CN102706289A

CN102706289A - 一种三维表面形状重建系统及其重建方法

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Publication number: CN102706289A
Application number: CN2012101963869A
Authority: CN
Inventors: 胡贵权
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种三维表面形状重建系统，包括分界光发生系统、成像系统、运动系统和计算机系统。其中分界光发生系统产生分界光用于照射被测物体，运动系统耦接至所述分界光发生系统和所述成像系统用于控制所述分界光发生系统和所述成像系统进行一致的相对运动，计算机系统耦接至所述成像系统和所述运动系统用于生成所述三维表面形状信息。该重建系统结构简单并实现了三维表面形状的重建。

Description

一种三维表面形状重建系统及其重建方法

技术领域

本发明涉及图像重建，具体涉及三维表面形状信息的图像重建。

背景技术

三维表面形状的测量可应用于多种场合，如地形测量、产品检验、鞋帽的定制等。三维表面形状的测量有多种方式，如具传感部件的柔性材料测量，超声测量，激光测量等。这些测量方式普遍具有装置复杂，控制困难和成本高等缺点中的一种或多种。

因此，在很多应用中，特别在一些适合便携设备测量的场合，需要新的方法实现三维表面形状的测量。

发明内容

本发明的目的之一在于保护一种三维表面形状重建系统。该系统包括：分界光发生系统，用于产生分界光，所述分界光照射被测物体；成像系统，包含透镜，所述成像系统通过透镜对所述被测物体进行成像；运动系统，耦接至所述分界光发生系统和所述成像系统，在成像过程中，所述运动系统控制所述分界光发生系统和所述成像系统进行一致的运动；以及计算机系统，耦接至所述成像系统和所述运动系统，所述计算机系统生成所述被测物体的至少一部分三维表面形状信息。其中所述分界光包含分界光平面；所述成像系统包含镜头平面；在成像过程中，所述镜头平面与所述分界光平面平行，所述运动系统控制所述分界光发生系统和所述成像系统相对所述被测物体移动，且所述运动系统进一步控制所述分界光平面和所述镜头平面之间的距离保持固定。所述重建系统可进一步包括光学校正系统，所述光学校正系统耦合至所述分界光发生系统，用于校正所述分界光平面与所述镜头平面间的距离。所述光学校正系统可包含弹性体和调节螺丝。所述分界光可为线光源或二色分界光。所述分界光发生系统可进一步包括遮挡装置，用于遮挡平行光产生所述分界光。所述计算机系统可进一步包含：图像处理系统，包括输入端和输出端；以及输出装置；其中所述图像处理系统的输入端耦接至所述成像系统，所述图像处理系统的输出端耦接至所述输出装置。所述输出装置可为显示器或数据输出接口。

本发明的另一个目的在于保护一种三维表面形状重建系统，该重建系统包括：载物台，用于放置被测物体；运动系统，耦接至所述载物台，控制所述载物台的运动；分界光发生系统，产生分界光用于照射所述被测物体，其中所述分界光包含分界光平面；成像系统，包括镜头，其中所述镜头含镜头平面，所述镜头平面与所述分界光平面平行，所述成像系统对所述被测物体进行成像；以及计算机系统，耦接至所述成像系统，其中所述计算机系统进一步包含图像处理系统，所述图像处理系统耦接至所述成像系统。

上述形状重建系统可为脚形测量装置，用于测量人体脚部的三维表面形状。

本发明的目的之一还在于保护一种三维表面形状重建方法，包括：产生分界光，所述分界光照射物体表面，在分界光平面内形成二维图像；分界光平面以一预定的速度相对所述物体运动；以平行于所述分界光平面的镜头平面对所述二维图形进行连续成像，其中所述所述分界光平面与所述镜头平面距离固定；基于所述二维图形的成像信息和所述预定的速度重建三维表面信息，其中所述二维图形的成像信息作为第一维和第二维信息，所述预定的速度与时间的积分值作为第三维信息。

