CN110415338A - 一种三维立体数据生成方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维立体数据生成方法及设备，用于向目标物体投射结构光，根据光条纹调制的二维条纹图像获取目标物体的三维立体数据，提高了获取的三维立体数据的精度，应用于三维建模过程时，能够提高三维建模的精度。该方法包括：利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种三维立体数据生成方法及设备。
背景技术
三维建模技术是根据物体或者场景所拍摄的两个或者两个以上二维的图像，由计算机自动进行计算和匹配，计算出物体或者场景的二维的几何信息和深度信息，并获取三维立体数据，从而建立三维的立体模型的过程。
通常意义上所说的基于图像的三维建模是利用二维图像来恢复物体的几何模型，图像包括真实的照片、绘制图像、视频图像以及深度图像等。基于图像建模技术还包括从二维图像中恢复出物体的外观特征，该外观特征包括物体表面的纹理贴图和反射属性等决定该物体重建模型的外观效果的因素。
现有技术，对物体进行三维建模时，由于对物体表面的纹理图像处理不够丰富，导致获取的三维立体数据的精度较低，从而导致使用该三维立体数据进行三维建模的精度较低。
发明内容
本发明提供了一种三维立体数据生成方法及设备，用于向目标物体投射结构光，根据光条纹调制的二维条纹图像获取目标物体的三维立体数据，提高了获取的三维立体数据的精度，应用于三维建模过程时，能够提高三维建模的精度。
第一方面，本发明提供一种三维立体数据生成方法，该方法包括：
利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
作为一种可选的实施方式，利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，包括：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
作为一种可选的实施方式，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像，包括：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
作为一种可选的实施方式，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据，包括：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
作为一种可选的实施方式，对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，包括：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
第二方面，本发明提供一种三维立体数据生成设备，该设备包括：处理器以及存储器，其中，所述存储器存储有程序代码，当所述程序代码被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
作为一种可选的实施方式，所述处理器具体用于：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
作为一种可选的实施方式，所述处理器具体用于：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
作为一种可选的实施方式，所述处理器具体用于：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
作为一种可选的实施方式，所述处理器具体用于：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
第三方面，本发明提供另一种三维立体数据生成设备，该设备包括采集单元、重建单元、配准单元，其中：
采集单元，用于利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
确定三维数据单元，用于利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
配准单元，用于对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
作为一种可选的实施方式，所述采集单元具体用于：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
作为一种可选的实施方式，所述采集单元具体用于：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
作为一种可选的实施方式，所述确定三维数据单元具体用于：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
作为一种可选的实施方式，所述配准单元具体用于：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
第四方面，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面所述方法的步骤。
本发明提供的一种三维立体数据生成方法及设备，具有以下有益效果：
向目标物体投射结构光，根据光条纹调制的二维条纹图像获取目标物体的三维立体数据，基于结构光的特性，能够提取更多目标物体的纹理信息，提高了获取的三维立体数据的精度，应用于三维建模过程时，能够提高三维建模的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种三维立体数据生成方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种三维立体数据生成设备示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种三维立体数据生成设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
首先对本发明实施例中的结构光进行说明：
结构光是已知空间方向的投影光线的集合，一般由投影仪和摄像头组成，具体的，利用投影仪投射特定的光信息到物体表面及背景后，通过摄像头采集物体表面的二维图像，由于物体造成的光信息的变化来计算物体的位置和深度等信息，从而复原物体的整个三维空间。
其中，生成结构光的设备可以是将光点、光缝、光栅、格网或斑纹投影到被测物体上的某种投影设备或仪器，也可以是生成激光束的激光器。
结构光可分为以下几类：
1)点结构光
点结构光的接收方向不变，当实现光栅式平面扫描时，光源和探测是同步移动的，单束激光打在物体表面，由摄像机拍摄物体该单束激光在物体表面的反射光点。
2)线结构光
通过投射源投射出平面狭缝光，每次投射一个结构光条纹，每幅图像可得到一个截面的深度，通过改变投射狭缝光的角度，获得更多截面的深度，进而获得物体的深度。
