CN107131848A - 能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器 - Google Patents

能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，包括：一台投影仪，将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；至少两台相机，能在同一时刻采集一张照亮的物体的图像，图像被控制处理单元进一步的处理，投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影的光线可以由多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。本专利的光学三维传感器能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状，原则上可以以相机的速率来获得被检测物体的三维数据，从而真正实现三维相机功能。

Description

能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器
本发明申请要求申请号为10 2016 002 398.8，申请日为2016年2月26日的德国专利申请的优先权，该项在先申请公开的全部技术内容纳入此处作为参考。
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器。
背景技术
本专利的发明人致力于实现真正的3D相机，而目前绝大部分获得被检测物体的三维数据的方法一般都需要在不同的时间获取一系列的图像才能够获得高精度的物体三维的表面形状。因此无法实现3D相机功能。
几乎所有已知的高品质的致密的三维测量方法一般都需要在不同的时间得到一系列的图像，以便获得高精度的三维测量数据。这些方法需要在不同的时间获得一系列图像的数量N一般在3至约30之间。假定获取这N张图像所需要的时间是T，那么被测物体和传感器本身在T时间内不能有相对的移动，而且被测物体本身在T时间内也不能变形。因此，这些三维测量的方法无法对于在运动的人或在做碰撞测试的车进行三维高速测量。还有一个更为重要的因素是因为这些高品质的三维测量方法一般需要将随时间变化的光线，如正弦条或随机的光线图案投射到物体表面。虽然，随着科技的进步，相机的拍摄速度越来越快，但是用来投影随时间变化的光线的投影机的速度并没有跟上相机速度的发展。因此，这些方法近年来的发展主要受到用来投影随时间变化的光线的投影机的速度的限制。投影机的速度不够快同时投影出去的光线不够亮，成为这些方法发展的主要制约因素。如果有一种方法，能够使用a)不随时间变化的光线，b)而且能够以相机的拍摄速度来采集物体的三维数据，将会十分有益。
有一个已知的方法，即光线切割法，是不需要在不同的时间里来采集一系列图像的。在最简单的情况下，一条光线被投影到被检测物体的表面，然后通过简单的三角测量法即可得到被这一条光线照射到的物体的表面形状。但是，如果每次只能用一条光线投影到检测物体的表面来做测量，而每次被一条光线照射到的物体的表面面积十分有限，测量一个物体需要投影很多次单条光线，才能完成整个物体的测量，这样就需要很长的测量时间。为了增加数据采集的密度以便缩短测量时间，人们可以在每个时刻向被测物体同时投射多条光线。但是，在投射多条光线时，会产生所谓的一一对应问题，即人们必须准确知道哪些图像上的数据是和哪一条光线所对应的。而这个即使在使用不多的光线时就已经难以保证对应的唯一性了。
为了解决这个问题，美国专利US2010/0303341 A1中描述了一种所谓的“飞行三角测量法”。它每次只在物体表面很稀疏地投影几条光线，以便确保相机采集到的这几条光线均能实现和采集数据的一一对应。相机可以围绕被测量物体做自由的移动，以便在这个被测量物体的多个空间方向和多个空间位置上采集到很多次投影了几条光线的数据。假定被测量物体在图像采集过程中是刚性不变的，此方法就可以把这些多个空间方向和多个空间位置上采集到的数据加以合并，以获得被测量物体的表面的致密的采样。由于相机围绕被测量物体做自由的移动，就好像相机在围绕这个被测量物体做自由飞行，因此此方法命名为“飞行三角测量法”。美国专利US8140295 B2中也描述了一种类似的方法。
