CN102495520A - 自会聚式多视点三维数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维图像采集技术领域，涉及一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。本发明同时提供一种上述利用系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法。本发明能够获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，实现同步会聚的三维数据采集。

Description

自会聚式多视点三维数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于三维图像采集技术领域，具体涉及一种会聚式多视点三维数据采集系统。 

背景技术

自由立体显示是目前最主要的立体显示方式之一，它利用人两眼观看具有视差的平面图像后在大脑中形成具有纵深感的立体图像。具有视差的图像可以利用多个相机拍摄实际的三维场景得到。相机阵列的摆放方式分为会聚相机阵列法和平行相阵列法两种。平行相机阵列法的各相机光轴互相平行，物平面重合，整个三维场景都只有负水平视差没有正水平视差，在自由立体显示器上得到只有凸出屏幕外，没有凹进屏幕里的三维场景的再现显示效果，这与观看者观看实际三维场景的纵深视觉习惯不一致，因此平行相机阵列法获取的视差图像不能实现三维场景的真实再现。会聚相机阵列法获取的视差图像具有正、负水平视差，在自由立体显示器可得到既有凸出屏幕外，又有凹进屏幕里的三维场景的逼真再现显示效果。 

传统会聚式多视点三维数据采集系统只能实现固定焦距对目标进行观测和拍摄，拍摄有很大的局限性。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，解决传统会聚式多视点三维数据采集系统只能实现固定焦距对目标进行观测和拍摄的问题，提供一种能够获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，实现同步会聚的三维数据采集系统。为此，本发明采用如下的技术方案： 

一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，其特征在于，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。 

作为优选实施方式，上述的自会聚式多视点三维数据采集系统，主相机和各个从相机均匀分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。 

本发明同时提供一种采用所述的系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法，包括下列步骤： 

(1)根据观测目标布置主相机及从相机的位置，并使主相机正对观测目标； 

(2)用激光测距装置测量主相机镜头到观测目标间的距离； 

(3)根据激光测距装置测量得到的距离，计算各个从相机的云台的转动角度和每个相机的焦距变化； 

(4)通过电机控制各个从相机的云台转动角度，实现多相机的会聚； 

(5)控制每个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步； 

(6)进行三维数据的多视点采集。 

作为优选实施方式，本发明根据主相机镜头与观测目标之间的距离，预先设定从相机云台旋转和相机焦距调节的距离阈值，低于该距离阈值的距离变化时，不触发多相机的会聚和焦距的同步；主相机和各个从相机均匀分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处，而且，设相邻两相机的距离为D，某 个从相机与主相机间间隔的相机个数为n，其中n＝0，1，2，3，…，该从相机在进行当前的调整前已经经过会聚调整，正对之前的观测目标，则当主相机镜头与观测目标的距离从L₁调整到L₂时，该从相机调整到正对观测目标的云台转动角度 

现存的多视点三维数据采集系统大多采用平行摄像阵列法，获取的视差图像只有负水平视差，没有正水平视差，在自由立体显示器上得到只有凸出屏幕外，没有凹进屏幕里的三维场景的再现显示效果。而有些多视点三维数据采集系统采用会聚摄像阵列法，只能采用固定焦距对目标进行数据采集，不能实现对运动目标连续拍摄。而本发明的自会聚多视点三维数据采集系统，不仅能获得三维场景的逼真再现显示效果的视差图像，而且能实现多视点对运动目标进行搜索和观察的三维数据采集，设计合理且清晰，操作简单，反应迅速且灵敏，实时性强，精确度更高。具体而言，本发明具有如下的技术效果： 

1.利用激光测距装置测物距，并能实时显示物距参数； 

2.多相机云台可根据物距的改变而改变，可以手动选择云台的转动形式； 

3.多相机镜头可根据调焦方式随物距自动调焦，同时能实现手动定焦； 

4.采用控制盒进行转动方式、调焦方式和手动定焦的控制； 

5.实时记载会聚点距离信息； 

6.各个相机采用弧形阵列，易于实现半径选择以及转动角度确定。 

附图说明

图1本发明的会聚式多视点三维数据采集系统的总结构框图。 

图2本发明原理介绍用图； 

图3本发明的支架设计； 

图4本发明的控制盒面板设计和信号走向示意图； 

图5本发明主控制器的会聚控制模块工作原理图； 

图6本发明主控制器的焦距控制模块工作原理图。 

具体实施方式

本发明的会聚采集系统的结构示意图如图1所示。由激光测距装置实现主相机与观测目标之间的距离检测，距离信号被送入主控制器，并通过LED实时显示距离信息，主控制器主要通过单片机及其外围器件实现。主控制器根据距离信号计算出从相机云台转动的角度和相机焦距变化，继而驱动从相机云台步进电机和相机电动镜头的镜头控制电路，实现从相机的会聚和多相机的焦距调节。本实施例中，从相机有8个，图中只是画出了2个。本发明的会聚采集系统，如果想实现更好的会聚，需要保持各个相机的高精度同步。在多相机拍摄中，相机之间的同步也非常重要，一般希望达到0.2ms左右，这样能适应10m/s的运动速度。根据选用的相机的特点，通过外置同步信号发生器将特定的同步信号送入相机的外同步输入端做到多相机之间的精确同步，进行相机的同步控制，误差不超过125us，基本满足视频的要求。 

