CN102881040A - 一种数码相机移动拍摄三维重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维重建方法，属于计算机应用技术领域。一种数码相机移动拍摄三维重建方法，包括用于拍摄成像的数码照相机和需要进行三维重建的拍摄对象，其特征在于包括以下步骤：在数码照相机旁边设置有干涉光源，所述干涉光源包括光栅；内部参数标定；外部参数标定；拍摄后获取图像及图像处理；三维重建。本发明方法精度高，参数获取和数据转换均是基于像素点，因此精度非常高，运算速度快，重建效率高，可进行移动拍摄，克服了现在的重建方法对于一些大型或具有特殊形状的物体无法一次进行重建，只能进行拼接的缺陷，三维重建的精度和速度都大大提高，实现了三维重建技术的飞跃。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维重建方法，尤其涉及一种利用单台数码相机或多台数码相机进行移动拍摄的三维重建方法。
背景技术
客观世界在空间上是三维的，在工程技术方面或古物修复等其它方面，都需要对三维物体进行分析，以便获取有用的信息。但目前的大多数图像采集装置所获取的图像本身是在二维平面上的，虽然这些图像包含有物体的三维空间信息，但是，想要从图像中认识真实物体，就要从二维图像中恢复三维空间信息，这就是三维重建的任务。
三维重建有很多种方法，现在基本是利用计算机技术来进行建模需要的数学计算及三维呈现。基于工业建模的接触式三维重建方法，即利用接触仪比如触针直接点击在需要重建的物体上，直接获取物体表面多点的三维坐标，在计算机内进行整合处理，从而完成三维重建。此种重建方法需要在物体表面直接获取数值，物体大小不同，速度也不同，但是相比较而言，这种方法的效率都是比较低的，而且物体表面的软硬度也不同，如果表面软，接触式的就不能保证获得的数值的准确性。
还有基于摄像机的视觉图像的重建方法，以数字摄像机为图像传感器，综合运用图像处理，视觉计算等技术进行非接触三维测量，即通过数字摄像机拍摄得到一些物体对象的帧图像，用计算机程序进行处理后，从二维面到三维面再到三维体和三维体上的点，对物体进行三维重建。其优势在于不受物体形状限制，可以实现全自动重建。但是基于数字摄像机的三维重建方法对于数据处理的要求较高，重建的公式多，需要处理的数据量大，因此对处理的计算机的要求很高，重建的速度和精度也受到一定影响。
也有基于照相机定位的三维重建方法，即在进行测量定点后对需要重建的对象进行拍照，以定点测量到的三维坐标和角度来推算得到不同角度照片上的对应点的三维坐标，从而完成整个对象的三维重建。在目前使用照相机进行三维重建的方法中基本采用这种方法，即采用至少两个定点的x,y,z三维坐标和照相机的角度，仍然采用立体视觉的原理来计算照相后得到的照片上的点的三维坐标来完成三维重建。这种方法比接触式应用广，速度快，比基于数字摄像机的方法计算简便，但是由于定点的坐标值需要依赖机械测量，则准确度和精度是基于机械测量的精度，比计算机直接转换和基于图像的像素精度差太多，精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单相机移动拍摄三维重建方法，解决现在的三维重建方法受对象物体局限，重建速度慢，准确度和精度不高的缺陷。
技术方案
一种数码相机移动拍摄三维重建方法，包括用于拍摄成像的数码照相机和需要进行三维重建的拍摄对象，其特征在于包括以下步骤：
（1）在数码照相机旁边设置有干涉光源，所述干涉光源包括光栅；
（2）内部参数标定：在需要进行三维重建的拍摄对象处固定安放标定板，调节干涉光源与标定板相对位置，使标定板上光栅条影像清晰后固定所述干涉光源，再调节数码照相机位置，拍摄光栅条在标定板上的清晰影像，拍摄后分别测定和记录所述干涉光源和数码照相机在拍摄位置的像距值，固定干涉光源与数码照相机的位置和角度不变；