该发明通过采用分界光对被测物三维表面形状进行重建，简化了三维表面形状重建系统，降低了成本。

附图说明

图1示出了本发明的一个三维表面形状重建系统的模块图实施例。

图2示出了本发明的一个三维表面形状重建系统示意图实施例，其中镜头与分界光发生系统以一致的方式运动。

图3A示出了本发明的一个线光源分界光实施例；图3B示出了本发明的一个二色分界光实施例。

图4A示出了本发明的一个线光源产生装置示意图实施例；图4B示出了本发明的一个二色分界光产生装置示意图实施例。

图5A和图5B示出了本发明的一个成像示意图实施例，其中图5A对应第一时间点的成像情况，图5B对应第二时间点的成像情况。

图6示出了本发明的另一个三维表面形状重建系统示意图实施例，其中该重建系统包含光学校正系统。

图7示出了本发明的一个计算机系统的模块图实施例。

图8示出了本发明的另一个三维表面形状重建系统示意图实施例，其中该重建系统包含可移动的载物台。

图9示出了本发明的一个三维表面形状重建方法框图实施例。

在上述不同的图示中，相同的标注代表相同或相似的部件或内容。

上述图形仅用于说明，应当知道，事实中符合本发明的系统部件可以与图示中的尺寸或比例不一致。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

图1示出了本发明的一个三维表面形状重建系统100的模块图实施例。该重建系统100包含分界光发生系统11，成像系统12，运动系统13和计算机系统14。其中分界光发生系统11产生分界光110，分界光110用于照射被测物体15，产生二维图像120。成像系统12包含透镜，用于摄取被测物体的二维图像120。计算机系统14耦接至成像系统12和运动系统13，控制运动系统13的运动，并接收图像信息120，并生成被测物体的三维表面形状信息。其中成像系统12包含镜头平面。分界光系统11包含分界光平面(如分界光110所在平面所示，垂直于纸面所在平面)，分界光平面和镜头平面相互平行，并受运动系统13控制使分界光发生系统11和成像系统12进行一致的相对运动，即保持分界光平面和镜头平面之间的距离恒定。也就是说，成像系统12对被测物体15进行成像，在成像过程中分界光在被测物体15表面上形成的投影在成像系统中的物距固定。被测物体15的三维表面形状信息经过在一段时间内的一系列的二维图像120分割后，由计算机系统14生成所述三维表面形状信息。在一些实施例中，由于被测物体形状的限制，重建形成的三维表面形状信息仅为被测物体的一部分表面形状信息。

图2示出了本发明的一个三维表面形状重建系统200示意图实施例，其中成像系统22与分界光发生系统21以一致的方式运动，即成像系统22和分界光发生系统21以一致的速度和方向同时运动或静止。该三维表面形状重建系统200包含成像系统22，分界光发生系统21，运动系统23和计算机系统24。其中运动系统23包含驱动系统231和支架232。支架232在驱动系统231的驱动下移动。驱动系统231耦合至计算机系统24，使得驱动系统231的驱动由计算机系统24进行控制和/或驱动系统231的驱动速度信息存储在计算机系统24中。在一个实施例中，驱动系统231为电机。在一个更具体的实施例中，驱动系统231为步进电机。成像系统22包含镜头，镜头含镜头平面220，该镜头平面220为垂直于所示平面(所在纸面)的二维平面。分界光发生系统21包含分界光平面210，分界光平面210也为垂直于所示平面的二维平面。分界光平面210与镜头平面220之间的距离由支架232固定。因此，在一个实施系统中，分界光发生系统21和成像系统22分别与支架232固定连接，如螺丝固定、焊接等。在支架232进行平移时，成像系统22和分界光发生系统21以一致的方式运动，即分界光平面210和镜头平面220以同样的预定速度运动相对被测物体25运动。在一个实施例中，支架匀速平移。分界光发生系统21产生分界光，分界光照射被测物体25表面产生二维图像，即同一平面中的曲线，该二维图像通过成像系统22的透镜或透镜组成像时，其物距固定。该二维图像信息由成像系统22采集并将二维图像信息存储于计算机系统24。计算机系统24耦合至成像系统22和运动系统23，根据成像系统22提供的信息和运动系统23的运动信息，生成被测物体25的三维表面形状信息。在一个实施例中，所述分界光为线光源。在另一个实施例中，所述分界光为二色分界光。图3A示出了一种线光源31实施例，该线光源31含呈直线状的光源第一色和背景第二色。图3B示出了一种二色分界光32实施例，该二色分界光32含光源第一色和背景第二色，其中第一色和第二色的分界线为一直线。

分界光发生系统21包含遮挡装置，用于遮挡平行光产生分界光。图4A示出了一种产生线光源31的遮挡装置41实施例示意图。该遮挡装置41在垂直于平行光42的平面上包含一直线形的缝410，平行光42透过该直线型的缝410产生线光源31。在一个实施例中，平行光42为太阳光。图示的线光源31的第一色为亮色，背景的第二色43为暗色，但在其他的实施例中，线光源的第一色和背景色的第二色可为任意的两种不同的颜色，第一色和第二色优选具有高对比度的两种颜色。

