CN105378794A - 3d拍摄装置、用于建立3d图像的方法和用于构建3d拍摄装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D拍摄装置(1)，具有图像拍摄装置(2)、测距仪(3)和图像处理装置(4)和输出单元(5)，根据本发明建议，利用图像处理装置(4)在由不同拍摄姿态(15、16、17)拍摄的图像(9、10)的系列(8)中计算相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)的组(29、30、31、32)并且针对这些组(29、30、31、32)分别确定一个三维位置数据(48、49、50)，并利用由测距仪(3)测量的距离信息(42)对所述三维位置数据(48、49、50)进行定比。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D拍摄装置，具有图像拍摄装置、测距仪和图像处理装置。
本发明还涉及一种用于建立3D图像的方法。
本发明最终涉及一种用于构建3D拍摄装置的方法。
背景技术
已知通过图案投影或扫描建立物体的3D图像。适合于此的3D拍摄装置复杂而且要求使用者经过特殊的训练。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于建立近似3D图像的简化的方法。
为了实现所述目的，根据本发明提出权利要求1的特征。由此,特别是在开头所述类型的3D拍摄装置中根据本发明建议，图像处理装置设置成用于在至少两个用图像拍摄装置拍摄的图像组成的系列图像中识别至少一组相互对应的图像组成部分，图像处理装置设置成用于由所述组中的图像组成部分在所述系列的图像中的相应图像位置针对所述至少一组相互对应的图像组成部分计算出至少一个三维位置数据，并且图像处理装置设置成用于借助于利用测距仪测量的距离信息对计算得到的所述至少一个三维位置数据进行定比/定标(Skalierung)。这里有利的是，根据图像所识别到的、彼此对应的图像组成部分的图像位置实现了由一系列所拍摄的图像、例如视频序列的多帧组成的3D图像的结构。由此可以计算出所识别的图像组成部分的三维位置数据，所述三维位置数据可以利用几个距离信息或少数几个距离信息比例换算为实际的尺寸。由此可以获得实际的长度、面积和/或体积。这里有利的是，只需测量很少的距离信息，例如唯一一个距离信息或少于十个距离信息，或者少于所识别相互对应的图像组成部分的组(数量)的一半的距离信息。这使得对可用的测距仪的要求显著地变得简单，由此简化了操作。
作为对应的图像组成部分因此是指图像中的由于相同或类似的特征或以其他方式在内容上相互对应的图像组成部分。
优选测距仪设置成用于沿例如直线或射线状延伸的测量方向测量距离。所述测量方向例如可以通过由测距仪产生的测量射线给定。
测距仪因此可以设置成用于进行点状的距离测量。
测距仪可以基于不同的测量原理。当测距仪构造成激光测距仪时，可以进行激光测距。这里测距仪产生激光测量射线作为测量射线，利用所述测量射线能够测量距离。也可以执行距离信息的超声波测量。
可以设定，输出单元构造成用于输出至少一个经定比的三维位置数据。由此可以提供和/或继续处理所建立的图像的定比信息。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于由所述至少一组的图像组成部分的相应图像位置计算图像拍摄装置的拍摄姿态。这里有利的是，可以获得关于拍摄条件的结论。进一步有利的是，可以将所测得的距离信息与拍摄位置相关联。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于由所计算的三维位置数据和拍摄姿态计算其他三维数据。这里有利的是，可以获得用于使3D图像精细化的附加的采样点。图像处理装置例如可以设置成用于以立体法(Stereoverfahren)和/或由利用水平集法(Level-Set-Methode)计算的边界面进行计算。
对应的图像组成部分的组的识别因此可以例如这样来实现，首先识别一个图像中的一个图像组成部分并且在其他图像中寻找与已识别的图像组成部分在内容上相对应的图像组成部分。
优选识别多组、例如多于10组或多于50组，或者甚至多于100组对应的图像组成部分。由这些组的图像组成部分在相应的各个图像中的图像位置建立方程组，所述方程组作为将各个图像描述为图像组成部分的三维布置结构在空间中的投影。所述三维布置结构构成所拍摄的场景的可用的近似。图像处理装置这里可以设置成用于对所述方程组求解，以便对于每组图像组成部分计算出一个三维的位置数据。
特别有利的是，3D拍摄装置是摄影设备、照相机或配备拍照功能的移动电话、平板电脑或类似设备，所述设备分别装备有优选能取下的测距仪。所述3D拍摄装置也可以构造成热成像照相机。
由于本发明利用较少次数的距离信息测量、例如对距离信息的唯一一次测量就可以完成，可以使用仅满足较低要求的测距仪。