还有一些方法，也能够增加每次投影的光线的数量，以实现更加致密的采样和减少数据采集时间。这些方法通常是基于对投影的光线的编码。例如，投影的光线可以通过不同的颜色来进行编码和解码。
这些方法的主要缺点是，被测物体表面的颜色和纹理可能会导致光线用颜色来进行编码和解码时的失误。此外，使用这些方法也不容易获得被测物体表面的颜色和纹理。
另一种编码方法是对投射光线的强度进行调制，或者对光线的空间形态进行调制(美国专利US7768656 B2〕。显而易见的是，这些调制方法需要浪费空间带宽，因此对高空间分辨率的检测不合适。当使用上述的对投射光线的强度进行调制方法对物体进行三维测量时，物体表面的细节往往无法获得高精度的测量。这同样适用于其它使用空间调制图案投影的方法。
上述关于现有技术的讨论，揭示了一个事实，即采集高分辨率和致密的三维数据往往需要在不同的时间拍摄的一系列图片，而单次成像方法一般无法提供致密的数据。这是由基本的信息理论决定的。
如果仅使用只有亮和暗两种光线强度的光线投影来做三维物体测量，因为每条亮的光线有一定的宽度而且其光强相同，这就直接导致了每个照相机像素无法全部被用来做三维物体测量，因此无法实现三维数据的致密采集。如果使用带灰阶的光强渐变的光线投影来做三维物体测量，例如，投影光强按正弦波来变化的光线，虽然每个照相机像素均有助于三维信息的采集，似乎好像可以实现三维数据的致密采集，但它原则上也有问题，导致无法实现三维数据的致密采集。当人们使用带灰阶的光强渐变的光线投影来做三维物体测量时，会碰到如下几个未知因素，未知的背景光，未知的物体表面光反射系数，和未知的投影光线的灰度值的。这几个未知因素必须通过其它方法来解决，这三个未知因素至少需要使用三组适当的编码的图像才能解决。
杨等人提出了另一个想法，让本来需要在不同时间采集的一系列图像通过一系列的相机在同一时间内进行采集。为达到这个目的，多台相机通过合适的布置，并使用合适的投影图案，就能够在同一时间里采集相应的图像，并做到正确的解码。但是这种方法的主要问题是需要较大数量的相机。为了能够在测量区域内能够获得至少1024不同高度的高度分辨率，这种方法至少需要同时使用10台相机。然而，要校准这么多台相机，并且让它们安装稳定，在技术上要求很高。
还有一种方法也使用多个相机来替代在不同时间里采集一系列图像，来解决唯一性的问题。这个能够减少采集一系列图像的数量，但是仍然无法实现三维数据的单次测量。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，达到能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状的目的。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，包括：
一台投影仪，其光轴指向被测物体，而这台投影仪能够将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；和
至少两台相机，相机的光轴均指向被测物体，
所述相机能够在同一时刻采集一张被投影仪投影的光线所照亮的物体的图像，
所述图像能够被控制处理单元进行进一步的处理，
投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影仪投影的光线可以含有多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，
所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。
进一步，所述相机为两台，；投影仪投影的光线图案中线条的两个方向正好和坐标系的X轴和Y轴方向重合；而两个相机的光轴分别与与投影仪的光轴在坐标系中的X-Z平面及Y-Z平面上构成了4个三角测量的角度：，由此两个相机与投影仪分别组成了四个独立的三角测量传感器；
三角测量传感器在每个光线的方向上，能够采集独立的物体表面的三维数据，控制处理单元能够将所述独立的物体表面的三维数据耦合起来。
