CN106255863A - 通过图像分析对场景进行三维重构的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备，所述设备包括：图像采集设备(4)，用于记录场景的图像；分析设备(12)，用于根据由图像采集设备(4)捕获的场景的至少一个图像(10)来计算场景的三维重构；以及投射设备(14)，用于将彼此互补的第一光图案和第二光图案投射在当前受检的场景上，第一光图案和第二光图案沿着成非零角度的不同投射轴(A1；A2)被投射，以使得这两个图案中的一个图案放置在另一个图案上从而在投射平面中形成强度一致的均匀图像。

Description

通过图像分析对场景进行三维重构的设备及方法
本发明涉及以下领域：根据使用图像捕获设备所获取的场景的一个或几个图像以及根据使用图像分析设备对所获取的图像的分析，对场景进行三维重构。
通过图像分析对场景进行三维重构适用于工业领域，具体地，适用于对位于难以进入的位置，例如在核反应堆、特别是在核反应堆的蒸汽发生器中的部分或表面的三维形貌进行确定。具体地，可以监测两个部分之间所形成的焊缝的表面状况，或者可以测量表面粗糙度。
在由图像采集设备获取的图像上，位于清晰区中的元素表现清晰，而位于清晰区外的元素表现模糊。清晰区是包括在清晰前平面与清晰后平面之间的一段空间，清晰前平面与清晰后平面平行并且相隔被称为景深的距离。清晰前平面和清晰后平面位于最大清晰度平面的任一侧上。
可以通过分析图像的光学模糊度来确定场景的三维重构。
在称为DFF(Depth From Focus，聚焦深度)的三维重构方法中，使用图像采集设备来获取场景的几个图像，每次在上述图像之间沿图像采集轴平移最大清晰度平面，而不在图像采集之间移动场景的元素。然后通过组合不同的捕获图像的清晰区域，可以逐平面地重构场景的三维形貌。
在另一被称为DFD(Depth From Defocus，离焦深度)的三维重构方法中，通过分析图像的光学模糊水平来重构场景的形貌。在每个图像中，某个区的模糊水平越高，则该区相对于清晰区沿深度方向移动得越多。通过了解图像采集设备的光学参数，可以确定场景的与图像的每个像素相关联的点的深度。
图像的光学模糊水平例如通过测量图像的对比度来测量。低对比度表示图像的模糊区域，而高对比度表示图像的清晰区域。
可以在场景上投射增加对比度的纹理光图案以提高对捕获图像的光学模糊度的分析精度。该光图案例如包括平行线、条纹或方格。
然而，例如对于具有低粗糙度的表面的三维重构，这在精度方面不能完全令人满意。
本发明的一个目的是提出一种通过分析使用图像采集设备所获取的图像来对场景进行三维重构的设备，该设备易于使用并且具有令人满意的精度。
为此，本发明提出了用于通过图像分析来对场景进行三维重构的设备，包括：图像采集设备，用于捕获场景的图像；分析设备，用于根据由所述图像采集设备获取的场景的至少一个图像来计算场景的三维重构；以及投射设备，用于将互补的第一光图案和第二光图案投射在受检场景上，第一光图案和第二光图案沿着成非零角度的不同投射轴被投射，以被叠加从而在投射平面上形成强度一致的均匀图像。
三维重构设备可以包括以下单独考虑或组合考虑的光学特征：
第一光图案和第二光图案各自包括形成几何图案的亮区和暗区，尤其包括光条纹；
分析设备被编程为：根据场景的每个图像的光强度的一致性上的变化的测量值来计算三维重构；
分析设备被编程为：按照场景的不同点之间的强度的一致性的变化，根据场景的至少一个图像来计算场景的每个点相对于投射平面的位置，和/或根据至少一个捕获图像来计算场景的每个点的深度的测量值；
重构设备被编程为通过在各次拍摄之间相对于场景移动图像采集设备的最大清晰度平面来捕获场景的图像序列，分析设备被编程为根据所述图像序列逐平面地计算场景的三维重构。
本发明还涉及用于通过图像分析来对场景进行三维重构的方法，该方法包括以下步骤：
将互补的第一光图案和第二光图案投射在受检场景上，第一光图案和第二光图案沿着成非零角度的不同投射轴被投射，以被叠加从而在投射平面上形成强度一致的均匀投射图像；
捕获受检场景的至少一个图像；以及
通过对捕获图像的分析来计算场景的三维重构。
所述三维重构方法可以包括以下单独考虑或组合考虑的可选特征：
第一图案和第二图案各自包括形成几何图案的亮区和暗区，特别包括光条纹；
分析设备被编程为：根据场景的每个图像的光强度的一致性上的变化的测量值来计算三维重构；