甚至可以给现有的图像拍摄装置，例如照相机或拍照手机、智能手机、平板电脑或热成像照相机装备例如可卡接或插接或能够以其他形式优选可拆卸地连接的测距仪，以便提供一种3D拍摄装置，在相应地设置驱动软件之后，利用该拍摄装置能够实施根据本发明的方法。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于通过特征分析识别所述至少一组相互对应的图像组成部分。这里有利的是，能够识别特征性的图像组成部分，对于这种图像组成部分，在所述系列的其余图像中能够以高概率识别到内容上相互对应的图像组成部分。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于对图像进行分块。这里有利的是，能够彼此分开地进一步处理各个图像组成部分。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于由测得的距离信息和三维位置数据用外插法和/或内插法计算与所述至少一组相互对应的图像组成部分相配的距离信息。这里有利的是，能够获得附加的能配设给各组图像组成部分的距离信息。因此，进一步降低了距离信息的必需的测量次数。这里可以采用已知的外插法和/或内插法。
备选地或附加地可以设定，所述图像处理装置设置成用于按外插法和/或内插法计算其他三维位置数据。这里有利的是，能够计算其他采样点，以便产生精细化的3D图像。
在本发明的一个实施形式中可以设定，测距仪设置成用于改变测量方向和/或测量射线的定向。为此例如可以设定，测距仪活动地沿不同的测量方向设置。备选或附加地可以设定，测量射线的光路是可变的，例如通过可开关和/或可运动的反射镜或其他光学元件来改变。由此距离测量的测量点是可变的。这里有利的是，利用一个测距仪能够执行多个距离测量。此外有利的是，能够对与识别到的各组图像组成部分相对应的场景组成部分执行更为精确的距离测量。这里，测距仪例如可以对准分别对应于所识别到的一组图像组成部分的场景组成部分。由此可以对个别或所有识别到的图像组成部分组进行距离测量。
在根据本发明的一个实施形式中可以设定，用于对测量仪器的测量方向进行定向的操控装置构造成，使得所测得的距离信息与一个图像分块相关联。有利的是，可以执行有目的的距离测量，这种距离测量能分别配设于图像组成部分的各组中的一组。这可以通过测量射线的定向来实现。
这里可以通过对事先计算的拍摄姿态执行时间上的外插法和/或通过分析评估运动和/或加速传感器的输出信号来计算或估计实际的拍摄姿态。利用这个新的拍摄姿态能够设置测量方向的定向，以便有目的地例如对于还不存在或仅存在较少三维位置数据的图像组成部分获得距离信息。
当测距仪刚性地设置在图像拍摄装置上或相对于图像拍摄装置刚性地设置，则可以得到一种结构上特别简单的实施形式。为了改变测量射线的定向，可以构成具有活动的和/或可转换的反射镜的镜机构。
在本发明的一个实施形式中可以设定，测距仪构造成用于在图像拍摄装置可检测的光谱范围内产生测量射线。这里有利的能够执行校准测量，在校准测量中，可以识别由测距仪产生光图案(Lichtmuster)作为一组相对应的图像组成部分。这里有利的是，由这些图像组成部分的图像位置可以计算出距离测量装置关于图像拍摄装置的拍摄方向的定向。
在本发明的一个实施形式中设定，设置运动和/或加速传感器用于检测图像拍摄装置的运动。这里有利的是，通过由运动和/或加速传感器的输出信号得到关于由于拍摄装置的拍摄姿态改变而使所拍摄场景发生改变的信息，可以对三维位置数据的计算提供辅助。由此能进一步降低图像处理装置中必需的计算能力。此外有利的是，对于将来的图像拍摄，通过对输出信号执行时间上的外插法和积分可以从已经计算得到的拍摄姿态估计或计算出相关的拍摄姿态。
在本发明的一个实施形式中设定，图像处理装置设置成用于消除至少一个三维位置数据中的异常测值。这里有利的是，在所计算的三维位置数据集合中能够选择出这样的位置数据，这些位置数据可以以高概率符合于测得或计算出的距离信息。此外有利的是，可以消除例如由于计算误差或识别错误产生的三维位置数据。由此能够改进3D图像生成的质量。
在本发明的一个实施形式中设定，图像处理装置设置成用于将几何体拟合到所述至少一个定比的三维位置数据中。几何体可以是一维、二维或三维的样品物体或更为复杂的物体。例如图像处理装置可以设置成用于将一个线、特别是直线拟合到一个包括至少两个三维位置数据的集合中。例如图像处理装置可以设置成用于将一个面、特别是平面拟合到一个包括至少三个三维位置数据的集合中。这里有利的是，可以执行对3D图像的图形上的内插法和/或补充。
在本发明的一个实施形式中可以设定，图像处理装置设置成用于计算由优选定比的三维位置数据算出至少一个长度、面积和/或体积。优选通过计算得到的三维位置数据来描述能计算出相应尺寸信息的线段、面和/或空间。这里有利的是，可以提供受到照射的物体的实际物理基准量、例如面积或体积，用于对测量结果的进一步处理和/或评估。
在本发明的一个实施形式中可以设定，输出单元设置成用于在与优选经定比的三维位置数据相对应的图像点处以图形输出所述至少一组相互对应的图像组成部分。这里有利的是，能够提供所计算的3D图像的另外的二维图形，例如透视图。