图4B示出了一种产生二色分界光的遮挡装置45实施例示意图。遮挡装置45遮挡一部分平行光46，遮挡部分呈背景色，未遮挡部分为光源颜色，在被照射平面产生两色分界光32。该两色分界光32的交界线为一直线。在一个实施例中，平行光46为太阳光。

图5A和图5B示出了根据本发明的一个成像示意图实施例，其中图5A对应第一时间点t1在被测物表面的成像情况，图5B对应第二时间点t2在被测物表面的成像情况。该示意图包含X，Y和Z方向的三维正交坐标。其中镜头平面520、分界光平面510与XY平面平行，镜头平面520和分界光平面510平行且距离固定，因此分界光在被测物体表面形成位于分界光平面510的曲线。由于镜头平面520和分界光平面510平行且距离固定，分界光在被测物体表面形成位于分界光平面510内的曲线其成像时的物距固定。假设镜头平面520和分界光平面之间的距离即物距为u，焦距为f，相距为v。取镜头焦距固定，即u和f为固定值，根据1/f＝1/v+1/u，则相距v也为固定值。

首先看图5A，在第一时间点t1，分界光平面510上的被测A点形成像A’。假设像A’在X轴的值为XA’，则XA＝u/v*XA’，其中XA为被测A点在X轴的值。同理，A在Y轴的值为YA＝u/v*YA’，其中YA’为像点A’在Y轴的值。

在看图5B，在第二时间点t2，分界光平面510上的被测B点形成像B’。假设像B’在X轴的值为XB’，则被测B点在X轴的值XB＝u/v*XB’。同理，B在Y轴的值为YB＝u/v*YB’，其中YB’为像点B’在Y轴的值。

由于镜头平面520和分界光平面510相对被测物体以一致的速度移动，因此A、B点在Z轴的值分别为镜头平面510或分界光平面520的位移。

假设镜头平面520和分界光平面510相对被测物体以速度v匀速移动，则ZA＝vt1，ZB＝vt2。

因此，通过获得像在X，Y方向的值和分界光平面510的位移信息(Z方向)，三维被测物体表面的空间信息即可测定。

图6示出了本发明的另一个三维表面形状重建系统示意图实施例，其中该重建系统包含光学校正系统。其中光学校正系统包括弹性体62和调节螺丝63，该光学校正系统耦合至所述分界光发生系统21，用于校正分界光平面210与镜头平面220之间的距离。弹性体62和调节螺丝63位于分界光发生系统21的两侧，通过调节调节螺丝63在固定装置64中的深度调节分界光发生系统21的水平位置。在另一个实施例中，光学校正系统还用于调节分界光平面210的角度。

图7示出了本发明的一个计算机系统24实施例示意图。计算机系统24包含图像处理系统71和输出装置72。其中所述图像处理系统71包含输入端IN和输出端OUT。其中输入端IN耦接至成像系统，输出端OUT耦接至输出装置72。在一个实施例中，图像处理系统71接收来自成像系统的图像信息，将图像信息和运动系统的移动信息进行处理，生成物体表面三维信息。图像处理系统71的输出端OUT耦接至输出装置72使得图像处理系统71中产生的三维表面信息输入至输出装置72。在一个实施例中，输出装置72为一显示器。在另一个实施例中，输出装置72为数据输出接口，如USB接口，无线输出接口，串行输出接口，并行输出接口等。输出装置72还可为其它形式的显示装置或传输装置。

图8示出了根据本发明的另一个三维表面形状重建系统实施例800示意模块图。该重建系统800除了包含分界光发生系统81，成像系统82，运动系统83和计算机系统84外，还进一步包含一载物台86。其中载物台83用于放置被测物体85。分界光发生系统81产生分界光810，分界光810照射在被测物体表面。该分界光810包含分界光平面(如分界光810所在平面所示)。成像系统82包括镜头，镜头包含镜头平面，所述镜头平面和分界光平面平行。在一个实施例中，镜头平面与载物台平面垂直。计算机系统84耦接至运动系统83产生运动信息用于控制运动系统83的运动。运动系统83耦接至所述载物台83，控制载物台83的运动。被测物体85随着载物台83的移动而移动。分界光810亦在被测物体85表面移动，由此获得连续的表面信息，并由成像系统82成像。计算机系统84进一步包含图像处理系统，该图像处理系统耦接至所述成像系统82，用于接收来自成像系统82的图像信息。图像处理系统对图像信息和运动信息进行处理，产生三维表面图像信息，实现对三维表面图像的重建。

