CN101923730B - 基于鱼眼相机和多平面镜装置的三维重建方法 - Google Patents
基于鱼眼相机和多平面镜装置的三维重建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种物体三维模型的重建方法，该重建方法基于一台鱼眼相机和多个平面镜装置。将鱼眼镜头和平面镜结合起来，充分利用鱼眼镜头的广角优势，对放置于平面镜夹角范围内的物体做多视角数据的采集，然后将得到的图片数据二值化，提取不同视点物体轮廓线，根据图像中的特征点标定鱼眼相机，计算真实相机和虚拟相机的参数，然后利用物体轮廓线和相机参数对物体进行多视角的三维重建。利用本发明提供的方法，只需一张图片就可以获得物体不同视点的全部信息，而且每台相机在空间位置上服从规律的几何分布，很大程度上降低了相机参数的标定误差，从而大大提高了模型三维重建的精度。
Description
技术领域
本发明提出了一种新的三维重建方法，主要是针对物体进行快速、准确地三维模型重建。
背景技术
三维重建技术是计算机视觉和计算机图形学一直以来研究的热门方向之一，它研究如何通过物体的二维信息来获取物体在空间中的三维信息。精准的三维模型在计算机动画、医学图像处理、科学计算和虚拟现实、数字媒体创作等诸多领域发挥很大的作用。在计算机内生成可视的立体模型主要有以下几种方法：一、直接获取物体表面信息。使用三维扫描仪逐片扫描物体，直接获取物体空间点云，然后将点云连接成三角面片，获取高精度的三维模型。二、根据光度立体视觉的方法重建三维模型。固定相机的位置，拍摄不同光照场景的多幅图片，迭代求出物体表面的法向量，进而恢复物体的三维形状。三、多视角立体视觉的方法。从多个角度对物体拍照，然后将照片数据二值化，通过物体的轮廓线恢复物体形状。以上列举的三种方法是获取三维模型的主流方法，经过多年的发展完善，已经能够获取精度很高的三维模型。
以上提到的获得三维模型的几种方法中，使用三维扫描仪获取物体的三维形状，造价昂贵，不易操作；光度立体视觉的方法中，虽然可以通过优化算法获得准确的法向，但是这些算法中始终存在着模糊，需要额外的约束或者人为操作，而且最终从法向量恢复得到形状也面临着诸多问题；传统的多视角立体重建方法需要物体在不同角度的照片，这就给数据的匹配带来了不小的困难，而最终得不到高精度的三维模型。
发明内容
本发明的目的是在尽量使用少量照片的前提下，提供一种易于操作、自动化程度高、三维重建精度高的方法。
为了实现这一目的，本发明将鱼眼镜头和平面镜结合起来，充分利用鱼眼镜头的广角优势，对放置于平面镜夹角范围内的物体做多视角数据的采集。将得到的图片数据二值化，提取不同视点物体轮廓线，根据图像中的特征点标定鱼眼相机，计算真实相机和虚拟相机的参数，然后利用物体轮廓线和相机参数对物体进行多视角的三维重建。
本发明的详细技术方案如下：
-该方法基于一台鱼眼相机和多个平面镜装置；所述多平面镜装置由三面平面镜组成；
各平面镜的镜面向里按照三棱锥形状摆放；
-具体实现步骤如下(流程参见图1)：
1)图像数据采集：使用装有鱼眼镜头的相机拍摄平面镜范围内的物体，提取对应点，计算平面镜之间的夹角；所述平面镜的数量为三面；各平面镜的镜面向里按照三棱锥形状摆放；
2)图像数据处理：将图像二值化，把图像中的前景和背景分离，然后提取物体轮廓线；
3)相机标定：真实相机和虚拟相机之间有如下几何关系：
X2+Y2+Z2＝R2
4)其中，(X，Y，Z)是真实相机和虚拟相机光心的世界坐标，R为正数，是光心到镜面交线的距离，亦即全局比例因子。由于所有场景中只有唯一一台真实相机，所以每台相机的内参数都相同，亦即真实相机的内参数，同时利用以上公式体现的真实相机和虚拟相机之间的关系，就可以方便地获取每台相机的外参数，记录每台相机的内外参数；获得新的三维模型：应用Visual Hull的三维重建方法重建物体的三维模型。
本发明的有益效果：本方法由于使用了鱼眼镜头和平面镜，只需要一张图片就可以获得物体不同视点的全部信息，而且每台相机在空间位置上服从规律的几何分布，很大程度上降低了相机参数的标定误差，从而大大提高了模型三维重建的精度。
附图说明
图1为本发明的系统流程图；
图2为本发明的装置结构示意图；
图3为实施例中的数据样图；
图4为初步的实验结果。
具体实施方案
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细说明。
由图1的系统流程图可以看出系统的整个处理过程由二个阶段组成：图像预处理、三维模型重建。
1、图像预处理
该阶段包括图像数据的采集，物体轮廓的提取二个步骤。
图2为图像采集装置结构示意图，此装置由三块平面镜和上方的鱼眼相机构成。将物体置于三块平面镜围成的三角形区域中，用相机从上方向下拍摄，使尽量多的像落入拍摄视野中拍摄照片。图3为拍摄图片的样图。
将采集到的图片进行处理，抠出图片中的物体，得到物体在每个视点下的轮廓线，然后将轮廓线进行分组标记。
2、三维模型重建
此阶段由虚拟相机的标定和三维形体重建二个步骤组成。
利用1阶段中提取的物体轮廓线，提取轮廓线上特征点计算镜面之间的夹角，然后利用这个几何约束，标定虚拟相机的外参数。
根据标定的相机参数和物体轮廓线重建物体的三维模型。图4是只使用少数几个轮廓线恢复的三维模型。
使用此方法可以仅用一张图片就可以获得物体多个视角的几何信息，经过简单的二值化后得到物体的轮廓线，就可以通过轮廓线上的特征点计算出图像内在的几何约束，准确的计算出虚拟相机的参数，再结合物体的投影轮廓线恢复三维形体，就可以得到高精度的三维模型。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (1)
1.一种物体三维模型的重建方法，其特征在于，该方法基于一台鱼眼相机和多个平面镜装置；实现方法包括如下步骤：
1)图像数据采集；
2)图像数据处理；
3)相机标定；
4)获得新的三维模型；
所述多个平面镜装置由三面平面镜组成；各平面镜的镜面向里按照三棱锥形状摆放；
所述步骤1)的实现方法为：使用一台装有鱼眼镜头的相机拍摄平面镜范围内的物体，提取对应点，计算平面镜之间的夹角；
所述步骤2)的实现方法为：将图像二值化，把图像中的前景和背景分离，然后提取物体轮廓线；
所述步骤3)的实现方法为：
真实相机和虚拟相机之间有如下几何关系：
X2+Y2+Z2＝R2
其中，(X，Y，Z)是真实相机和虚拟相机光心的世界坐标；R为正数，是光心到镜面交线的距离；每台相机的内参数都等于真实相机的内参数，利用上面公式求出每台相机的外参数；记录每台相机的内外参数；
所述步骤4)的实现方法为：应用Visual Hull的三维重建方法重建物体的三维模型。
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