用于计算三维重构的步骤包括：按照场景的不同点之间的强度的一致性的变化，根据场景的至少一个图像来计算场景的每个点相对于投射平面的位置，和/或根据至少一个捕获图像来计算场景的每个点的深度的测量值；
图像采集步骤包括通过在各次拍摄之间相对场景移动图像采集设备的最大清晰度平面来捕获场景的图像序列，用于计算三维重构的步骤包括根据图像序列逐平面地计算场景的三维重构。
当阅读仅作为示例提供并且参考附图做出的以下描述时，将更好地理解本发明及其优点，附图中：
图1是通过图像分析对场景进行三维重构的设备的正面示意图；以及
图2是对由三维重构设备投射的光图案在叠加前后的示意性说明。
图1的三维重构设备2适于通过场景的图像分析来重构该场景的三维形貌。
三维重构设备2包括用于获取场景的数字图像的数字图像采集设备4，例如数字拍摄设备或数字相机。
图像采集设备4包括物镜6，其用于将场景的光聚焦在矩阵传感器8上。被场景的光照射的传感器8捕获场景的矩阵图像10。矩阵图像10由像素矩阵形成，每个像素具有关联参数(彩色图像的每个原色的光强度或黑白图像的灰度水平)。图像的每个像素与场景的点对应。
图像采集设备4具有图像采集轴X，该图像采集轴X与物镜6的光轴对应。
图像采集设备4具有包括在清晰区中的最大清晰度平面Pmax，清晰区是限定在位于最大清晰度平面Pmax的任一侧上的清晰前平面P1与清晰后平面P2之间的一段空间。
最大清晰度平面Pmax、清晰前平面P1和清晰后平面P2垂直于图像采集轴X并且彼此平行。清晰前平面P1与清晰后平面P2之间的沿图像采集轴X的距离是景深。
图像采集设备4获取以下图像：包括在清晰区中的场景元素清晰，而清晰区外的场景元素模糊。
从最大清晰度平面Pmax至图像采集设备4的距离以及景深取决于图像采集设备4的参数(焦距、T-光圈等)。图像采集设备4的参数是可调或固定的。
优选地，对于三维重构，选择或调节图像采集设备4的参数以使景深低，例如低于要重构的场景的深度。例如，测试表明，可以以1/10mm的深度分辨率来重构深度为大约40mm、景深大约为20mm的场景。如果表面纹理使得可以确定对比度曲线的最大值，则还可以考虑较大的景深。
图像采集设备4包括电子分析设备12，电子分析设备12能够分析由图像采集设备4捕获的图像以通过对捕获图像的分析来执行场景的三维重构。
分析设备12包括处理器以及存储有计算机应用程序的存储器，该计算机应用程序包括软件指令，该软件指令能够由处理器执行以自动地通过图像分析来计算场景的三维重构。
三维重构设备2包括投射设备14，投射设备14用于在场景上投射纹理化且互补的第一光图案16和第二光图案18以在位于图像采集设备4的清晰区中的投射平面PP中形成清晰的基本图像，从而在投射平面PP中形成均匀的组合图像。
优选地，如所说明的，投射平面PP基本上与最大清晰度平面Pmax重合。
投射设备14被配置成分别沿成非零角度的第一投射轴A1和第二投射轴A2投射第一光图案16的第一投射光束15以及第二光图案18的第二投射光束17。第一光束15与第二光束17交错。
至少一个投射轴A1，A2与图像采集轴X不同并且与图像采集轴X成非零角度。在所示出的示例中，各个投射轴A1，A2与图像采集轴X不同并且与图像采集轴X成非零角度。此处，图像采集轴X在投射轴A1与投射轴A2之间形成二等分线。投射轴A1、A2与图像采集轴X共点。
如图1所示，投射设备14包括用于投射第一光图案16的第一投射器20以及用于投射第二光图案18的第二投射器22。
如图2所示，每个光图案16、18被纹理化并且具有亮区和暗区。此处，光图案16和光图案18各自由光条纹形成，即，多个亮暗交替的平行直线带。此处，光图案16、18是黑白色。
光图案16和光图案18互补以使得：通过在光图案清晰的投射平面PP中将光图案16和光图案18叠加，产生光强度一致的均匀组合图像24。互补的光图案16和光图案18被叠加以使得一个光图案的暗区被叠加在另一个光图案的亮区上。
由于投射轴A1与投射轴A2成非零角度，当场景的点位于投射平面外时，基于该点的位置及深度来将其放置在：
中间光强度区，对应于光图案16和光图案18两者之一的暗区与光图案16和光图案18两者中另一个的亮区的交叉区，并且其中光图案不清晰且光强度被减小；
高光强度区，对应于光图案16和光图案18的两个亮区的交叉区，并且其中该光强度高于投射平面PP中的光强度；和/或
低光强度区，对应于光图案16和光图案18的两个暗区的交叉区，并且其中该光强度低于投射平面PP中的光强度.