下面首先介绍该发明中自动会聚实现的原理： 

自由立体显示是利用人两眼观看具有视差的平面图像后在大脑中形成具有纵深感的立体图像，所以利用多个相机拍摄实际的三维场景时，相邻相机间的间距D差不多为7cm，而拍摄的场景与相机的距离L通常超过2m。 

如图2，当所拍的场景范围为距离相机2～10米，相机均匀分布在半径为L的圆弧上，则可以计算出图2中最远的两个相机间在Y方向上的距离d，设最远两个相机与场景中心构成的角度为θ，则 

其中 

为相邻两个相机间的夹角。 

经过计算，可以得出： 

$d=8\frac{D^2}{L},$ $\∂=\frac{D}{L},$ $\mathrm{\θ}=\frac{4D}{L},$

下表为d、θ、 

与不同L的对应值。 

d、θ、 

与L对应值 

所以两个相机间弧形对应的圆心角很小，当L不断变大时，两个相机间弧形变化越来越小，两个相机间弧形变成直线，所以在某种程度上说，在自会聚式多视点三维数据采集系统的设计过程中支架不需要随着拍摄场景的变化而发生变化。 

①支架的设计 

考虑到误差的允许范围，当拍摄距离为2m≤L≤10m时，d相对L太小，这时可以搭一个如图3所示半径为5m的弧形阵列，这时可以认为所有相机到观测目标的距离近似相等。 

当没有拍摄任务时，从相机的光轴与主相机的光轴平行。拍摄时，人工控制整个装置使得主相机永远正对观测目标，主相机的电动云台无需改变方向，从相机需要改变方向使得多相机会聚，从相机在主相机左右对称分布。设相邻两相机的距离为D，从相机与主相机间间隔的相机个数为n，其中n＝0，1，2，3，当从相机在调整前已经正对观测目标，则当主相机镜头与观测目标的距离从L₁调整到L₂时，从相机调整到正对观测目标的云台转动角度为 

具体到本实施例，由于从相机是对称分布的，所以在这里只讨论右边的相机角度考虑，如图3所示， 设右边从相机逆时针旋转的角度分别θ₁、θ₂、θ₃、θ₄(为了便于计算，以下角度均采用弧度制)，同理，左边从相机顺时针旋转的角度分别θ₁、θ₂、θ₃、θ₄。 

由图3可以做如下计算： 

∴相邻相机所在点之间的弧长约为D 

∴ ${\mathrm{\θ}}_1=\frac{D}{L},$ ${\mathrm{\θ}}_2=\frac{2D}{L},$ ${\mathrm{\θ}}_3=\frac{3D}{L},$ ${\mathrm{\θ}}_4=\frac{4D}{L}$

根据以上原理，该发明设计了半径为5m的弧形支架，主相机在支架的正中央，从相机均匀分布在主相机两边，每个相机间间距为0.07m，激光测距仪与主相机捆绑，可以通过激光测距仪测出主相机与目标间的距离L。 

②激光测距装置 

采用激光测距装置测量主相机镜头至观测目标的距离，激光测距装置包括激光发生器、激光接收器和距离计算模块，测量范围能达到0.05m-200m，测量误差不超过1.5mm。并且将距离信息通过串口输出至控制盒，同时通过LED实时显示距离信息； 

③主控制器 

主控制器置于控制盒内，控制盒还包含距离信息的输入端口、多数据的输出端口及面板。通过距离信息的输入端将激光测距仪测出的距离信息输入主控制器。主控制器内运行的程序主要包括会聚控制模块和焦距控制模块。从相机云台转动方式及调焦方式通过控制盒面板上的选择按钮和信号发生器，转动方式可分为连续转动和步进转动两种：当选择连续转动时，会聚控制模块根据距离信息计算各个从相机的云台的转动角度，并通过步进电机调整云台转动，使各个从相机正对观测目标，实现从相机的会聚；当选择步进转动时，可进一步选择步进的精度，分为0.5m、1m、2m，即只有当目标与相机镜头距离改变超过0.5m、1m或2m(0.5m、1m、2m分别为根据距离远近设定的三个档位，当相机与观测目标之间距离较远时，选择较大的档位，这里的档位，可以看作是步进模式下的距离阈值)时，主控制器才会通过步进电机调整云台转动，使各个从相机正对观测目标，实现从相机的会聚。调焦方式可分为连续调焦和步进调焦两种：当选择连续调焦时，焦距控制模块根据距离信息计算各个从相机的焦距变化，并向各个镜头控制电路发送控制信号，实现调焦；当选择步进调焦时，可进一步选择步进的精度，分为0.5m、1m、2m三个档位，同样地，只有当目标与相机的镜头距离改变超过0.5、1m或2m时，焦距控制模块才向各个镜头控制电路发送控制信号，实现调焦。手动定焦模块包含控制盒面板上的手动定焦启动按钮、焦距选择旋转器和焦距输出，按下手动定焦启动按钮，调焦方式模块瞬间失效，可以通过焦距选择旋转器选择合适的焦距，并将焦距输入焦距控制模块。控制盒的面板结构示意图如图4。 