为了实现所述目的，根据本发明在用于建立3D图像的方法中建议，利用图像拍摄装置拍摄一个场景的包括至少两个图像的一系列图像并在所拍摄的图像中识别至少一组相互对应的图像组成部分，在图像处理装置中针对所述至少一组相互对应的图像组成部分计算至少一个三维位置数据，利用测距仪测量到场景的至少一个距离信息，并且通过所测得的距离信息执行对位置数据的定比。这里有利的是，能够以次数尽可能少的距离测量建立3D图像。为此，图像处理装置在计算技术上装备和设置成，使得对方程组求解以便计算所述至少一个三维位置数据，所述方程组描述所述至少一组中的相对应的图像组成部分作为投影的交点(Auftreffpunkt)在各个图像中的图像位置。特别有利的是，识别多个这样的组，以便能够用三维的形式尽可能精确地重现/模拟(nachbilden)所描绘的场景。根据本发明的方法的特征在于在计算技术和测量技术上较低的要求。优选根据本发明的方法利用本发明的3D拍摄装置来执行。
在根据本发明的一个实施形式中可以设定，由所述至少一组的图像组成部分在所述系列的各图像中的相应图像位置能计算出图像拍摄装置在一个拍摄时刻的拍摄姿态。这里有利的是，能用计算技术简单地模拟拍摄状态。为此，可以建立一个方程组并对其求解。该方程组优选是和在由图像组成部分的图像位置计算三维位置数据时所使用的相同的方程组。这里有利的是，利用拍摄姿态能在成像过程中计算出射线分布。
在本发明的一个实施形式中可以设定，在定比之前或之后计算其他图像组成部分的其他三维位置数据。这里有利的是，能够使所建立的3D图像的分辨率精细化。
在根据本发明的一个实施形式中可以设定，用立体法计算所述其他三维位置数据。立体法例如是由DE102007055262A1已知的。这种方法的特征例如在于，首先识别至少两个图像中的相对应的图像组成部分，接着在使用针对这些图像计算出的拍摄姿态的情况下确定三维空间中的成像射线，所述成像射线(近似)的交点给出其他三维位置数据。
在本发明的一个实施形式中可以设定，所述其他三维位置数据由利用水平集法计算出的边界面导出。采用水平集法计算边界面是本身已知的，例如由K.Kolev、T.Brox、D.Cremers：FastJointEstimationofSilhouettesandDense3DGeometryfromMultipleImages,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,34(3):493-505,2012已知。这里有利的是，可使用的水平集法或者也称为“Niveaumengenmethode”的特性例如在于，确定这样的边界面，在考察相应有效的、之前计算的拍摄姿态的情况下，所述边界面的在三维空间中的点在所述系列的所有图像中具有相同的或至少类似的外观。所述边界面因此至少近似地描述了所拍摄的场景的表面的由图像拍摄装置检测到的部分。现在例如可以由边界面导出所述其他的三维位置数据，其方式是，确定边界面在空间中的位置和目标在边界面上的位置。
在本发明的一个实施形式中可以设定，通过特征分析来识别所述至少一组相互对应的图像组成部分。这里有利的是，能够识别并已识别到特征性的图像组成部分，对于所述特征性的图像组成部分，在其余图像中的对应图像组成部分可以容易地利用计算技术发现。特征分析例如使用角部、棱边或其他特征检测，例如通过SIFT(scaleinvariantfeaturetransform-尺度不变特征转换)来进行。
在本发明的一个实施形式中可以设定，所拍摄的图像用图像处理装置分块。这里有利的是，图像分块可以相互分开地处理。例如可以形成这样的图像分块，这些图像分块分别仅包含一组中的一个图像组成部分。
在本发明的一个实施形式中可以设定，自动测量到对应于所述至少一组相互对应的图像组成部分的场景组成部分的距离信息。这里有利的是，能够使对于所述至少一组图像组成部分计算的三维位置数据特别精确地与实际测量的距离信息相关联。
在本发明的一个实施形式中可以设定，配属于所述至少一组相互对应的图像组成部分的距离信息按外插法或内插法由所述至少一个测量得到的距离信息和所述至少一个三维位置数据计算得出。这里有利的是，不需要附加的测量即可获得其他距离信息。由此，可以进一步提高所计算出的3D图像的质量。
备选地或附加地可以按外插法和/或内插法由已经确定的三维位置数据计算其他距离信息。这里有利的是，可以计算附加的采样点并将其提供给3D图像。
在本发明的一个实施形式中可以设定，由与所述至少一组相互对应的图像组成部分相配的距离信息计算比例尺。优选所述距离信息用外插法或内插法计算。这里有利的是，能提高比例尺的精度，而不需要进行专门的距离信息测量。也可以直接测量所述距离信息。
在本发明的一个实施形式中可以设定，利用测量射线测量距离信息，所述测量射线处于图像拍摄装置所拍摄的光谱范围。这里有利的是，可以进行校准。为此可以将测量射线在场景物体上的交点、例如是光图案用作特征性的图像组成部分，用于识别一组对应的图像组成分。因此利用所述方程可以计算，测距仪以何种方式相对于图像处理装置定向。利用校准的结果可以提高三维位置数据的计算精度。