3)多线结构光
以线结构光为基础，为了提高图像处理效率，在一幅图像内处理多条光条纹。
4)编码结构光
在多线结构光基础上，为解决多条纹图像中，不同条纹的定位和匹配问题，编码法分为时间编码法、空间编码法、直接编码法、彩色编码法。
本发明实施例中对结构光的具体结构不作过多限定，可以是多线结构光，也可以是编码结构光。
如图1所示，本发明实施例提供了一种三维立体数据生成方法，该方法具体实施步骤如下：
步骤101：利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像。
所述不同角度可以是预定义的，也可以是根据目标物体的结构特征确定的。
作为一种可选的实施方式，利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，可以是向目标物体投射一束结构光，该结构光能够完全覆盖目标物体，也可以是向目标物体投射多束结构光，该多束结构光属于同一种编码结构，其中，各束结构光分别投影到目标物体各个部位。本发明实施例对结构光的数量及各结构光投影的部位不作过多限定。
其中，目标物体的各个部位可以由用户按目标物体的结构特征定义，也可以按预先定义的目标物体分割方法，将目标物体分割为各部位，例如，按从上到下的平均分割方法，将目标物体均匀的分割为上部位、中部位和下部位；
或者，结合目标物体的结构特征，按结构特征复杂程度将目标物体中复杂的结构特征分割为多个简单的结构特征，本发明实施例中对如何确定目标物体的各部位不作过多限定。
本实施例中向目标物体投影预设数量的光条纹，其中投影的光条纹的具体数量可以是预先设定的，根据投影原理近大远小可知，投影仪距离目标物体较近时，投影到目标物体的光条纹数量较多，投影仪距离目标物体较远时，投影到目标物体的光条纹数量较少。
作为一种可选的实施方式，利用结构光向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，包括：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
其中，各预设角度可以是用户自定义的各个不同角度，例如按东、南、西、北四个角度投射结构光，也可以是根据目标物体的各部位对应的不同角度定义的各预设角度，定义的各预设角度与目标物体的各部位相对于目标物体的位置方向有关。
目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有重叠部分，该重叠部分能够保证获取的三维立体数据(三维点云数据)中保存了各部位相邻部位的三维数据，保证能够准确的进行各部位与相邻部位之间三维数据的配准，应用于三维重建时，保证最终重建的三维模型的完整度。
上述各部位对所述光条纹调制是指：各部位投影光条纹后，通过物体各部位的结构特征对所述光条纹中的光信息进行改变的过程。
作为一种可选的实施方式，从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像，包括：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
步骤102：利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据。
作为一种可选的实施方式，基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
步骤103：对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
本实施例中的三维立体数据也可以是三维点云数据，用于表示目标物体的空间三维坐标。
作为一种可选的实施方式，利用迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
上述ICP配准算法是将不同参考坐标下的两组或者多组三维数据统一到同一坐标系下的三维数据的配准，从而在同一坐标系下获取各组三维数据的三维立体数据。
另外，也可以通过手动配准的方式，对各部位的三维数据进行配准。
最后在基准坐标系中，将目标物体各部位的三维数据进行配准，获取目标物体的三维立体数据。该基准坐标系可以是目标物体任一部位所在的坐标系、也可以是初始坐标系，或者自定义的坐标系。
作为一种可选的实施方式，预先定义不同角度下的空间坐标系，基于三角测量原理，根据不同空间坐标系的相对位置关系，确定目标物体的在不同空间坐标系下的三维坐标，并对不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体三维立体数据的三维数据的具体过程如下：
其中，下述各因式中的P和P′分别为两个角度的相机采集的二维条纹图像的投影矩阵，下述各因式中的X为目标物体在全局坐标系下的三维坐标(三维数据)，各因式中的x、x′、y、y′分别为上述三维坐标X在两个相机捕获的二维条纹图像中的坐标。其中，上述全局坐标系为预定义的一个坐标系，该全局坐标系可以与两个相机所在的坐标系的其中一个坐标系相同，也可以不同，本实施例不作过多限定。
对于第一个相机而言，记如下因式1：
因式1：
因有如下因式2：
因式2：λx＝PX；其中，λ表示缩放因子。
通过对因式2进行交叉相乘可得因式3：
因式3：x×(PX)＝0；
由上述因式3、因式1，进而可解得下述因式4、因式5和因式6；
因式4：x(P3TX)-(P1TX)＝0；
因式5：y(P3TX)-(P2TX)＝0；
因式6：x(P2TX)-y(P1TX)＝0；
上述因式4、因式5和因式6等效为如下因式7：
因式7：其中X4×1为矩阵表示的求解坐标。
同理，对于第二个相机，有如下因式8：
因式8：
故而根据ICP匹配方法，将两个不同相机所在的坐标系下的坐标进行匹配，推导出如下因式9：
因式9：
其中，A4×4表示因式7中的与的合并矩阵，进而可以根据因式9求得X4×1，即可求出X的三维坐标，即目标物体在全局坐标系下的三维坐标，从而根据该三维坐标获得目标物体的三维立体数据。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种三维立体数据生成设备，由于该设备即是本发明实施例中的方法中的设备，并且该设备解决问题的原理与该方法相似，因此该设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
如图2所示，该设备包括：处理器200以及存储器201，其中，所述存储器201存储有程序代码，当所述程序代码被所述处理器200执行时，使得所述处理器200执行如下步骤：
利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
作为一种可选的实施方式，所述处理器200具体用于：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
作为一种可选的实施方式，所述处理器200具体用于：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