场景的位于投射平面PP外的点的光强度不同于(低于或高于)该场景的位于投射平面PP中的点的光强度。由图像设备4获取的图像的每个像素的光强度因此表示场景中的对应点的深度。
图像的强度一致性因场景深度而异。场景的区域距投射平面越远，图像的对应区中的强度一致性就越低。场景的区域距投射平面越近，图像的对应区中的强度一致性就越高。
图像分析设备12被编程为对由图像设备4获取的每个图像进行扫描来检测强度一致性变化，从而确定场景的点相对于投射平面的位置和/或测量场景中与每个像素对应的点的深度。这使得可以计算场景的三维重构。
在一种实施方式中，图像采集设备4提供黑白图像。黑白图像将灰度水平与每个像素相关联，表示该像素的光强度。在此情况下，图像分析设备12被编程为通过使自身以该图像的灰度水平为基础来分析这样的图像的光强度。
在一种实施方式中，图像采集设备4提供彩色图像。彩色图像包括三个强度图像，其中每个与相应的颜色相关联，从而将该颜色中的光强度与图像的每个像素相关联。三种颜色例如是三种基本颜色(绿、黄、蓝)。在此情况下，图像分析设备12被编程为：通过分析三个强度图像中每个图像的光强度，然后例如通过将每个像素的三个强度图像的光强度相加来组合上述分析，从而对捕获图像中的光强度进行分析。
图像分析设备12例如提供场景的深度图形式的三维重构作为输出，该深度图将深度与由图像采集设备获取的场景的图像的每个像素相关联。
图像分析设备12被编程为：基于与场景的每个点相关联的深度来计算该场景的三维重构。
在一种实施方式中，三维重构设备2被编程为通过在各次拍摄之间使得最大清晰度平面Pmax和投射平面PP一起移动来获取场景的图像序列，图像分析设备12被编程为例如通过针对每个图像来确定位于投射平面PP中的清晰元素来逐平面地计算场景的三维重构。为了移动最大清晰度平面Pmax和投射平面PP，图像采集设备4沿其图像采集轴X可调和/或可移动，和/或投射设备14沿图像采集轴X可调和/或可移动。
在一种实施方式中，图像分析设备12被编程为：例如基于通过在各次拍摄之间移动投射平面PP(以及使最大清晰度平面一起移动)而获取的图像序列中的图像之间的点的清晰度变化，来计算场景的每个点相对于投射平面PP的位置。如果场景的点的清晰度在两次拍摄之间增加，则投射平面PP已经移近场景的该点。如果场景的点的清晰度在两次拍摄之间减小，则投射平面PP远离了场景的该点。从各次拍摄之间场景的该点的清晰度变化以及投射平面PP的移动方向来推导出场景的该点的位置。
在一种实施方式中，图像分析设备12被编程为基于以下各项来确定场景的三维重构：场景的点相对于投射平面PP的位置，例如根据在其之间移动了投射平面PP(以及使得最大清晰度平面Pmax一起移动)的图像序列中的点的清晰度变化来确定此位置；以及根据在至少一个图像中的强度一致性变化的检测来确定的场景的每个点的深度。
此处，场景由希望检查的对象24的表面22形成。
在操作期间，对象24被布置在图像采集设备4的视场中，要受检的表面22被定向成朝向图像采集设备4。投射设备14在要受检的表面22上投射光图案16、18。通过在位于图像采集设备4的清晰区P1-P2中的投射平面PP中形成具有一致光强度的光照来在该投射平面PP中将光图案16和光图案18叠加。图像采集设备4获取场景的至少一个图像10并且将图像提供给分析设备12，其例如通过计算由图像采集设备4获取的图像的每个像素的深度来根据该图像或每个图像对场景进行三维重构。
根据本发明，可以以令人满意的精度来执行场景的三维重构。具体地，可以三维重构具有低粗糙度的表面。
