CN100456327C - 三维图像采集系统 - Google Patents

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Abstract

一种三维图像采集系统，包括图像采集装置和照明设备，所述的图像采集装置和照明设备之间的距离固定，照明设备的发光与图像采集装置的快门同步，采集照明设备的不同光线入射角度的多幅图像。本发明装置可简便、清晰地再现在不同光照角度下物体的多幅数字化图像的集合。

Description

三维图像采集系统
技术领域
本发明涉及图像采集，特别涉及一种获取物体在不同光线角度下的三维图像采集系统。
背景技术
早在上世纪八十年代，J.WOODHAM提出了用光度立体学原理，利用物体在同一位置、不同光线入射角度(三个光线方向不共面)的三幅图像，在正投影的条件下，可以计算出连续表面物体的表面法向量。根据已知的表面法向量，我们可以计算出物体的三维表面(Robert J.Woodham，“Photometric method for determining surface orientation form multipleimages”，OPTICAL ENGINEERING，VOL.19，NO.1，1980)。
然而，到目前为止还没有一个专门的硬件设备，来完成物体在不同光线角度下图像的采集。这使光度立体学原理应用受到了极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用采集设备采集某一目标在同一位置不同光线方向下的多幅图像，实现对连续表面物体的三维重建。
为实现上述目的，一种三维图像采集系统，包括图像采集装置和多个照明设备，其特征在于所述的图像采集装置和照明设备之间的距离固定，各个照明设备轮流启动，照明设备的发光与图像采集装置的快门同步，采集照明设备的不同光线入射角度的多幅图像，根据所获取图像计算物体表面反射率和表面法向量，照明设备光线入射方向与镜头的夹角小于30度。
本发明装置可简便、清晰地再现在不同光照角度下物体的多幅数字化图像的集合。
附图说明
图1是本发明系统结构正面图；
图2是光线方向的定义；
图3是本发明系统侧面图。
具体实施方式
首先讨论光度立体学原理。
设物体表面一点Pi的法向量为ni＝(nx，ny，nz)T，且ni为单位向量，即||n||＝1；设光源为点光源，方向为s＝(sx，sy，sz)T，由Lambert模型可知，Pi点的灰度为：
Ii＝ρi(x，y)ni(x，y)Ts，i＝1，2，…，k
其中ρi为物体在Pi点的反射率，k为物体所包含的像素点数。
设已知三个不共面的点光源为S＝[s1，s2，s3]，它们分别产生的图像I1，I2，I3，
I＝[I1，I2，I3]＝ρNTS，
其中I为n×3的矩阵，由物体的像素点组成；ρ为n×1的向量，由物体各像素点的反射率组成；NT为n×3的向量，由物体各像素点的法向量组成；S为3×3的矩阵，由已知三个光源方向组成。
由于N的每一行均为单位向量，所以物体的表面反射率为
ρ＝||ρNT||＝||IS-1||，其中||·||为取模。
已知物体每一像素点的ρ，则其每一点的表面法向量为
n i T = I i S - 1 ρ i , i＝1，2，…，n；
其中Ii为I的第i行。
已知物体的表面法向量，就可以计算出物体的相对高度，即物体的三维形状。
如图1所示，以数码相机或数码摄像机为图像采集设备，采集装置的镜头中心轴为光轴。以闪光灯或灯泡为照明设备，多个照明设备分布在光轴的四周，且照明装置位于镜头的后部，在镜头位置的中心与各个闪光灯或灯泡位置的中心之间最大的距离的4倍小于镜头与被摄物体之间的距离，如图3所示。照明设备与图像采集设备之间的位置是固定的，在采集图像之前，可以调节照明设备，使入射光线与光轴夹角小于30度，见图2。采集图像时，各个照明设备轮流启动，图像采集设备同步的采集每一光照角度下的图像。就是说，各个闪光灯或灯泡与数码相机或数码摄像机的快门同步，即每次快门开启时只有一个闪光灯或灯泡发光。

Claims (5)

1.一种三维图像采集系统，包括图像采集装置和多个照明设备，其特征在于所述的图像采集装置和照明设备之间的距离固定，各个照明设备轮流启动，照明设备的发光与图像采集装置的快门同步，采集照明设备的不同光线入射角度的多幅图像，根据所获取图像计算物体表面反射率和表面法向量，照明设备光线入射方向与镜头的夹角小于30度。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述图像采集装置的镜头中心与各个照明设备的中心之间最大距离的4倍小于镜头与被摄物体之间的距离。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述图像采集装置的快门每次开启时只有一个照明设备发光。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述图像采集装置是数码相机或数码摄像机。
5.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述照明设备是闪光灯或灯泡。
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