CN108119780A - 一种自由视角变光照图像采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由视角变光照图像采集系统。该系统包括球形框架、图像采集设备、LED灯组、灯组控制板、球形云台和控制主机，球形框架由方形金属桁架结构搭建而成；LED灯组安装于球形框架的节点上，LED灯通过线缆与灯组控制板连接；图像采集设备通过球形云台固定在球形框架上；灯组控制板与图像采集设备均与控制主机连接。本发明的系统能够通过控制不同角度的LED灯组来获得不同光照环境，并通过图像采集设备获得图像序列，能够用于游戏影视的三维模型重建、图像渲染以及计算机视觉的数据采集等领域。

Description

一种自由视角变光照图像采集系统
技术领域
本发明涉及一种能够提供不同光照环境，并在此环境下采集自由视角图像序列的图像采集系统，属于图像采集装置领域。
背景技术
计算机视觉领域近年来发展迅速，越来越多的有关三维、图像等方面的技术被应用于工业生产，全景图像与VR相机设备结合进入大众视野，三维重建模型与模型采集设备不仅广泛应用于游戏领域，一些高精度模型也被用于影视制作，比如《阿凡达》、《爵迹》等。无论是三维模型还是全景图片，都是基于图像采集的技术。
对三维模型来说，目前的三维重建技术主要分为主动式与被动式，主动式技术通过特殊设备发射激光或红外点阵来获取物体的几何特征，比如结构光设备kinect，以及激光扫描仪。这类设备需要耗费大量时间来进行扫描才能获得较好的模型效果，而且要求拍摄设备要带有红外线或激光的发射与接收模块，不适宜于普适化的应用。被动式技术通过采集一系列图片来获取物体的几何信息，比如通过不同角度拍摄的一系列图片重建三维模型的多视点重建算法，通过计算不同角度下图片中的特征点位置，能够计算出其在空间结构中的坐标，或者通过同一视角下，不同光照条件的图片计算法向量信息，从而恢复模型的光度立体三维重建算法。可以看出被动式技术一方面需要从不同角度获得图像，同时又要能提供不同的光照环境。
在三维影视或游戏领域更是需要渲染不同光照下的模型，因此在过去一段时间里许多大学与研究机构曾尝试设计一些变光照的图像采集系统，例如：2011年，剑桥大学的Roberto在文章("Video Normals from Colored Lights."IEEE Transactions onPattern Analysis&MachineIntelligence 33.10(2011):2104-2114.)中用不同颜色的光同时照射一个物体，并在后续算法中进行分离，从而获得不同光照条件下的图片，但是根据拍摄的物体不同，不同颜色的光会有不同的影响。同时，所使用的光源显色指数无法做到完全一致，不同颜色的光强有一定差异，会为后续计算带来误差。如果光源角度要求更多，则需要更多颜色的光，上面提到的问题也会更严重。
发明内容
针对目前变光照图像采集系统的光源强度不足、光源角度受限、无法拍摄大型物体的技术缺陷，本发明提供了一种自由视角变光照图像采集系统，该系统能够提供多个角度的光照环境，光源强度充足且支持大型物体的拍摄。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自由视角变光照图像采集系统，包括球形框架、图像采集设备、LED灯组、灯组控制板、球形云台和控制主机，所述球形框架由方形金属桁架结构搭建而成；所述LED灯组安装于球形框架的节点上，LED灯通过线缆与灯组控制板连接；所述图像采集设备通过球形云台固定在球形框架上；所述灯组控制板与图像采集设备均与控制主机连接。
进一步地，所述球形框架包括底座、支撑杆和金属框架，金属框架通过支撑杆固定在底座上；所述金属框架呈球状，其顶面和底面为五边形；所述金属框架的一侧开有矩形入口。
进一步地，所述球形框架的节点通过连接块连接，所述LED灯组安装于连接块上；所述连接块包括多边形基板和翼片，翼片固定在多边形基板上，且与多边形基板呈一定夹角；所述多边形基板上设有通孔，所述线缆穿过通孔；所述翼片上设有固定孔，翼片通过螺丝和固定孔与球形框架的金属杆固定在一起。