在本发明的一个实施形式中可以设定，在采用运动和/或加速传感器的输出信号的情况下计算图像拍摄装置在两个单次拍摄之间的运动。这里有利的是，能进一步简化三维位置数据的计算，因为提供了关于在两次单次拍摄之间拍摄姿态的改变的附加信息。
在本发明的一个实施形式中可以设定，所述至少一个三维位置数据通过SLAM(SimultaneousLocalisationAndMapping(即时定位与地图构建))法来计算。附加地或备选地可以设定，所述至少一个三维位置数据通过运动恢复结构(structure-from-motion)法来计算。这里有利的是，可以使用本身已知的算法来实现方法步骤。
在本发明的一个实施形式中可以设定，根据所述至少一个经定比的三维位置数据计算所述至少一组相互对应的图像组成部分的三维显示/图。这里有利的是，能够至少近似地建立所拍摄的场景的3D图像或3D模型。
在本发明的一个实施形式中可以设定，识别计算其他三维位置数据的空间范围并操控测距仪，以对于所述空间范围测量距离信息。这里有利的是，有目的地获得其他三维位置数据。由此能有目的地改进所计算的3D图像。
这里可以设定，为了操控测距仪，由此前计算的拍摄姿态计算或估计当前的拍摄姿态。这例如可以通过对一系列拍摄姿态指向时间上的外插法和/或通过分析评估运动和/或加速传感器的输出信号来实现。这里有利的是，至少近似地提供当前的拍摄姿态作为基准量。
在本发明的一个实施形式中可以设定，将几何体拟合到所述至少一个三维位置数据中。这里有利的是，用简单的计算技术上的手段就能构成复杂的物体。因此可以利用较少的计算技术上的投入模拟所拍摄场景的实际结构。
在本发明的一个实施形式中可以设定，为了计算所述至少一个三维位置数据，执行RANSAC(随机取样一致)法。这里有利的是，提供了能够利用较少的计算技术上的投入就能执行的能提供可用的结果方法。
在本发明的一个实施形式中可以设定，由优选经定比的三维位置数据计算至少一个长度、面积和/或体积。由此能够将获得的测量尺寸与实际的尺寸比例相关联。
在本发明的一个实施形式中可以设定，所述至少一组图像组成部分通过输出单元在对应于所述至少一个三维位置数据的图像点处输出。这里有利的是，能够生成并输出三维显示的二维成像，并生成和输出所述图像。输出例如可以通过显示器或打印、存储数字图形或以其他方式进行。
为了实现所述目的，根据本发明在一种用于构建3D拍摄装置的方法中建议，将测距仪与图像拍摄装置连接，拍摄一个场景的包括至少一个图像的系列图像，对于每个图像测量至少一个距离信息，对于每个测得的距离信息在所属的图像中的图像位置，所述距离信息与该图像位置相关，并由所测得的距离信息和所确定的图像位置计算至少一个参数，所述参数描述测距仪相对于图像拍摄装置的定向。所述系列中所需的图像数量取决于对于测距仪相对于图像拍摄装置的定向所要计算的参数数量。所述定向的自由度越多，则确定所述参数所需的图像和相配的距离测量的数量就越多。在最有利的情况下，一个带有一个距离信息的图像可能就已经足以确定所述定向的一个剩余的自由度。在有足够大数量的所拍摄的图像和距离信息时，也可以计算描述图像拍摄装置的成像特性的参数，例如焦距、畸变、主点和透镜系统的其他参数，并且这些参数利用本身已知的方程组计算。由此能够提供或确定能够用以执行所述用于建立3D图像的方法的参数。这里有利的是，能够简单地对现有的图像拍摄设备，例如智能手机、平板电脑或类似设备进行改装。图像拍摄装置可以设置成用于通过安装适当配置参数的软件、例如应用(App)来执行根据本发明的用于建立3D图像的方法。这里在所述系列中拍摄的图像的数量有利地取决于，有多少测距仪相对于图像拍摄装置的定向的参数是已知的或者在所需的精度范围内可以认定为是给定的。所述定向的参数越多，则因此剩余的定向自由度就越少，在所述系列中所需拍摄的图像就越少。
在所述系列中所拍摄的图像数量足够大时，也可以以这种方式计算参数，所述参数描述图像拍摄装置的成像特性。这例如可以是焦距、主点、畸变或图像拍摄装置的其他参数。
在本发明的一个实施形式中可以设定，利用测距仪的测量射线照射已知的和/或人工建造的场景。由此，当距离测量装置的定向未知时，能以简单的方式在每次与测距仪连接时重新执行校准。
现在根据实施例来详细说明本发明，但本发明不仅限于这些实施例。可以通过单个或多个权利要求的特征相互间和/或与各实施例的单个或多个特征的组合得到其他实施例。
附图说明
图中：
图1用非常简化的视图示出根据本发明的3D拍摄装置，以便说明本发明，
图2用非常简化的视图示出另一个根据本发明的3D拍摄装置，
图3用非常简化的视图示出另一个根据本发明的3D拍摄装置，
图4用非常简化的视图示出一个场景图像的拍摄，以便说明根据本发明的方法，
图5示出一个程序流程方案，该程序流程方案在本发明的根据图1至3的实施例中运行，
图6示出在根据本发明的一个实施例中距离信息内插的非常简化的原理图，以及
图7示出在根据本发明的方法中拍摄的一系列图像。
具体实施方式
图1用非常简化的原理图示出根据本发明的3D拍摄装置。
在图1中3D拍摄装置示出为经扩展的智能手机。
3D拍摄装置1具有图像拍摄装置2和测距仪3。测距仪3设置成用于测量沿一个测量方向的距离。在该实施例中，测距仪3构造成激光管测距仪。
在该实施例中，图像拍摄装置2是所示智能手机的数码相机。