（3）外部参数标定：根据镜头参数以及像距，计算数码照相机及干涉光源的焦距以及与拍摄对象的物距，然后对拍摄的标定板图像进行处理，提炼出一些不同视角所共有的特征信息，组织好相应特征信息的特征数据的映射关系，将这组有映射关系的数据与相应的焦距作为参数，选择确定一个参照坐标系，然后把不同视角的特征信息转换到所述参照坐标系中，利用光学成像原理和三角函数及透视投影原理，进行一系列的定标计算，计算出数码照相机CCD或干涉光源和参照坐标系的相对角度即x角度值、y角度值和z角度值，以及数码照相机及干涉光源相互之间的距离；
（4）拍摄：移开标定板，干涉光源与数码照相机位置和角度不变，微调数码照相机，拍摄带有光栅条的对象的照片；
（5）获取图像及图像处理：拍摄好的带有光栅条的对象的照片导入至电脑，然后对图像进行初步处理，主要包括对图像进行边缘处理和拐点处理，使图像边缘和拐点更易检测，利于后续图像的矢量化处理；
（6）三维重建：将上述进行初步处理过的图像进行重建，主要包括图像处理、矢量处理和三维处理，即将图像进行细化处理后进行矢量化，然后根据内部参数标定的像距值和外部参数标定的x角度值、y角度值和z角度值，及相互之间的距离在参照坐标系下对处理后的矢量化图像进行所有像素点的三维坐标计算，重建拍摄对象的三维图像。
进一步，所述步骤5图像获取中，标定好的数码照相机拍摄完成一幅图像后，在一台数码照相机或干涉光源固定的情况下，在有共面特征信息的范围内移动数码照相机或干涉光源，改变视角后返回步骤2进行内部参数标定，在进行步骤3时将移动后的视角的图像映射至移动前的参照坐标系中，标定出外部参数，拍摄对象后获取图像，参与三维重建。
进一步，所述三维重建的图像处理将拍摄到的图像进行细化处理，包括边缘检测、拐点检测和图像矢量化转换；所述矢量处理为矢量化基本处理；所述三维处理包括像平面投影模块、图像匹配模块和三维重建模块，矢量化转换后的图像投影到像平面上，看到的图形与数码照相机上的底片一致，验证定标的准确度，图像匹配模块是将不同视角的照片的矢量化图像进行特征匹配，三维重建模块是根据参照坐标系和矢量化图像的对应关系计算出所有像素点的三维坐标，重建拍摄对象的三维图像。
进一步，所述干涉光源的光栅上设置有辨析点。
进一步，所述步骤4中的微调数码照相机为微调照相机的光圈使成像更清晰。
进一步，根据需要三维重建的对象的尺寸选取数码照相机的CCD尺寸。
有益效果
本发明的数码相机移动拍摄三维重建方法采用干涉光源和数码相机结合，通过拍摄在标定板平面上的光栅条照片和带有光栅条的对象的照片，并进行两张照片的比对，充分利用图像匹配原理，以像距和特征点为基础计算物距和定标图像获取设备（光源和数码照相机）的姿态参数，将两张照片统一参照坐标系后进行图像匹配，得到矢量化转换后的图像的相互关系，从而完成点对点的三维坐标运算，完成对象的三维重建；
本发明方法精度高，参数获取和数据转换均是基于像素点，因此精度非常高，运算速度快，重建效率高，由于本发明方法基于图形匹配的原理，采用标定板的图像和对象的图像进行特征点的匹配来发现相互关系后直接进行点对点的转换，而不是从体到面到点的逐层推进，使计算大大简化，运算速度非常快，重建的效果非常好；
而且由于本发明方法采用统一参照坐标系，可进行移动拍摄，提高了重建的精度，克服了现在的重建方法对于一些大型或具有特殊形状的物体无法一次进行重建，只能进行拼接的缺陷，三维重建的精度和速度都大大提高，实现了三维重建技术的飞跃。
附图说明
图1为现有技术中采用照相机拍摄时需要首先将照相机进行定位，获得具体的坐标值的示意图。
图2为本发明的数码照相机和标定板在对象前的设置的示意图。
图3为相机拍摄侧视示意图。
图4为本发明的标定板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
如附图1所示，现在基于定位的三维重建方法采用照相机拍摄时需要首先将照相机进行定位，获得具体的坐标值，有两个照相机的坐标值和角度值，再加上照相机的参数和物距值等在已知的情况下，然后再取对象的已知点进行定位，最后才能利用定位过的点和已知的照相机的参数和物距值等，采用立体视觉原理，即三角测量原理计算进行三维重建。这种方法除精度不高外，重建方法依然采用立体视觉原理，仍然是从面到体再到面到点的进程，计算速度仍然无法较大提升。