下面具体阐述会聚控制模块和焦距控制模块实施方式。 

会聚控制模块：从相机云台转动方式信号作为单片机的驱动信号，只有当该信号有输入时，单片机才能驱动云台步进电机工作。单片机在每次步进电机转动完后，都自动记忆相机镜头偏离主相机光轴方向的角度以及距离信息L₁，当新距离信息L₂输入时，单片机原先偏离的角度计算所需要转动的方向和角度， 仍然以右边四个相机为例，从左到右转动的角度分别为 

其中计算出来的正负代表转动方向，当值为正(负)时，转动方向为逆(顺)时针方向，计算的值的绝对值为转动的角度，根据对称性，可知左边四个相机刚好与右边四个相机情况相反。根据计算出的转动角度和方向，实现单片机控制电动云台步进电机。具体实现过程如图5。会聚控制模块实现了从相机云台的步进和连续控制，使相机实现自会聚。 

焦距控制模块：调焦方式信号作为单片机的驱动信号，只有当该信号有输入时，单片机才能根据输入的距离信息计算焦距，当该信号无输入时，单片机输出的焦距始终不改变。当控制盒上手动定焦按钮启动后，调焦方式信号失效，输出手动选择的合适的焦距。单片机计算出的焦距信息分别分配给9个相机镜头的镜头控制电路，镜头控制电路输出控制镜头所需的控制电压，调整镜头的焦距，使得所有相机镜头聚焦同步。通过镜头控制模块既可以实现多相机镜头同步连续和步进调焦，又可以实现手动定焦。具体示意图如图6所示。 

本实施例采用数据高速传输方式，硬件配置如下：采用1024*768*30fps，YUV422输出，这相当于每相机45MB/s的数据量传输，9台相机同时传输将占用405MB/s的带宽，根据所选择相机的特点采用1394接口进行采集传输。1394总线最大的数据宽带为100MB/s，每相机45MB/s的数据量传输，相当于一块总线卡即可连接2台相机，考虑硬盘存储的速率，一台服务器最多可接三块总线卡，所以需要两台服务器进行存储。在数据存储上，通过新的硬盘技术，可以实现1台PC直接记录多台相机的数据。本实施例采用RAID硬盘阵列和与相机配套的多相机记录软件，以保证无丢帧同步记录。该存储软件除记录数据以外，还能统计所有存储时间、传输数据、丢帧情况。 

Claims (6)

1.一种自会聚式多视点三维数据采集系统，包括主相机、从相机、激光测距装置、主控制器，其中，所述的激光测距装置用于测量主相机与观测目标之间的距离，其输出的距离信号被送入主控制器，主控制器根据该距离信号通过电机控制各个从相机的云台的转动角度，实现多相机的会聚；并且根据该距离信号通过镜头控制电路控制各个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步。

2.根据权利要求1所述的自会聚式多视点三维数据采集系统，其特征在于，主相机和各个从相机均匀分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。

3.一种采用权利要求1所述的系统实现的自会聚式多视点三维数据采集方法，包括下列步骤：

(1)根据观测目标布置主相机及从相机的位置，并使主相机正对观测目标；

(2)用激光测距装置测量主相机镜头到观测目标间的距离；

(3)根据激光测距装置测量得到的距离，计算各个从相机的云台的转动角度和每个相机的焦距变化；

(4)通过电机控制各个从相机的云台转动角度，实现多相机的会聚；

(5)控制每个相机镜头焦距的变化，实现多相机焦距的同步；

(6)进行三维数据的多视点采集。

4.根据权利要求3所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，根据主相机镜头与观测目标之间的距离，预先设定从相机云台旋转和相机焦距调节的距离阈值，低于该距离阈值的距离变化时，不触发多相机的会聚和焦距的同步。

5.根据权利要求3所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，主相机和各个从相机均匀分布在一个弧形支架上，主相机位于弧形支架的中点处。

6.根据权利要求5所述的自会聚式多视点三维数据采集方法，其特征在于，设相邻两相机的距离为D，某个从相机与主相机间间隔的相机个数为n，其中n＝0，1，2，3，…，该从相机在进行当前的调整前已经经过会聚调整，正对之前的观测目标，则当主相机镜头与观测目标的距离从L₁调整到L₂时，该从相机调整到正对观测目标的云台转动角度

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