进一步，其中至少两个三角测量角度具有足够大的角度使得对应的两个三角测量传感器在X和Y方向具有设定的测量精度，另外至少两个三角测量角度具有足够小的角度使得对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据。
进一步，根据以下公式来固定光线的数目，并在具有唯一性的测量深度的条件下，选择合适的具有足够小的角度的两个三角测量角度，以实现其对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据；
其中L是光线的数目，Δx表示测量场的横向范围，Δz是唯一的测量深度，θ表示三角测量法的测量角度。
进一步，光线图案只含有一个方向的光线线条，并光线线条沿着Y方向，从而使得具有设定的测量精度的两个三维光学传感器，对应的两个三角测量角度在X方向上。
进一步，所述相机有至少一台是彩色相机，或者额外增加一台彩色相机，以便在采集物体表面的三维数据之外，也能够到物体表面的颜色纹理信息。
进一步，所述投影仪投影的光线图案的周期可以随空间变化，也可以在不同的方向上有变化。
进一步，光学三维传感器能够以相机帧频率的速度来采集三维数据，并产生被测物体的三维模型，然后可以将按时间顺序分别采集到的三维模型合并成三维电影并显示在显示器上。
进一步，所述光学三维传感器可通过一个对观察者的位置定位的传感器，来实时地控制该三维光学传感器所获得的三维数据模型的显示角度。
进一步，所述光学三维传感器可将三维模型在多个视角上做同时的显示。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状，原则上可以以相机的速率来获得被检测物体的三维数据，从而真正实现三维相机功能。
附图说明
图1为一台照相机用三角测量角度θ来测量一个被测物体的示意图。
图2为本发明使用一台投影仪和多台相机来实现快速和致密形状检测的光学三维传感器的示意图。
图3为本发明一个实施例中能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器的示意图。
图4a为用一个小的三角测量角获得大的测量深度和高噪声的三维数据M1，及大的三角测量角在获得小的测量深度和低噪声的三维数据M2，组合起来以获得大的测量深度和低噪声的三维数据MK的示意图
图4b为用两个不同但是类似的三角测量角以获得两组具有不同的但是类似的测量深度和噪声的三维数据M1和M2，然后通过类似于剩余计数的方法，得出具有大的测量深度和类似噪声的三维数据MK的示意图
图5为本发明另一个实施例中能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器的示意图。
图6为在多个显示器或曲面显示器上从多个方向来显示一个三维物体的虚拟模型的示意图。
图7为使用本专利技术所获得的一个正在讲话的人的包含了人脸表面亮暗纹理的三维模型。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明涉及的一种光学三维传感器能够用单次成像方法获得高时间分辨率和致密的三维物体表面形状。
“单次成像方法”指的是在获得被检测物体在三维表面形状时，只需要在同一个时间获得一张或数张图像即可。因此，本发明专利系统原则上可以以相机的速率来获得被检测物体的三维数据，从而真正实现3D相机功能。这和绝大部分目前已知的方法不同，它们一般需要在不同的时间获取一系列的图像才能够获得高精度的物体三维的表面形状。因此无法实现3D相机功能。
“致密三维测量”是指能够对检测物体的表面进行致密的采样，采样点的致密程度甚至可以达到相机和物理学的理论极限。目前已知的其它方法在采样的致密度方面和本专利的方法相差很远。
“高清晰度”是指采样的速度和数据密度不再像目前已知的其它方法那样受系统的横向分辨率和深度分辨率的影响。因此，用本专利的方法来检测物体的表面的细节，可以获得高精度的三维测量。
本专利发明的解决方案只需要使用两台相机，就可以在测量区域内获得具有良好信噪比和具有几千个高度的高度分辨率。此外，由于本专利发明的解决方案使用很窄的光线做投影，而不是二进制的黑白(暗亮)条纹，因此本专利发明的解决方案也能够获得更好的横向分辨率。
还有一种方法也使用多个相机来替代在不同时间里采集一系列图像，来解决唯一性的问题。这个能够减少采集一系列图像的数量，但是仍然无法实现三维数据的单次测量。