本发明公开了一种数码相机移动拍摄三维重建方法，包括用于拍摄成像的数码照相机和需要进行三维重建的拍摄对象，包括以下步骤：
（1）在数码照相机旁边加设有干涉光源，所述干涉光源包括光栅；
（2）内部参数标定：在需要进行三维重建的拍摄对象处固定安放标定板，所述标定板中央设置有固定的两个球，调节干涉光源与标定板相对位置，使标定板上光栅条影像清晰后固定所述干涉光源，再调节数码照相机位置，拍摄光栅条在标定板上的清晰影像，拍摄后分别测定和记录所述干涉光源和数码照相机在拍摄位置的像距值，固定干涉光源与数码照相机的位置和角度不变；
（3）外部参数标定：根据数码照相机参数、镜头参数以及成像的像距，计算数码照相机及干涉光源的焦距以及与拍摄对象的物距，然后对拍摄的标定板图像进行处理，提炼出一些不同视角所共有的特征信息，组织好相应特征信息的特征数据的映射关系，将这组有映射关系的数据与相应的焦距作为参数，选择确定一个参照坐标系，然后把不同视角的特征信息转换到所述参照坐标系中，利用光学成像原理和三角函数及透视投影原理，进行一系列的定标计算，计算出数码照相机CCD或干涉光源和参照坐标系的相对角度即x角度值、y角度值和z角度值，以及数码照相机及干涉光源相互之间的距离；
（4）拍摄：移开标定板，干涉光源与数码照相机位置和角度不变，微调数码照相机，拍摄带有光栅条的对象的照片；
（5）获取图像及图像处理：拍摄好的带有光栅条的对象的照片导入至电脑，然后对图像进行初步处理，主要包括对图像进行边缘处理和拐点处理，使图像边缘和拐点更易检测，利于后续图像的矢量化处理；
（6）三维重建：将上述进行初步处理过的图像进行重建，主要包括图像处理、矢量处理和三维处理，即将图像进行细化处理后进行矢量化，然后根据内部参数标定的像距值和外部参数标定的x角度值、y角度值和z角度值，及相互之间的距离在参照坐标系下对处理后的矢量化图像进行所有像素点的三维坐标计算，重建拍摄对象的三维图像。
在所述步骤5图像获取中，标定好的数码照相机拍摄完成一幅图像后，在一台数码照相机或干涉光源固定的情况下，在有共面特征信息的范围内移动数码照相机或干涉光源，改变视角后返回步骤2进行内部参数标定，在进行步骤3时将移动后的视角的图像映射至移动前的参照坐标系中，标定出外部参数，拍摄后获取图像，参与三维重建。如此可利用一台数码照相机通过移动进行多视角的拍摄或利用多台数码照相机同时进行多视角的拍摄，通过共面的特征信息能实现拍摄对象的多个图像的获取，从而得到的信息量增加，大大提高了三维重建的精度，而且对于一些大型或特殊外观的对象，现在的固定式无法一次进行重建，基本只能依靠拼接，本发明的方法能使其三维重建的精度和速度大大提高，实现了技术的飞跃。
本方法基于图形匹配的原理，采用标定板的图像和对象的图像进行特征点的匹配来发现相互关系后直接进行点对点的转换，而不是从体到面到点的逐层推进，使计算大大简化，运算速度非常快。
所述边缘检测是对图像中的图形轮廓进行分析，提取出图形的特征边缘，拐点检测是对图像中的特征点进行检测，找出图像中的棱角、拐角等特征点，图像矢量化转换是对检测边缘后的图像进行去噪，然后根据像素的位置与走向转换成矢量图形。
所述矢量基本处理主要是对多义线及单线的选取，矢量线拟合、平移等处理。
所述相干光源的光栅上设置有辨析点，可以用来判断是哪一段光栅条或者光栅条的位置，则精度更高。
在所述步骤3中的微调数码照相机可以微调照相机的光圈使成像更清晰。
所述数码照相机采用CCD数码照相机，根据需要三维重建的对象的尺寸也可以选取不同的数码照相机的CCD尺寸。