在一个实施例中，根据图1-8所示的实施例可用于测量人体脚部三维表面形状。

在一个实施例中，图1或图8所示的三维表面形状重建系统为脚型测量装置。

图9示出了根据本发明的一种三维表面形状重建方法实施例900示意图。该方法包括在步骤901，产生分界光，分界光包含分界光平面，即线平面。在步骤902，将分界光照射被测物体表面，使得在分界光平面内产生二维图像。在步骤903，将分界光平面以一预定的速度相对被测物体运动。在步骤904，以平行于分界光平面的镜头平面对二维图形进行连续成像。其中分界光平面和镜头平面之间的距离固定。在步骤905，根据二维图像的成像信息和上述预定的速度信息，重建三维表面信息，参照针对图5A和5B的描述，将二维图形的成像信息作为第一维和第二维信息，如某一时间点XY平面内的信息作为第一维X(或Y)和第二维Y(或X)信息，将预定的速度与时间的积分值作为第三维信息，如第三维Z值为∫vdt。由此，当分界光在一段时间内对被测物体照射并平移，该时间段内被测物体扫描部位的三维表面形状即可测得。

Claims

1.一种三维表面形状重建系统，包括：

分界光发生系统，产生分界光，所述分界光照射被测物体；

成像系统，包含透镜，所述成像系统通过透镜对所述被测物体进行成像；

运动系统，耦接至所述分界光发生系统和所述成像系统，在成像过程中，所述运动系统控制所述分界光发生系统和所述

成像系统进行一致的运动；以及

计算机系统，耦接至所述成像系统，所述计算机系统生成所述被测物体的至少一部分三维表面形状信息。

2.如权利要求1所述的形状重建系统，其中：

所述分界光包含分界光平面；

所述成像系统包含镜头平面；

其中在所述成像过程中，所述镜头平面与所述分界光平面平行，且所述运动系统控制所述分界光发生系统和所述成像系统相对所述被测物体移动，所述运动系统进一步控制所述分界光平面和所述镜头平面之间的距离保持固定。

3.如权利要求2所述的形状重建系统，进一步包括光学校正系统，所述光学校正系统耦合至所述分界光发生系统，用于校正所述分界光平面与所述镜头平面间的距离。

4.如权利要求1所述的形状重建系统，其中所述计算机系统进一步耦合至所述运动系统，控制所述运动系统的运动。

5.如权利要求1所述的形状重建系统，其中所述运动系统包含一支架，其中所述成像系统和所述分界光发生系统与所述支架固定连接。

6.如权利要求1所述的形状重建系统，其中所述分界光为线光源或二色分界光。

7.如权利要求1所述的形状重建系统，其中所述分界光发生系统进一步包括遮挡装置，用于遮挡平行光产生所述分界光。

8.如权利要求1所述的形状重建系统，其中所述计算机系统进一步包含：

图像处理系统，包括输入端和输出端；以及

输出装置；

其中所述图像处理系统的输入端耦接至所述成像系统，所述图像处理系统的输出端耦接至所述输出装置。

9.如权利要求8所述的形状重建系统，其中所述输出装置为显示器或数据输出接口。

10.一种三维表面形状重建系统，包括：

载物台，用于放置被测物体；

运动系统，耦接至所述载物台，控制所述载物台的运动；

分界光发生系统，产生分界光用于照射所述被测物体，其中所述分界光包含分界光平面；

成像系统，含镜头平面，所述镜头平面与所述分界光平面平行，所述成像系统对所述被测物体进行成像；

计算机系统，含图像处理系统，所述图像处理系统耦接至所述成像系统，用于生成所述被测物体的至少一部分三维表面形状信息。

11.如权利要求1-10所述的形状重建系统为脚形测量装置，用于测量人体脚部的三维表面形状。

12.一种三维表面形状重建方法，包括：

产生分界光，所述分界光照射物体表面，在分界光平面内形成二维图像；

分界光平面以一预定的速度相对所述物体运动；

以平行于所述分界光平面的镜头平面对所述二维图形进行连续成像，其中所述所述分界光平面与所述镜头平面距离固定；

基于所述二维图形的成像信息和所述预定的速度重建三维表面信息，其中所述二维图形的成像信息作为第一维和第二维信息，所述预定的速度与时间的积分值作为第三维信息。