本发明公开的方法可以在很大程度上克服现有技术的限制，使用一台普通的相机，就可以在一个单一的相机视频时钟内，捕获大约30万个三维的数据点，而且其分辨率和其测量的不确定性，其中仅由物理理论极限限制。有人指出，一个完整的致密的数据采集，即每个相机的像素都可以用来对三维数据进行，在没有妥协的情况下，单次成像是不可能的。有论文指出尽管采样定理在理论上允许，用像素摄像头的行数来做光线的投影，从而依靠一个单张视频图像来获得三维数据，但在实践中，由于相机的噪声和视角的倾斜导致条纹周期的缩短，这个理论极限很难达到。
目前已知的单次成像方法与这个理论极限还有很大的差距，因为现有的这些方法和技术，需要通过光线的投影来解决唯一性问题，而光线的投影对达到这个理论极限产生很大的限制。
本发明是基于多线条三角测量法的工作原理，将多个光线投影到被测物体上。这里，一台照相机用三角测量角度θ来测量一个被测物体。通过投影很窄的直线光线，每个直线光线的中心位置通常可以以相机像素尺寸的十分之一的精度(取决于在图像中的噪声)来准确定位。用这种像素插值来确定条纹的位置能够将达到大大降低三维数据测量中的高度不确定性δz。同时，投影很窄的直线光线也让本专利的方法有很高的横向分辨率-哪怕是很小的表面特征都可以被精确测量。投影很窄的直线光线也需要占据更少的空间，它让致密的三维数据成为可能。
当然，投影很窄的直线光线到被测物体的表面也有它的缺点：如果对投影很窄的直线光线没有进行编码，人们就很难在图像中找到这些光线和三维数据之间的对应关系。方程1可以用来估算在多线条三角测量法中投影很窄的直线光线的最大行数
其中L是光线的数目，Δx表示测量场的横向范围，Δz是唯一的测量深度，θ表示三角测量法的测量角度，如图1所示。唯一的测量深度意味着所有在这个测量深度内的所有光线都能够被唯一地确定。而三角测量法的测量角度越大和噪声越低，测量的不确定性δz就越低。
根据方程1，现有的多线条三角测量法无法用单次成像法在较大的测量深度时同时实现致密和精确的三维测量。
本发明通过引入一个或多个附加的相机(10)，(20)，(30)，...，和使用合适的可以含有多个方向的投影光线图案(6)，解决了上述的问题。如图二所示，光三维传感器由一个传感器头(3)和一个控制和处理器(4)，以及一个用于图像的显示显示装置(5)组成。作为本专利的一个实例，我们来对如图三所示的具有两个相机(10)和(20)的三维传感器，进行说明。首先，这个本专利的实例的三维传感器使用仅沿一个方向的进行投影的光线，如(6A)所示。在图3中，我们假定投影的光线的方向为y方向。为了进一步增加采集数据密度，可以投影一个如(6b)所示的二维的光线条纹。该光线条纹的两个方向可以和坐标系的x轴和y轴重叠。不失一般性，投影机(7)可以被放置在坐标系的原点。投影机的光轴(8)的坐标系的z轴一致并且指向被测物体(9)。
在图3显示的实例中，两台相机(10)和(20)沿x轴布置，它们的光轴即相机面对的方向(13)和(14)指向被测物体(9)。投影机的光轴线(8)和坐标系的(z轴)一致。这两台相机的光轴正好和投影机的光轴线(8)形成不同的三角测量法角度(1)和(2)。这样就组成了一个三维传感器(3)，而这个三维传感器由两个三角测量传感器T1和T2，组成，而且T1和T2共用相同的投影图像(图6a)。三角测量传感器T1由投影机(7)和相机(10)组成。而三角测量传感器T2则由投影机(7)和相机(20)组成。两台相机(10)和(20)在同一时刻采集被光线图案(6a)投影到的物体(9)图像，则该被测物体表面在被光线图案(6a)投影到的物体的三维信息，就可以由这两个独立的三角测量传感器T1和T2获得。重要的是，两个三角测量传感器T1和T2必须同时采集到在同一个物体上的图像采集点。
本发明的一条基本思路是，通过两个三角测量传感器的耦合(如图三中的T1和T2)，来构建一台3D传感器，用单次成像的方法，通过很多条很窄的投影光线来对被测物体表面进行致密的数据采集，通过较大的三角测量的角度并降低测量不确定性Δz，同时还能获得较大的测量深度Δz。