测距仪3插接在智能手机上以形成3D拍摄装置1，并且为了进行数据和/或信号交换而连接在智能手机上。
在3D拍摄装置1的内部构成图像处理装置4。
此外，在3D拍摄装置1上还构成显示器形式的输出单元5。
图2和3分别用非常示意性的原理图示出另一个根据本发明的3D拍摄装置1，以便来解释本发明。功能和/或结构与根据图1的实施例相同或类似的构件和功能单元用相同的附图标记标注并且不再专门进行说明。针对图1的说明因此也分别相应地适用于图2和图3。
根据图2的实施例与根据图1的实施例的区别在于，图像拍摄装置2构造成热成像照相机。因此，利用图像拍摄装置2能检测到在红外光谱范围中的光线，以便建立热图像和/或非接触式地测量温度分布。
图2中的3D拍摄装置1附加地还具有VIS(可视)照相机6，以便按本身已知的方式拍摄可见光谱范围内的图像。
根据图3的实施例与根据图1的实施例的区别在于，图像拍摄装置2、测距仪3、图像处理装置4和输出单元5设计成集成在一个装置中。输出单元5也可以取消或构造成数据接口。
所示的该实施例的图像处理装置4构造成通过编程和电子线路执行下面根据图4至7说明的根据本发明的方法。首先在图像拍摄步骤7中拍摄包括一个场景11的一系列8图像9、10。
这里图像拍摄装置2构造成用于拍摄12图像9、10。
在每次拍摄12之后，询问13是否应执行进一步的拍摄12。
如果答案是肯定的，则首先执行拍摄姿态的改变，就是说图像拍摄装置2的位置和定向的改变14。
图像拍摄装置2由此例如由拍摄姿态15转入拍摄姿态16。
接着执行一次新的拍摄12。
因此，图像拍摄装置2例如在拍摄姿态15中拍摄图像9，而在拍摄姿态16中拍摄图像16。由此得到在图7中示出的包括图像9、10的系列8。
在该实施例中，应拍摄至少三个图像9、10，以构成系列8。实际上例如作为视频序列的帧拍摄多个图像9、10。
如果询问13得到的回答是否定的，则结束系列8的建立过程。
现在，在识别步骤22中，识别系列8的第一图像9中的特征性图像组成部分18、19、20、21。这可以通过检测棱边和/或角部，检测对比度或以其他方式实现。
在特征分析23中，通过特征计算出对图像组成部分18、19、20、21的描述。
在对应性确定步骤24中，利用图像处理装置4在系列8的第二图像10中寻找图像组成部分25、26、27、28，这些图像组成部分与根据所计算的描述得到的图像组成部分18、19、20、21相对应。为此例如可以采用相关法(Korrelationsverfahren)和/或本身已知的SLAM和/或运动恢复结构法。
相互对应的图像组成部分18和25或19和26或20和27或21和28由此分别组成一个分别包括两个成对地相互对应的图像组成部分18、19、20、21、25、26、27、28的组29、30、31、32。
因此图像处理装置4设置成用于自动识别33至少一组、这里例如四组29、30、31和32相互对应的图像组成部分18、19、20、21、25、26、27、28。
各组29、30、31、32因此分别包含相应的源自共同的场景组成部分34、35、36、37的图像组成部分18、19、20、21、25、26、27和28。这样，在该实施例中由场景组成部分34拍摄图像组成部分18和25，由场景组成部分35拍摄图像组成部分19和26，由场景组成部分36拍摄图像组成部分20和27，以及由场景组成部分37拍摄图像组成部分21和28。实际上要处理数量大得多的图像组成部分18、19、20、21、25、26、27、28。
图像处理装置4设置成用于接下来对每组29、30、31、32的三维位置数据50进行计算38。
为此，在为此可能具有单独的未详细示出的计算单元的图像处理装置4中自动生成方程组并对该方程组求解，所述方程组描述作为在拍摄12时场景组成部分34、35、36、37的投影的图像组成部分18、19、20、21、25、26、27、28在图像9、10中的图像位置59、60。图像组成部分18、19、20、21、25、26、27、28的图像位置59、60作为输入值代入所述方程组中。
在结果中所计算得到的三维位置数据50以比例系数对应于场景组成部分34、35、36、37的空间位置，组29、30、31或32分别代表所述场景组成部分。
在计算步骤38中由所述方程组的解还计算出在图像9或10的拍摄12的时刻所属的拍摄姿态15、16。
对于计算步骤38，例如可以采用RANSAC法
接着执行循环39，在所述循环中，对于系列8的其他图像执行所述识别33和计算38，所述其他图像归属于其他的拍摄姿态17。
在补偿计算40中，利用新计算的数据对所计算的拍摄姿态15、16、17和三维位置数据50进行细化。
当询问41得出，系列8中没有另外的必须处理的图像9、10时，循环39中断。
在拍摄12期间，利用测距仪3分别测量一个距离信息42。
在图4中示出，在拍摄姿态16中测量得到的距离信息42描述在拍摄12图像10的时刻图像拍摄装置2和场景组成部分36之间的距离。
在拍摄姿态测量15和17中的测量相反不涉及场景组成部分34、35、36或37，而是为空。
