之前，进一步包括：根据所述照相方向对应的角度信息对所述三维目标各部分的空间位置信息进行校正。

5、一种获取三维目标外形的系统，其特征在于，该系统包括：

平面设备，用于提供预设的平面区域；

投影设备，用于将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上；

照相设备，用于拍摄所述平面区域上的结构光，得到不存在变形光线的结构光的标准图像；和，拍摄所述三维目标上的结构光，得到存在变形光线的结构光的变形图像；

解码设备，用于对所述标准图像和所述变形图像中的结构光进行解码，分别得到所述标准图像和所述变形图像的解码光线；

外形确定设备，用于根据所述标准图像和所述变形图像的解码光线中相同光线的位置变化确定三维目标各部分的空间位置信息，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述投影设备按照预设的投影方向将由编码光线构成的结构光分别投影到所述平面区域上和三维目标上；

所述照相设备按照偏离所述投影方向的照相方向拍摄所述平面区域上的结构光和所述三维目标上的结构光。

7、如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述外形确定设备根据所述照相方向对应的角度信息对所述三维目标各部分的空间位置信息进行校正后，根据所述空间位置信息得到三维目标的外形。

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