这些可以在如图三所示的系统中，通过一个含有较小的三角测量角度(1)的三角测量传感器T1和相机(10)，和一个含有较大的三角测量角度(2)的三角测量传感器T2和相机(20)来实现。根据方程1，对于一个给定的L条投影光线和一个给定的测量场Δx，较小的三角测量角度(1)可以带来一个较大的具有唯一性的测量深度ΔzT1。同时，会直接导致较大的测量不确定性δzT1。较大的测量不确定性δzT1意味着三角测量传感器T1采集到的数据精度较低，噪声较大，无法直接使用。而三角测量传感器T2，因为它具有较大的三角测量角度(2)，所以它的具有唯一性的测量深度ΔzT2会较小，但是与之相应的测量不确定度δzT2也较小。虽然较小的测量不确定度δzT2意味着三角测量传感器T2测量到的数据比较精确，噪声较低，但是由于其具有唯一性的测量深度ΔzT2较小，T2采集到的数据仍然无法直接使用。
本发明提出的两个三角测量传感器的耦合方法可以解决上面提出的问题。这种耦合可以通过两个三角测量传感器所采集到的数据的反向投影来实现。两个三角测量传感器的耦合的基本想法就是把含有较小的三角测量角度(1)的三角测量传感器T1，和一个含有较大的三角测量角度(2)的三角测量传感器T2采集到的数据的优缺点结合起来，以达到测量不确定性较小，同时具有唯一性的测量深度较大的目的。
首先，一个三维模型M1可以先用T1采集的数据计算出来。如上所述，T1采集的数据有较大的具有唯一性的测量深度和较大的测量不确定性。因此，用T1采集的数据计算出来这个模型也具有较大的测量不确定性，但是它的较大的具有唯一性的测量深度的特性，保证了所有的在测量范围内的所有的被投影的光线线条都能够被正确定位。然后人们可以将所计算出来的三维模型M1上的三维点反向投射到三角测量传感器T2的照相机(20)的图像上。这些投射到相机图像(20)中的这些点会和相机(20)自身采集到的点几乎完全重合。反向投射数据点一般噪声较大，但是其光线线条能够被正确定位。这些被正确定位的光线线条信息可以用来取代T2采集来的光线线条信息，而T2采集来的数据点由于其较大的三角测量角度，本身的噪声较低，这样就可以创建被测物体的更加精确的三维模型MK。因此，方程1所展示的每个三角测量传感器T1，T2的限制，可以由两个三角测量传感器的耦合来抵消。
发明人之前介绍了使用两个相机，以及一个大的三角测量角度，和一个小的三角测量角度，以及仅在一个方向上来投影如(6a)所示的光线线条，来做三维物体测量的基本想法。
本专利进一步发展了这个想法，通过使用多个方向的线条光线图案和多个相机，来一起实现更多三角测量传感器的耦合。
其实，通过反向投影来实现三角测量传感器的耦合不仅仅限于上述描述的实例中的小三角测量角(1)和大三角测量角(2)之间的耦合。它也适用于两个三角测量角度大致相等的情况。这样，当人们选择一个固定的投影光线数L，测量深度是ΔzT1和ΔzT2可以如此选择(根据方程1)，以便通过一个类似于剩余计数方法的装置，如图4b所示，来确定正确的光线线条。例如，如果人们选择ΔzT1＝300毫米，ΔzT2＝400毫米，所得出的具有唯一性的测量范围可以达到1200毫米。如图4b所示，两个具有类似测量深度的三角测量传感器T1和T2，采集一个扁平的物体的数据，然后分别计算出三维模型M1和M2，通过反向投影数据的耦合，来确定“正确的”模型MK。
在上述的用小三角测量角和大的三角测量角的测量方法中，人们也可以把两个三维模型M1和M2直接通过T1和T2采集到的数据计算出来。然后，在三维空间内，寻找M1和M2的相同点，来最终计算出组合出来的唯一的三维模型MK。如图4a所示，M1的唯一性较好，但是噪声较大，而M2的唯一性较差但是信号较好。通过对M1，M2的分析，就能够组合出来的唯一的MK。
此外，T1和T2的耦合可以通过被测物体表面的特征来实现，也可以将本专利的方法和图案编码(例如，在空间上或颜色)方法组合起来使用。
为了在相同的图像质量的条件下，增加测定数据的密度，人们可以对图3所示的系统做进一步的改进。人们不再投影如(6a)所示光线线条图案，而是投影一个交叉光线图案(6b)。这个交叉光线图案的光线的两个方向，作为例子，可以选择沿坐标轴的X和Y方向。原则上，人们可以在图3所示的实例中，再增加一个三维传感器，而且增加的这个三维传感器，并不需要增加相机的数量。如图5所示，这个增加的三维传感器和之前的三维传感器相对于z轴做了一个90°的旋转。如图5所示，位于毗邻x或y轴，两台相机(10)和(20)的光轴(13)和(14)还是指向被测物体(9)。在XZ或YZ这两个平面上，两台相机(10)和(20)正好可以构成了四组三角测量角度(11)，(12)，(21)，(22)，如图5b和图5c所示。而这四组三角测量角度正好可以组成T11，T12，T21，T22这四个独立的三角测量传感器。本专利的方法只要使用两个三角测量传感器就能够构成一台三维传感器。因此，本专利能够使用仅仅两台相机，而不是四台相机，就能够在两个方向上形成2个独立的3D传感器。