为了简单起见，仅示出距离信息42，尽管对于每个拍摄姿态15、16、17分别都测得至少一个距离信息42。
测距仪3关于各拍摄姿态15、16、17的定向分别是已知的。如这里所示，所述定向可以是不变的，或者测距仪3可以构造成相对于图像拍摄装置2是可运动的。不可运动的测距仪3也可以设置成能改变测量射线52，例如通过光学装置或通过反射镜来改变。
在射线计算步骤43中，由之前计算的拍摄姿态15、16、17和所测得的距离信息42分别计算测得距离信息42的3D空间点。
在选择步骤44中选出足够靠近一组29、30、31、32的三维位置数据的距离信息42，并足够精确地描述到相应场景组成部分34、35、36、37的距离。换而言之，在这个步骤中消除异常测值。
所选择的距离信息42因此可以用作参考标尺。在定比计算步骤45中计算最佳的比例系数。这例如可以基于距离信息42和所计算的三维位置数据50之间所有有效的关联来进行。
接着，在定比步骤46中，对所计算的三维位置数据50进行定比，从而使所述位置数据与场景组成部分34、35、36、37实际的尺寸和位置相匹配。
在外插法和/或内插法47中，针对不能配设所测得的距离信息42的三维位置数据计算其他的距离信息。
在外插法和/或内插法47中，对于之前清除的距离信息42计算其他的三维位置数据48、49。
这在图6中示出：为此，通过优化处理向之前针对组29、30、31、32计算的三维位置数据50中拟合一个几何体51(这里是平面)。
所计算的其他三维位置数据48和49作为测距仪3的测量射线52与几何体51的交点得到。
这些计算的其他三维位置数据48、49作为附加采样点用于在3D图像中在其相应的三维位置数据50处建立组29、30、31、32的三维显示。
在输出单元5上能够输出由所述3D图像得到的图形显示，在所述图形显示中组29、30、31、32在通过所属的三维位置数据48、49、50给定的图像点处显示。
在询问53中，可以启动对计算结果的进一步处理54。
在所述处理54中，可以在图像9、10中执行分块55，形成面或其他图像分块。测距仪3可以利用操控单元56对准场景11的配属于分块得到的面的场景组成部分34、35、36、37。为此测距仪3能运动地设置在3D拍摄装置1中。
现在可以关于新的定向测量其他距离信息42。
在目标计算步骤56中，一方面针对分块得到的面或其他图像分块，另一方面针对平面或其他几何体51进行计算。
通过定比46可以针对几何体51计算实际的延伸或尺寸，例如计算实际的长度或实际的面积或体积。
如果测距仪3相对于图像拍摄装置2的定向未知，则可以在定比中替代场景组成部分34、35、36、37按所述方式采用测量射线52在场景11的一个平的表面上的光图案。由光图案在图像9、10中的图像位置可以计算未知的定向。
为此，利用测距仪3可以产生在图像拍摄装置2敏感的光谱范围内的测量射线52，以便检测光图案。备选地，也可以拍摄具有已知几何形状的场景11。
3D拍摄装置1具有本身已知的运动和/或加速传感器58，利用所述运动和/或加速传感器能检测到两次拍摄12之间的拍摄姿态15、16、17的变化。所述传感器的输出信号输入到拍摄姿态15、16、17的计算中。
如果图像处理装置4和/或使用者确定，在空间范围内需要附加的三维位置数据48、49，则可以根据下面的方法处理。
假定在图4中以拍摄姿态15进行第一次拍摄12，并以拍摄姿态16进行第二次拍摄12。按所述的方式能由对图像9、10的处理得到场景组成部分34、35、36、37的三维位置数据50。
假定使用者或在图像处理装置中运行的程序得到这样结果，即，在空间范围59中存在过少的三维位置数据。
由对已经提及的方程组的求解已经能够计算出图像9、10的拍摄姿态15、16。
由此可以通过外插法计算图像拍摄装置2当前所处的拍摄姿态17。
拍摄姿态17备选或附加地可以由运动和/或加速传感器58的输出信号，必要时通过适当的积分确定。
在拍摄姿态17已知时，现在使测距仪3的测量射线52这样定向，即，能够测量到空间范围59和/或位于其中的场景组成部分37的距离信息。这通过本身已知的用于射线转向的机构、如反射镜或类似机构来实现。
接着针对所述距离信息计算必要的其他三维位置数据。
图1示出根据本发明的3D测量装置1，其中测距仪3已取下。由于这种可取下性导致，测量射线2相对于图像拍摄装置2的拍摄方向的精确定向是未知的。
关于所述定向的信息可以在校准中以简单的方式获得。
为此，利用测距仪3可以向场景11、例如平的表面上投射光图案，在最简单的情况下投射单个光点。由此得到图4的状态，其中场景组成部分34、35、36、37通过光图案的组成部分给定。在单个光点的情况下这里仅出现一个场景组成部分34。
光图案例如由利用激光测量仪器对距离信息42的测量产生或者独立于距离信息42的测量投射光图案。
所述光图案在图像9、10中由不同的拍摄姿态15、16、17拍摄。按所述方式针对图像组成部分18、19、20、21和25、26、27、28计算三维位置数据50。此外还计算拍摄姿态15、16、17。
由于光图案的几何形状是已知的，由此可以计算出光图案与所计算的三维位置数据50相匹配时测距仪3或测量射线52相对于图像拍摄装置2的定向。