本发明方法采用相干光源和数码相机结合，通过拍摄在标定板平面上的光栅条照片和带有光栅条的对象的照片，并进行两张照片的比对，充分利用图像匹配原理，以像距和特征点为基础计算物距和定标图像获取设备（光源和数码照相机）的姿态参数，将两张照片统一坐标系后进行图像匹配，得到矢量化转换后的图像的相互关系，从而完成点对点的三维坐标运算，完成对象的三维重建；本发明方法精度高，参数获取和数据转换均是基于像素点，因此精度非常高，运算速度快，重建效率高，由于本发明方法基于图形匹配的原理，采用标定板的图像和对象的图像进行特征点的匹配来发现相互关系后直接进行点对点的转换，而不是从体到面到点的逐层推进，使计算大大简化，运算速度非常快，重建的效果非常好。
Claims (6)
1.一种数码相机移动拍摄三维重建方法，包括用于拍摄成像的数码照相机和需要进行三维重建的拍摄对象，其特征在于包括以下步骤：
（1）在数码照相机旁边设置有干涉光源，所述干涉光源包括光栅；
（2）内部参数标定：在需要进行三维重建的拍摄对象处固定安放标定板，调节干涉光源与标定板相对位置，使标定板上光栅条影像清晰后固定所述干涉光源，再调节数码照相机位置，拍摄光栅条在标定板上的清晰影像，拍摄后分别测定和记录所述干涉光源和数码照相机在拍摄位置的像距值，固定干涉光源与数码照相机的位置和角度不变；
（3）外部参数标定：根据镜头参数以及像距，计算数码照相机及干涉光源的焦距以及与拍摄对象的物距，然后对拍摄的标定板图像进行处理，提炼出一些不同视角所共有的特征信息，组织好相应特征信息的特征数据的映射关系，将这组有映射关系的数据与相应的焦距作为参数，选择确定一个参照坐标系，然后把不同视角的特征信息转换到所述参照坐标系中，利用光学成像原理和三角函数及透视投影原理，进行一系列的定标计算，计算出数码照相机CCD或干涉光源和参照坐标系的相对角度即x角度值、y角度值和z角度值，以及数码照相机及干涉光源相互之间的距离；
（4）拍摄：移开标定板，干涉光源与数码照相机位置和角度不变，微调数码照相机，拍摄带有光栅条的对象的照片；
（5）获取图像及图像处理：拍摄好的带有光栅条的对象的照片导入至电脑，然后对图像进行初步处理，主要包括对图像进行边缘处理和拐点处理，使图像边缘和拐点更易检测，利于后续图像的矢量化处理；
（6）三维重建：将上述进行初步处理过的图像进行重建，主要包括图像处理、矢量处理和三维处理，即将图像进行细化处理后进行矢量化，然后根据内部参数标定的像距值和外部参数标定的x角度值、y角度值和z角度值，及相互之间的距离在参照坐标系下对处理后的矢量化图像进行所有像素点的三维坐标计算，重建拍摄对象的三维图像。
2.如权利要求1所述的数码相机移动拍摄三维重建方法，其特征在于：所述步骤5图像获取中，标定好的数码照相机拍摄完成一幅图像后，在一台数码照相机或干涉光源固定的情况下，在有共面特征信息的范围内移动数码照相机或干涉光源，改变视角后返回步骤2进行内部参数标定，在进行步骤3时将移动后的视角的图像映射至移动前的原参照坐标系中，标定出外部参数，拍摄对象后获取图像，参与三维重建。
3.如权利要求1或2所述的数码相机移动拍摄三维重建方法，其特征在于：所述三维重建的图像处理将拍摄到的图像进行细化处理，包括边缘检测、拐点检测和图像矢量化转换；所述矢量处理为矢量化基本处理；所述三维处理包括像平面投影模块、图像匹配模块和三维重建模块，矢量化转换后的图像投影到像平面上，看到的图形与数码照相机上的底片一致，验证定标的准确度，图像匹配模块是将不同视角的照片的矢量化图像进行特征匹配，三维重建模块是根据参照坐标系和矢量化图像的对应关系计算出所有像素点的三维坐标，重建拍摄对象的三维图像。
4.如权利要求1或2所述的数码相机移动拍摄三维重建方法，其特征在于：所述干涉光源的光栅上设置有辨析点。
5.如权利要求1或2所述的数码相机移动拍摄三维重建方法，其特征在于：所述步骤4中的微调数码照相机为微调照相机的光圈使成像更清晰。
6.如权利要求1或2所述的数码相机移动拍摄三维重建方法，其特征在于：根据需要三维重建的对象的尺寸选取数码照相机的CCD尺寸。
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