图5展示了三维光学传感器含有被测物体(9)和投影的光线图案(6b)的一个立体的示意图。为了更清楚地看清楚各个三角测量角度，我们可以将这个立体的示意图用两个在两个垂直的平面x-z平面和y-z平面上的投影来展示。图5b展示了三维光学传感器在x-z平面上的投影，图5c展示了三维光学传感器在y-z平面上的投影。角度(11)和(21)是在为在y方向上的三角测量角度，而角度(12)和(22)是则是在x方向上的三角测量角度。如图5所示，本专利所示的这种方式只要使用两台相机。就可以实现两个投影方向,X方向和Y方向，四个不同的三角测量角度。
以上的通过图3来说明的用反向投影来实现三角测量的耦合的所有方法，均可类似地应用于图5所示的实例。
图5所显示的方法和概念，可以被推广应用于使用多台相机或多个投影光线方向的系统。多台相机和多个方向上的光线线条的投影，能够产生多组三角测量探测器。这个三角显示根据相机的在空间的位置和光线线条投影的方向，或光线线条的密度周期，人们可以实现不同的具有唯一性的深度范围，不同的测量不确定性和不同的数据密度的测量系统。有些特性也可以有些不同的变化。例如，投影的光线线条不一定需要是周期性图案，也不一定需要是仅含有两个方向上的光线线条。其他的投影光线式样也可以使用。图2中(6c)，(6d)，(6e)，(6f)就展示了几种不同的可能性。投影的光线线条的投影机的中心轴，相机(13)，(14)，和(15)的中心轴，以及投影的光线线条的方向，决定了这些多组三角测量探测器的工作特性。多组三角测量探测器之间的耦合可以对被测物体的表面进行致密的和精确的测量。
如果使用三个投影光线线条线的方向和两个相机，人们就可以组成6个不同的从T1到T6的三角测量传感器，同时采集6组独立的被测物体数据。对于被测物体数据中可能存在的问题，如，噪声太高或线条的唯一性无法保证等，人们就可以用这6组独立的数据来消除这些问题。人们可以选择通过对三角测量传感器数据的耦合的方法，和图4a和图4b对两个三角测量传感器数据进行耦合的情况类似，来消除数据中可能存在的问题。人们也可以用T1到T6的三角测量传感器采集到的数据来产生6组不完美的被测物体的三维模型M1到M6。在这种情况下，投影光线的图案，和三角测量角度甚至可以是任意的。因为这些不完美的被测物体的三维模型M1至M6应该显示的是同一个被测物体。如果这些不完美的被测物体的三维模型中有2-3组数据是一致的，那么就有很高的概率，这些数据是正确的。当投影线图案比较复杂，并且有许多组三角测量传感器，这种统计方法就比较有用。
值得一提的是投影如(6c)所示的光线图案。如果使用这样的投影光线图案，无论是使用两台相机，如图4所示，还是在这两台相机之外再增加一台相机，人们均可以进一步提高数据采集的致密程度。
投影光线图案时，人们也可以选择在每个方向上，使用不同周期的线条图案，如(6e)或(6f)所示。在这种情况下，根据方程1，人们可以在相同的三角测量角度的情况下，获得不同的具有唯一性的测量深度ΔzTi。
为了对每条投影光线做正确和高精度定位，控制和处理器(4)必须首先对各个方向上的投影光线进行分离。这可以通过在傅立叶变换空间或在普通的空间域中对相机图像做定向的滤波。如果使用的相机是彩色相机的话，人们也可以通过合适的颜色编码，即在不同的方向上用不同的光线的颜色来进行投影，这样就能在采集到的图像中方便地分离不同方向上的投影光线。
本专利有一个明显的优势，那就是，在用相机以相机本身的拍摄速度拍摄到物体的图像后，立即就可以计算出物体表面形状的完整的三维信息。而目前已知的技术则无法做到这一点。因此，本专利的技术对实现三维数据的实时采集，处理和显示是十分有益的：