在不用可见光进行距离测量时，可以借助于已知的场景11、例如打印的图案执行校准。
现在存储关于定向的所述信息并将所述信息提供给以后对未知场景11的图像9、10进行的处理。
这种校准在测距仪3重新与图像拍摄装置2连接时可以重新执行。
在具有图像拍摄装置2、距离测量装置3和输出单元5的3D拍摄装置1中建议，利用图像处理装置4在包括在不同拍摄姿态15、16、17中拍摄的图像18、19、20、21、25、26、27、28的系列8中计算彼此对应的图像18、19、20、21、25、26、27、28的组29、30、31、32，并针对这些组29、30、31、32分别确定一个三维位置数据48、49、50，并利用通过测距仪3测量的距离信息42对所述三维位置数据48、49、50进行定比(图4)。
Claims (22)
1.3D拍摄装置(1)，具有图像拍摄装置(2)、测距仪(3)和图像处理装置(4)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于在包括至少两个用图像拍摄装置(2)拍摄的图像(9、10)的系列(8)图像中识别(33)至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)，图像处理装置(4)设置成用于由所述组(29、30、31、32)中的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)在所述系列(8)的图像(9、10)中的相应图像位置(59、60)针对所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)计算出至少一个三维位置数据(50)，并且图像处理装置(4)设置成用于借助于利用测距仪(3)测量的距离信息(42)对所计算的所述至少一个三维位置数据(50)进行定比。
2.根据权利要求1所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，输出单元(5)构造成用于输出所述至少一个经定比的三维位置数据和/或测距仪(3)构造成激光测距仪。
3.根据权利要求1或2所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于由所述至少一组(29、30、31、32)的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)的相应图像位置(9、10)计算(38)图像拍摄装置(2)的拍摄姿态和/或图像处理装置设置用于由所计算的三维位置数据(50)和拍摄姿态(15、16、17)计算其他三维位置数据(48、49)，特别是用立体法和/或由利用水平集法计算的边界面进行计算。
4.根据权利要求1至3之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于通过特征分析(23)识别(33)所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)和/或图像处理装置(4)设置成用于将图像(9、10)分块(55)成图像分块。
5.根据权利要求1至4之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于由测得的距离信息(42)和所述三维位置数据(50)借助于外插法和/或内插法(47)计算与所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)相配的距离信息和/或测距仪(3)设置成用于改变测量方向和/或测量射线(52)的定向。
6.根据权利要求1至5之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，用于对测距仪(3)的测量方向进行定向的操控装置(56)构造成，使得所测得的距离信息(42)与一个图像分块相关联，和/或测距仪(3)构造成用于在图像拍摄装置(2)能检测到的光谱范围内产生测量射线(52)。
7.根据权利要求1至6之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，设置用于检测图像拍摄装置(2)的运动的运动和/或加速传感器(58)，和/或图像处理装置(4)设置成用于计算所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)在所述至少一个定比的三维位置数据处的三维显示。
8.根据权利要求1至7之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于将几何体(51)拟合到所述至少一个经定比的三维位置数据中。
9.根据权利要求1至8之一所述的3D拍摄装置(1)，其特征在于，图像处理装置(4)设置成用于计算由优选定比的三维位置数据算出至少一个长度、面积和/或体积，和/或输出单元(5)设置成用于在与优选经定比的三维位置数据(48、49、50)相对应的图像点处以图形输出所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)。
