CN104535016B - 现场足迹全视场三维形貌数据采集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种现场足迹全视场三维形貌数据采集方法，包括如下步骤：S1.使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；S2.采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行；S3.面投光模块向现场足迹投出覆盖该现场立体足迹的结构光；S4.面图像采集模块采集面图像；S5数据处理模块接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场足迹的三维形貌。本发明将面结构光数字投影技术和高清数字影像面阵采集技术引入到立体足迹采集领域，可以在投光模块和摄像模块不进行机械运动的前提下，完成立体足迹全视场数据的采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种采集方法及装置，尤其涉及一种现场足迹全视场三维形貌数据采集方法及装置。
背景技术
现有的立体足迹数字化的方法有如下几种：第一种，申请号为200710087247.1的中国专利，公开了一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其投光模块、摄像模块由程序控制移动进行线扫描的方式获取立体数据。第二种，申请号为201320527043.6的中国专利，公开了一种立体足迹数字化提取系统，其采用人工手摇旋转手柄的方式控制摄像模块和投影模块移动的方式获取立体数据。这两种数据采集方式都需要使用移动摄像模块才能实现，采集过程中均不可避免地使用机械运动，导致了上述采集装置具有结构复杂，采集速度慢，便携性差的问题，另一方面，机械扫描过程中，也导致数据采集精度不够理想。
此外，申请号为200710087247.1的中国专利所公开的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，投光模块和摄像模块的光轴为交叉光轴，该种方法导致了投影能投到的地方，成像可能成不到，具有交叉光轴死区的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明将面结构光数字投影技术和高清数字影像面阵采集技术引入到立体足迹采集领域，通过对采集对象进行结构光的面投射，再通过高清数字影像面阵采集模块进行面数据的采集，可以在投光模块和摄像模块不进行机械运动的前提下，完成立体足迹全视场数据的采集。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种现场足迹全视场三维形貌数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.陀螺仪平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
S2.采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直；
S3.面投光模块向现场足迹投出覆盖该现场立体足迹的结构光；
S4.面图像采集模块采集面图像，该面图像为现场足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；
S5数据处理模块接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场足迹的三维形貌。
作为技术方案的补充，步骤S2中调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直的方法为：
S2.1.采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；
S2.2.陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角；
S2.3.根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
作为技术方案进一步的补充，在足迹采集面建立平面直角坐标系的方法为：在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴；OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
本发明还涉及一种现场足迹全视场三维形貌数据采集装置，其特征在于，包括：
面投光模块，用于投出面结构光，该面结构光覆盖现场立体足迹；
面图像采集模块，用于采集面图像，该面图像为现场足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；面投光模块的投光透镜的光轴和图像采集模块的成像透镜的光轴相互平行；
数据处理模块，用于接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场立体足迹的三维形貌；
陀螺仪，平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
三脚架，采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直。
作为技术方案的进一步补充，采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角，根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整所述三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
作为技术方案的进一步补充，本装置还包括坐标建立模块，用于在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴；OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
有益效果：本发明中的面投光模块的投影透镜与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，在投光和成像过程中，对交叉光轴技术进行了改进，应用平行光轴技术进行投光和成像，解决了交叉光轴技术存在的成像死区的问题；同时，由于采用面投光模块对采集对象进行面结构光投射，无需使用相关的机械结构，去移动投光和成像设备，因而也解决了现有技术中采集速度慢，便携性差的问题。使得本发明具有图像采集速度款，便携性好，采集精度高的优点。
本发明针对足迹是主要通过克服重力产生的痕迹的特性，使用陀螺仪进行采集面的找准，即采集过程中，由于足迹一般为水平面上的痕迹，最佳的采集位置即为足迹所在水平面的正上方的水平面，为了获得最佳采集位置，并且保证面投光模块的投影透镜与面图像采集模块的成像透镜的光轴应与水平面垂直，以实现竖直面的平行光采集，本发明使陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直，陀螺仪底面所在平面与足迹所在水平面为平行对应关系，在整个采集装置发生角度偏移时，即面投光模块的投影透镜与面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面不再垂直，操作人员利用陀螺仪底面所在平面与足迹所在水平面为平行对应关系，通过调整三脚架各脚的位置或长度，保持陀螺仪底面所在平面为水平面，即保证了面投光模块的投影透镜与面图像采集模块的成像透镜的光轴与足迹水平面的垂直关系，从而实现了竖直面的平行光采集。本发明将陀螺仪和平行光轴技术创造性结合，使陀螺仪与平行光轴技术协同作用，可以辅助采集装置找准最佳采集面，极大发挥了平行光轴技术具有较少死区的优势，对于绝大多数立体足迹可做到采集数据无死区的效果。
附图说明
图1为实施例中现场足迹全视场三维形貌数据采集装置的结构示意图；
图2为现场足迹全视场三维形貌数据采集装置安装在三脚架中的示意图；
图3为现场足迹全视场三维形貌数据采集装置安装在三脚架中进行最佳采集面找准的示意图；
图4为交叉光轴与平行光轴采集过程中的比较示意图。
图中a线为投影透镜的光轴，b线为成像透镜的光轴；灰色区域为待采集的现场足迹，a1和b1为投影透镜投出的一条光线经采集对象表面漫反射进入成像透镜，图4的左部分为平行光轴技术示意；图4的右部分为交叉光轴技术示意。
图中序号说明：1.投影机，2.摄像机，3.摄像机镜头，4.投影机固定架，5.摄像机固定架，6.水平连接架，7.摄像机数据线。