进一步地，所述球形框架的节点中，由五边连接形成的节点所采用的连接块为五翼连接块，即连接块的翼片为五个；由六边连接形成的节点所采用的连接块为六翼连接块，即连接块的翼片为六个。
优选地，所述球形框架的节点中，由五边连接形成的节点所采用的连接块为五翼连接块叠加六翼连接块，所述五翼连接块和六翼连接块的多边形基板上设有叠加连接孔。
优选地，所述LED灯组以6个LED灯为一组。
本发明的系统提供了充足的光照强度，多个角度的光照环境能够高效地按照所需角度采集变光照图像数据，适用于不同大小物体的拍摄。其具有以下优点：
(1)系统为球形结构，可以提供不同角度的光照环境；
(2)系统拥有足够的空间，可以对不同大小的物体进行拍摄；
(3)每一个LED灯组由六个LED灯呈琼花形排列，极大提高了光照强度；
(4)使用可拆卸的球形云台，可以按照需求改变相机位置，获取不同视角图像；
(5)使用高速工业相机采集图像，能在短时间内高效获取图像序列，拍摄时间短；
(6)针对目前的光度立体三维重建算法，以及游戏影视中对不同角度光照的使用，本发明的系统能很好地满足这些应用场景对变光照图像数据采集的需求，并广泛应用于这些领域。
附图说明
图1是本发明实施例中球形框架的正面结构示意图，其中，1-金属框架，2-底座，3-支撑杆，4-入口。
图2是本发明实施例中球形框架的侧面结构示意图。
图3是本发明实施例中金属框架入口侧的平面结构示意图，其中5-五边连接的节点，6-六边连接的节点。
图4是本发明实施例中金属连接块的结构示意图，(a)五翼连接块，(b)六翼连接块；其中，7-基板，8-翼片，9-通孔，10-安装孔，11-叠加连接孔。
图5是本发明实施例中金属连接块连接金属杆的侧面示意图，12-金属杆，13-螺丝。
图6是本发明实施例中LED灯组排列示意图，14-LED灯组，15-线缆。
图7是本发明实施例中金属连接块的叠加安装示意图，16-长螺丝，17-五翼连接块，18-六翼连接块。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的阐述。
本发明实施例中的球形框架如图1、2所示，包括金属框架1、底座2和支撑杆3，金属框架1是由铝合金桁架搭建，整体呈球状20面体，其底面和顶面均为五边形。金属框架1中的金属杆长为0.65m，整个球体半径约1.15m，有足够的空间来容纳较大的物体进行拍摄。金属框架1的一侧开有矩形入口4，入口4处的两根杆长为1.1m。
球形金属框架1通过支撑杆3固定在底座2上。金属框架1的五边形底面的每一个顶点处由两根支撑杆3支撑，共10根，每根支撑杆3高0.43m。底座2采用圆形铁盘，与支撑杆3通过焊接连接，圆形铁盘的半径为0.74m，重400kg左右，对整个金属框架1起支撑和稳定的作用。
金属框架1的金属杆之间的衔接处通过连接块和螺丝连接。其中存在两种节点，如图3所示的五边连接的节点5和六边连接的节点6，每一种不同的节点使用不同结构的金属连接块。如图4所示，金属连接块包括多边形基板7和翼片8，翼片8固定在基板7上，并与基板呈一定的夹角(如图5)。金属连接块根据翼片的数量分为五翼连接块17和六翼连接块18，其中，五翼连接块17用于五边连接的节点5，六翼连接块18用于六边连接的节点6。连接块的基板7上设置有通孔9，LED灯与灯组控制板连接的线缆15穿过通孔9。连接块的翼片8上设有安装孔10，是为了和该方向上的金属杆12对齐并用螺丝13进行固定，这样就完成了节点处的连接，连接结构如图5所示。由于每一根框架两端均有这样的结构，因此可以承受较大力量，结构稳定，且易于搭建。