10.用于建立3D图像的方法，其特征在于，利用图像拍摄装置(2)拍摄一个场景(11)的包括至少两个图像(9、10)的一系列(8)图像并在所拍摄的图像(9、10)中识别至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)，在图像处理装置(4)中针对所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)计算至少一个三维位置数据(50)，利用测距仪(3)测量到场景(11)的至少一个距离信息(42)，并且通过所测得的距离信息(42)执行对三维位置数据的定比(46)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，由所述至少一组(29、30、31、32)中的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)在所述系列(8)的各图像(9、10)中的相应图像位置(59、60)计算出图像拍摄装置(2)在拍摄时刻的拍摄姿态(15、16、17)，和/或在定比之前或之后计算其他图像组成部分的其他三维位置数据(48、49)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，用立体法计算所述其他三维位置数据(48、49)和/或所述其他三维位置数据(48、49)由利用水平集法计算出的边界面导出。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，通过特征分析(23)来识别所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)，和/或用图像处理装置(4)对所拍摄的图像(9、10)分块。
14.根据权利要求10至13之一所述的方法，其特征在于，自动测量到与所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)相对应的场景组成部分(34、35、36、37)的距离信息(50)和/或配属于所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)的距离信息按外插法或内插法(47)由所述至少一个测量得到的距离信息(42)和所述至少一个三维位置数据(48、49、50)计算得出。
15.根据权利要求10至14之一所述的方法，其特征在于，由与所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)相配的距离信息(42)计算比例尺(46)和/或针对图像(9、10)的每个图像分块测量距离信息(42)。
16.根据权利要求10至15之一所述的方法，其特征在于，利用测量射线(52)测量距离信息(42)，所述测量射线处于图像拍摄装置(2)所拍摄的光谱范围中，和/或在采用运动和/或加速传感器(58)的输出信号情况下计算图像拍摄装置(2)在两个单次拍摄之间的运动。
17.根据权利要求10至16之一所述的方法，其特征在于，通过SLAM法和/或运动恢复结构法来计算所述至少一个三维位置数据(48、49、50)，和/或计算所述至少一组(29、30、31、32)相互对应的图像组成部分(18、19、20、21、25、26、27、28)在所述至少一个经定比的三维位置数据处的三维显示。
18.根据权利要求10至17之一所述的方法，其特征在于，识别要计算其他三维位置数据(48、49)的空间范围(59)并操控测距仪(3)，以对于所述空间范围(59)测量距离信息(42)，和/或为了操控测距仪(3)，由此前计算的拍摄姿态(15、16)计算或估计当前的拍摄姿态(17)。
19.根据权利要求10至18之一所述的方法，其特征在于，将几何体(51)拟合到所述至少一个三维位置数据(48、49、50)中。
20.根据权利要求10至19之一所述的方法，其特征在于，由优选经定比的三维位置数据计算至少一个长度、面积和/或体积，和/或所述至少一组(29、30、31、32)图像组成部分通过输出单元(5)在对应于所述至少一个三维位置数据(48、49、50)的图像点处输出。
21.用于构建3D拍摄装置的方法，其特征在于，将测距仪(3)与图像拍摄装置(2)连接，拍摄一个场景(11)的包括至少一个图像(9、10)的系列图像，对于每个图像(9、10)测量至少一个距离信息(42)，对于每个测得的距离信息(42)确定在所属的图像(9、10)中的一个与所述距离信息(42)相关的图像位置，并由所测得的距离信息(42)和所确定的图像位置计算至少一个参数，所述参数描述测距仪(3)相对于图像拍摄装置(2)的定向。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，利用测距仪(3)的测量射线(52)照射已知的和/或人工建造的场景。
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