具体实施方式
实施例一：一种现场足迹全视场三维形貌数据采集装置，其特征在于，包括：
面投光模块，用于投出面结构光，该面结构光覆盖现场立体足迹；
面图像采集模块，用于采集面图像，该面图像为现场足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；面投光模块的投光透镜的光轴和图像采集模块的成像透镜的光轴相互平行；
数据处理模块，用于接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场立体足迹的三维形貌；
陀螺仪，平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
三脚架，采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直。
作为技术方案的进一步补充，采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角，根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整所述三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
作为技术方案的进一步补充，本装置还包括坐标建立模块，用于在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴；OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
具体的，面投光模块为投影机1，面图像采集模块为摄像机2及与摄像机2连接的摄像机镜头3，投影机1固定于投影机固定架4，摄像机2固定于摄像机固定架5，投影机的投光透镜的光轴和摄像机镜头3的成像透镜的光轴相互平行；投影机固定架4和摄像机固定架5之间通过水平连接架6相连，陀螺仪固定于水平连接架6上，摄像机2通过摄像机数据线7与计算机连接，水平连接架6所在平面与投影机的投光透镜的光轴和摄像机镜头3的成像透镜的光轴均垂直，所述的现场足迹全视场三维形貌数据采集装置安装在机箱内部，所述机箱安装在三角架上。
应用该装置实现一种现场足迹全视场三维形貌数据采集方法，包括如下步骤：
S1.陀螺仪平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
S2.采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直；
S3.面投光模块向现场足迹投出覆盖该现场立体足迹的结构光；
S4.面图像采集模块采集面图像，该面图像为现场足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；
S5数据处理模块接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场足迹的三维形貌。
作为技术方案的补充，步骤S2中调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直的方法为：
S2.1.采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；
S2.2.陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角；
S2.3.根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
作为技术方案进一步的补充，在足迹采集面建立平面直角坐标系的方法为：在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴；OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
本实施例中，在足迹采集面建立平面直角坐标系，求取水平面与足迹采集面的交角，在获取该角度后，调整三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°，该种方法，不仅可以实现水平平面上立体足迹数据的采集，还可以应用于采集在倾斜平面上立体足迹的数据，仍可以保持足迹采集面与水平面相互平行，从而实现具有最优效果的平行光轴采集的方法，也使得对于现场立体足迹的采集数据更为完整、精准。
Claims (6)
1.一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.陀螺仪平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
S2.采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直；
S3.面投光模块向现场倾斜面足迹投出覆盖该现场立体足迹的结构光；
S4.面图像采集模块采集面图像，该面图像为现场倾斜面足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；
S5数据处理模块接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场倾斜面足迹的三维形貌。
2.如权利要求1所述的一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集方法，其特征在于，步骤S2中调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直的方法为：
S2.1.采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；
S2.2.陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角；
S2.3.根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
3.如权利要求2所述的一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集方法，其特征在于，在足迹采集面建立平面直角坐标系的方法为：在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴; OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
4.一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集装置，其特征在于，包括：
面投光模块，用于投出面结构光，该面结构光覆盖现场立体足迹；
面图像采集模块，用于采集面图像，该面图像为现场倾斜面足迹在面结构光覆盖下的现场立体足迹图像；面投光模块的投光透镜的光轴和图像采集模块的成像透镜的光轴相互平行；
数据处理模块，用于接收面图像采集模块采集到的面图像数据，还原现场立体足迹的三维形貌；
陀螺仪，平放固定在采集装置的机箱内部，使面投光模块的投影透镜的光轴与面图像采集模块的成像透镜的光轴在竖直面相互平行，陀螺仪底面所在平面与上述两个光轴均垂直；
三脚架，采集装置的机箱安装在三脚架上，调整三脚架各脚的长度和位置，使得陀螺仪底面所在平面与水平面相平行，面图像采集模块的成像透镜的光轴与水平面垂直。
5.如权利要求4所述的一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集装置，其特征在于，采集装置的机箱安装在三脚架上，陀螺仪处于机箱底部平面，该平面与足迹采集面平行，水平面与足迹采集面相交，水平面与所述足迹采集面的交线上取一点作为两个平面的公共原点，在足迹采集面建立平面直角坐标系；陀螺仪实时采集足迹采集面的横向坐标轴与其在水平面上投影直线之间的夹角，以及足迹采集面的纵向坐标轴与其在水平面投影直线之间的夹角，根据陀螺仪采集的上述两个夹角，调整所述三脚架每根脚的长度和/或位置，使得上述两个夹角趋近于0°。
6.如权利要求5所述的一种现场倾斜面足迹全视场三维形貌数据采集装置，其特征在于，还包括坐标建立模块，用于在所述足迹采集面上引出相互垂直的两坐标轴OY2和OX2，OY2为所述足迹采集面的纵向坐标轴，OX2为所述足迹采集面的横向坐标轴; OX1是直线OX2在水平面上的投影直线，OY1是直线OY2在水平面上的投影直线。
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