首先，本专利的单次成像方法，可以用来对物体做非常快速地检测，这样就让对移动的，或者不是刚性的物体，或在碰撞测试变形的物体的进行实时的测量成为可能。人们甚至可以用本专利提出的方法，来对物体表面实现高于相机的帧速率的快速采集。人们可以对物体表面做非常短时间的曝光或用很高的电子快门速度来采集数据，这种速度要比相机的帧速率，如每秒30帧或每秒30帧的相机的帧速率快得多。能够这样做的原因就是因为本专利的系统和方法可以使用不随时间变化的固定的投影光线图案。而不随时间变化的固定的投影光线在技术上实现起来会更方便和更便宜，并且使得任何短的曝光时间均成为可能。当然，这并不排除本专利使用的投影光线图案也可以是随时间变化的，例如人们可以使用激光投影机来产生非常快的和非常明亮的投影光线图案。此外，在某些情况下，如果采集数据的密度可能会比采集数据的速度更为重要，人们也可以使用随着时间移动的投影光线图案。
由于本专利的方法和系统可以实时获得三维数据，并做实时的显示，这就可以让本专利系统的使用者能够和被测物体进行实时的互动，例如，人们可以在被测物体的周围连续地动来动去并实时地去观察显示出来的三维数据，哪里数据还不够，就再多扫描几次。这样人们就可以轻松地而且完整地来完成物体的测量了，而这没有实时的数据采集和显示的情况下是无法实现的。
用本专利实现的三维传感器对虚拟现实的应用和实现也很有帮助，它能够通过实时地采集物体表面的三维数据，让实时渲染变得更加容易实现。
对于真实的渲染，物体的颜色和纹理的采集也是十分有用的。本专利的方法可以做一下的扩展。为了能够同时采集三维数据和物体的颜色和纹理，本专利使用的相机(10)，(20)，(30)...可以是彩色的相机；或者本专利在使用黑白相机的同时，增加一台彩色相机。在前者的情况下，人们可以同时获得三维数据和颜色纹理的图像数据。在第二种的情况下，人们可以独立地获取获得三维数据和颜色纹理的图像数据。可以设想，当人们在完成了物体的三维数据的采集后，在适当的时间内，对被测物体进行快速的白光照明，并同时打开那台新增加的彩色相机来采集该物体的表面颜色和纹理。人们就能够采集到三维数据和颜色纹理的图像数据。
单次成像的一个特别重要的优点是让从不同的角度来实时地显示物体成为可能：在每个相机帧速率的时间里(如果相机帧速率是每秒60帧图像，那么每个相机帧速率的时间就是1/60秒)，采集一组包含物体表面的完整的三维数据。如果在一系列不同的时刻，对一个运动的物体采集到了一系列的物体表面的完整的三维数据，人们就可以把一系列时刻采集到的三维数据连接起来，可以组成一部三维电影。人们可以实时地或非实时地自由选择这组三维数据的观察视角，来显示这组三维数据，从而实现观看任意视角的三维电影。
如图7所示，人们自由选择了三个不同的视角(A,B,C)来从这三个不同的视角显示三维数据。用图5所示的方法，人们采集了一个正在讲话的人的三维数据。图7所示的是这三个不同的视角的一个正在讲话的人的单张示意图。
图7所示的一个正在讲话的人的三维模型已经包含了人脸表面的亮暗的纹理，这是因为人们在做光线投影时，光线的光强正好和物体表面的光反射系数有关，而这个光线的光强也被采集到了。虽然人们没有对这组数据进行插值处理，或者将物体的表面分解成三角网格数据，但是原则上还是获得了比较具有相片真实感的图像显示。
如上所述，使用者可以自由选择和改变三维数据显示的视角。最简单的改变显示的视角方法就是让观察者可以通过一个合适的控制器，例如一个计算机鼠标，实时地对数据显示的视角进行调整或变化。
另一种选择是，在显示器(5)上安装传感器(23)，用于测量观察者的位置。如果观察者在监视器的前面移动，则检测到的观察者位置可以让物体显示的方位与观察者移动的方位一致，以便产生观察者从不同方位看到物体不同部分的立体效果。
人们也可以，例如，如图6所示，在多个显示器或曲面显示器上从多个方向来显示一个三维物体的虚拟模型。显示器(16)展示从方向(16A)看到的一个三维物体的虚拟模型(19)，显示器(17)显示了从方向(17A)看到的虚拟模型(19)，显示器(18)显示了从方向(18A)看到的虚拟模型(19)。如果将一系列显示器做适当地定位，使得一个或多个观察者将有机会查看在显示器在一个时间或通过移动一个接一个，从而走动实质上周围的可视化对象。
上述的这些三维数据显示的多种可能性，也可以通过一个所谓的VR数据目镜来实现。
本专利提出描述的光学三维传感器，可以对物体表面进行非常快速的测量，这对高速工业视觉检测非常有用。同时，它也可以用来快速捕捉移动的场景，拍摄用于虚拟现实的三维电影。