实际上，通过分析图像的光学模糊度而进行的深度测量一般基于对比度测量，其是一种相对性测量。为了测量表面粗糙度，在该表面的图像中所测量的模糊度水平因此取决于该表面的粗糙度，并且如果表面具有低粗糙度，则模糊度水平差异在图像的各区域之间很小，并且测量精度很低。
相反地，投射被叠加的互补光图案使得可以基于强度的一致性的变化来实现深度测量，此变化不取决于表面的总体粗糙度从而使得即使对于低粗糙度的表面仍能够进行精确的深度测量。

Claims (10)

1.一种用于通过图像分析来对场景进行三维重构的三维重构设备，包括：图像采集设备(4)，用于捕获所述场景的图像；分析设备(12)，用于根据由所述图像采集设备(4)获取的所述场景的至少一个图像(10)来计算所述场景的三维重构；以及投射设备(14)，用于将互补的第一光图案和第二光图案投射在受检的场景上，所述第一光图案和所述第二光图案沿着成非零角度的不同投射轴(A1；A2)被投射，以被叠加从而在投射平面形成强度一致的均匀图像。
2.根据权利要求1所述的三维重构设备，其中，所述第一光图案和所述第二光图案各自包括形成几何图案的亮区和暗区，特别包括光条纹。
3.根据权利要求1或2所述的三维重构设备，其中，所述分析设备被编程为根据所述场景的每个图像(10)的光强度的一致性上的变化的测量值来计算三维重构。
4.根据前述权利要求中任一项所述的三维重构设备，其中，所述分析设备(12)被编程为：按照所述场景的不同点之间的强度的一致性上的变化，根据所述场景的至少一个图像(10)来计算所述场景的每个点相对于所述投射平面的位置，和/或根据所述场景的至少一个图像(10)来计算所述场景的每个点的深度的测量值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的三维重构设备，所述三维重构设备被编程为通过在各次拍摄之间相对于所述场景移动所述图像采集设备(4)的最大清晰度平面来捕获所述场景的图像序列(10)，所述分析设备(12)被编程为根据所述图像序列(10)来逐平面地计算所述场景的三维重构。
6.一种通过图像分析来对场景进行三维重构的三维重构方法，包括以下步骤：
将互补的第一光图案和第二光图案投射在受检的场景上，所述第一光图案和所述第二光图案沿着成非零角度的不同投射轴(A1；A2)被投射，以被叠加从而在投射平面上形成强度一致的均匀投射图像；
捕获所述受检的场景的至少一个图像；以及
通过对所捕获的图像的分析来计算所述场景的三维重构。
7.根据权利要求6所述的三维重构方法，其中，所述第一图案和所述第二图案各自包括形成几何图案的亮区和暗区，特别包括光条纹。
8.根据权利要求6或7所述的三维重构方法，其中，根据所述场景的每个图像(10)的光强度的一致性上的变化的测量值来计算所述三维重构。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的三维重构方法，其中，用于计算三维重构的步骤包括：按照所述场景的不同点之间的强度的一致性上的变化，根据所述场景的至少一个图像(10)来计算所述场景的每个点相对于所述投射平面的位置，和/或根据至少一个捕获图像来计算所述场景的每个点的深度的测量值。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的三维重构方法，其中，所述图像采集步骤包括：通过在各次拍摄之间相对于所述场景移动所述图像采集设备(4)的最大清晰度平面来捕获所述场景的图像序列(10)，用于计算三维重构的步骤包括根据所述图像序列(10)逐平面地计算所述场景的三维重构。
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