在球形金属框架1的每一个节点上，都安装有LED灯组14，每一个灯组由6个单独的LED光源组成，呈琼花形排列，由如图6所示。在五边连接的节点5上，为了保证光照均匀性，依然需要安放6个LED灯，所以本实施例中，在五翼连接块17上加装了六翼连接块18，如图7所示，并用长螺丝16通过中间的叠加连接孔11将两个金属连接块固定在一起。本实施例中，每一个LED光源额定功率为1.5W，光强为168lm，色温为3000k左右，要求每一个光源的显色指数都在80以上，保证光照条件下，物体颜色不会出现失真的情况。整个系统中一共包含216个LED光源，36个LED灯组。由于每个光组包含六个LED光源，相比其它常见的变光照系统，本系统的光照强度得到了极大的提高。同时由于灯组安装在球状框架的节点上，能够提供不同角度的光照环境，同时保证了光照的方向与强度，能够满足变光照图像数据采集的需求。
上述的金属框架1与灯组提供了变光照图像数据的采集环境，接下来在此环境下配置对应的图像采集设备，本实施例使用了高速工业相机，保证拍摄速度与使用的便捷性。相机与框架之间由球形云台连接，该球形云台底部存在钳夹结构，可以夹在框架的任意位置。而球形云台顶部可以360度调整相机拍摄角度，十分便捷，因此可以按照要求将这台相机固定在框架的任意位置，并调整角度，获得所需的图像视角。
本实施例中使用的工业相机帧数在30帧以上，能够保证在短时间内完成不同光照条件下图像的拍摄，同时工业相机通过DVI数据线与控制主机相连(部分相机可能改为USB数据线连接)，能够在控制主机上对获得的图像进行各种调整，比如白平衡的调节，合适的白平衡能够使图像颜色更加趋近于真实情况，从而利于后续的计算与处理。同时可以根据周围环境情况调节相机的增益，使图像更加清晰。
控制主机通过网线与图像采集设备和灯组控制板相连，灯组控制板主要完成灯组的编码与连接工作，球形框架上的灯组采用串联机制，最后接入控制板。灯组的编码数字由0开始，到215结束，每一个数字控制一个LED光源，每一个光源都能以30fps的速度进行闪烁，亮度值可以通过程序在0-255之间调节。电脑主机上可以通过与LED光源配套的软件来控制球形框架上对应地址的LED光源，从而满足各种不同光照环境的需求。

Claims (6)

1.一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，该系统包括球形框架、图像采集设备、LED灯组、灯组控制板、球形云台和控制主机，所述球形框架由方形金属桁架结构搭建而成；所述LED灯组安装于球形框架的节点上，LED灯通过线缆与灯组控制板连接；所述图像采集设备通过球形云台固定在球形框架上；所述灯组控制板与图像采集设备均与控制主机连接。
2.根据权利要求1所述的一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，所述球形框架包括底座、支撑杆和金属框架，金属框架通过支撑杆固定在底座上；所述金属框架呈球状，其顶面和底面为五边形；所述金属框架的一侧开有矩形入口。
3.根据权利要求1所述的一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，所述球形框架的节点通过连接块连接，所述LED灯组安装于连接块上；所述连接块包括多边形基板和翼片，翼片固定在多边形基板上，且与多边形基板呈一定夹角；所述多边形基板上设有通孔，所述线缆穿过通孔；所述翼片上设有固定孔，翼片通过螺丝和固定孔与球形框架的金属杆固定在一起。
4.根据权利要求3所述的一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，所述球形框架的节点中，由五边连接形成的节点所采用的连接块为五翼连接块，即连接块的翼片为五个；由六边连接形成的节点所采用的连接块为六翼连接块，即连接块的翼片为六个。
5.根据权利要求4所述的一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，所述球形框架的节点中，由五边连接形成的节点所采用的连接块为五翼连接块叠加六翼连接块，所述五翼连接块和六翼连接块的多边形基板上设有叠加连接孔。
6.根据权利要求1所述的一种自由视角变光照图像采集系统，其特征在于，所述LED灯组以6个LED灯为一组。
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