Claims (10)

1.能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述光学三维传感器包括：
一台投影仪，其光轴指向被测物体，而这台投影仪能够将含有大量光线的光线图案投影到被测物体表面；和
至少两台相机，相机的光轴均指向被测物体，
所述相机能够在同一时刻采集一张被投影仪投影的光线所照亮的物体的图像，
所述图像能够被控制处理单元进行进一步的处理，
投影仪的光轴与相机的光轴在不同方向上构成了三角测量的角度，其中投影仪投影的光线可以含有多个方向，多个相机和投影仪按照投影仪投影的光线的方向，构成多组三角测量传感器，
所述多组三角测量传感器通过控制处理单元和投影的光线图案耦合起来。
2.根据权利要求1所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述相机为两台，投影仪投影的光线图案中线条的两个方向正好和坐标系的X轴和Y轴方向重合；而两个相机的光轴分别与与投影仪的光轴在坐标系中的X-Z平面及Y-Z平面上构成了4个三角测量的角度，由此两个相机与投影仪分别组成了四个独立的三角测量传感器；
三角测量传感器在每个光线的方向上，能够采集独立的物体表面的三维数据，控制处理单元能够将所述独立的物体表面的三维数据耦合起来。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，其中至少两个三角测量角度具有足够大的角度使得对应的两个三角测量传感器在X和Y方向具有设定的测量精度，另外至少两个三角测量角度具有足够小的角度使得对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据。
4.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，根据以下公式来固定光线的数目，并在具有唯一性的测量深度的条件下，选择合适的具有足够小的角度的两个三角测量角度，以实现其对应的两个三角测量传感器在测量范围内获得具有唯一性数据；
<mrow> <mi>L</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>z</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>tan</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中L是光线的数目，Δx表示测量场的横向范围，Δz是唯一的测量深度，θ表示三角测量法的测量角度。
5.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，光线图案只含有一个方向的光线线条，并光线线条沿着Y方向，从而使得具有设定的测量精度的两个三维光学传感器，对应的两个三角测量角度在X方向上。
6.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述相机有至少一台是彩色相机，或者额外增加一台彩色相机，以便在采集物体表面的三维数据之外，也能够到物体表面的颜色纹理信息。
7.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述投影仪投影的光线图案的周期可以随空间变化，也可以在不同的方向上有变化。
8.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，光学三维传感器能够以相机帧频率的速度来采集三维数据，并产生被测物体的三维模型，然后可以将按时间顺序分别采集到的三维模型合并成三维电影并显示在显示器上。
9.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述光学三维传感器可通过一个对观察者的位置定位的传感器，来实时地控制该三维光学传感器所获得的三维数据模型的显示角度。
10.根据权利要求3所述的能实现快速和致密形状检测的光学三维传感器，其特征在于，所述光学三维传感器可将三维模型在多个视角上做同时的显示。
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