作为一种可选的实施方式，所述处理器200具体用于：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
作为一种可选的实施方式，所述处理器200具体用于：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
实施例三
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了另一种三维立体数据生成设备，由于该设备即是本发明实施例中的方法中的设备，并且该设备解决问题的原理与该方法相似，因此该设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
如图3所示，该设备包括采集单元300、确定三维数据单元301、配准单元302，其中：
采集单元300，用于利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
确定三维数据单元301，用于利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
配准单元302，用于对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
作为一种可选的实施方式，所述采集单元300具体用于：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
作为一种可选的实施方式，所述采集单元300具体用于：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
作为一种可选的实施方式，所述确定三维数据单元301具体用于：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
作为一种可选的实施方式，所述配准单元302具体用于：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种三维立体数据生成方法，其特征在于，该方法包括：
利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，包括：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像，包括：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据，包括：
基于三角测量原理，利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维坐标。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，包括：
利用迭代最近点ICP配准算法对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准。
6.一种三维立体数据生成设备，其特征在于，该设备包括采集单元、确定三维数据单元、配准单元，其中：
采集单元，用于利用结构光向目标物体投影预设数量的光条纹，并从不同角度采集所述目标物体对所述光条纹调制后的二维条纹图像；
确定三维数据单元，用于利用所述二维条纹图像在不同角度下的空间坐标系的相对位置关系，确定所述目标物体在不同空间坐标系下的三维数据；
配准单元，用于对目标物体在不同空间坐标系下的三维数据进行配准，获得目标物体的三维立体数据。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述采集单元具体用于：
利用同一结构光从各预设角度向目标物体的各部位投影预设数量的光条纹，并且目标物体相邻的各部位投影的光条纹中有部分重叠。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述采集单元具体用于：
所述光条纹投射到目标物体表面后，通过两个角度的摄像设备采集目标物体表面对所述光条纹调制后产生的变形的二维条纹图像。
9.一种三维立体数据生成设备，其特征在于，该设备包括：处理器以及存储器，其中，所述存储器存储有程序代码，当所述程序代码被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任一所述方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一所述方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910651336.7A CN110415338A (zh) | 2019-07-18 | 2019-07-18 | 一种三维立体数据生成方法及设备 |
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| CN201910651336.7A CN110415338A (zh) | 2019-07-18 | 2019-07-18 | 一种三维立体数据生成方法及设备 |
Publications (1)
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| CN110415338A true CN110415338A (zh) | 2019-11-05 |
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ID=68361969
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|---|---|
| CN (1) | CN110415338A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111815761A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-23 | 杭州翔毅科技有限公司 | 三维立体展示方法、装置、设备及存储介质 |
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| CN108665535A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-10-16 | 青岛小优智能科技有限公司 | 一种基于编码光栅结构光的三维结构重建方法与系统 |
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2019
- 2019-07-18 CN CN201910651336.7A patent/CN110415338A/zh active Pending
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