CN110493589A - 一种三维图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种三维图像采集系统，由于在环绕拍摄物体设置的支架上设置有相互间隔的LED光源和摄影机，并且在摄影机上安装有偏振镜，通过调节偏振镜的偏振角度，本发明的三维图像采集系统能够拍摄出一套具有左旋圆偏振光的拍摄物体三维照片数据和一套具有右旋圆偏振光的拍摄物体三维照片数据，将获得的两套照片数据导入基于图像的建模软件中进行纹理和多边形建模，即可得到一套无高光纹理图像和一套有高光纹理图像，然后以有高光纹理作为normal图像，无高光纹理作为diffuse图像，通过公式normal‑diffuse＝specular，就能获得specular纹理图像，大大缩短了制作的周期，降低人工成本。
Description
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，尤其涉及一种三维图像采集系统。
背景技术
在三维图形渲染，生成图像的过程中，需要给三维模型赋予表面纹理图像。而用一般方法获取的纹理图像素材的光学信息都含有高光成分(镜面反射)，但是在三维图形渲染过程中使用的纹理素材，需要将高光分离出来，得到漫反射(diffuse)和镜面反射(specular)两种图像素材，否则渲染的结果不真实、不正确。
目前，图像中高光的分离方法是通过图像处理软件手工去除，这种制作无高光(镜面反射)纹理图像素材的方法，很大程度上依赖于制作人员的技巧，并且在部分情况下无法完全、正确地去除图像中的高光成分，准确率低。这种方法大大限制了三维渲染效果的真实性，且工作周期长，人工成本高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维图像采集系统，旨在解决现有利用人工通过图像处理软件去除三维纹理素材中的高光成分，获得的图像真实性不高，制作周期长，成本高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种三维图像采集系统，其中，包括环绕拍摄物体设置的若干支架，以及相互间隔设置在所述支架上的LED光源和摄影机，所述摄影机上安装有偏振镜头。
所述的三维图像采集系统，其中，所述LED光源和摄影机均通过云台设置在所述支架上。
所述的三维图像采集系统，其中，所述LED光源上安装有液晶光学快门。
所述的三维图像采集系统，其中，所述液晶光学快门与控制器电连接。
所述的三维图像采集系统，其中，所述支架设置有12个，且相邻支架之间等间隔设置。
所述的三维图像采集系统，其中，所述拍摄物体的底部设置有转动平台。
所述的三维图像采集系统，其中，所述转动平台包括台体，固定连接在所述台体上的驱动电机以及与所述驱动电机相连的转盘。
所述的三维图像采集系统，其中，所述LED光源为环形LED光源。
所述的三维图像采集系统，其中，所述LED光源为变色温LED光源。
所述的三维图像采集系统，其中，所述摄影机与计算机相连。
有益效果：本发明提供的一种三维图像采集系统，由于在环绕拍摄物体设置的支架上设置有相互间隔的LED光源和摄影机，并且在摄影机上安装有偏振镜头，通过调节偏振镜头的偏振角度，本发明的三维图像采集系统能够拍摄得到一套被左旋圆偏振光照亮的物体的照片和一套被右旋圆偏振光照亮的物体的照片，将获得的两套照片导入基于图像的建模软件中进行多边形建模与纹理制作，即可制作出三维图形渲染中使用的一套无高光纹理图像和一套有高光的纹理图像，然后以有高光纹理作为normal图像，无高光纹理作为diffuse图像，通过公式normal-diffuse＝specular，就能获得specular纹理图像，大大缩短了三维制作的周期，降低人工成本。
附图说明
图1为本发明的一种三维图像采集系统的结构示意图；
图2为本发明一种摄影机的结构示意图；
图3为本发明一种LED光源的结构示意图；
图4为本发明一种转动平台的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种三维图像采集系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本发明中所描述的实施例只是一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
在三维图形渲染，生成图像的过程中，需要给三维模型赋予表面纹理图像。而用一般方法获取的纹理图像素材的光学信息都含有高光成分(镜面反射)，但是在三维图形渲染过程中使用的纹理素材，需要将高光分离出来，得到漫反射(diffuse)和镜面反射(specular)两种图像素材，否则渲染的结果不真实、不正确。目前，图像中高光的分离方法是通过图像处理软件手工去除，这种制作无高光(镜面反射)纹理图像素材的方法，很大程度上依赖于制作人员的技巧，并且在部分情况下无法完全、正确地去除图像中的高光成分，准确率低。这种方法大大限制了三维渲染效果的真实性，且工作周期长，人工成本高。
参阅图1，为了解决上述技术问题，本发明提供的一种三维图像采集系统，包括环绕拍摄物体设置的若干支架10，以及相互间隔设置在所述支架上的LED光源20和摄影机30，参见图2，所述摄影机上安装有偏振镜头40。具体来说，本发明的三维图像采集系统包括有拍摄用的摄影机和照明用的LED光源，其中，摄影机和LED光源放置在360度的环形矩阵支架上，并且摄影机与LED光源在支架上相互间隔设置(即摄影机的上下左右相邻方位不会再放置摄影机，同样的LED光源上下左右相邻方位也不会放置LED光源)，这样做的好处在于每一个摄影机镜头各方向的光线均匀，拍摄出来的物体图片效果更佳。在一种优选的实施方式中，本发明技术方案拍摄物体的顶部设置有挂架，挂架上设置有若干的LED光源，从而保证拍摄物体的各个方向均能够被光线所照亮，获得更多拍摄物体的细节。
偏振镜头内设置有偏振镜片，偏振镜也叫偏光镜，是一种滤色镜，偏振镜的除色功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过，在彩色和黑白摄影中常用来消除或减弱非金属表面的强反光，从而消除或减轻光斑，偏振镜有两种，一种是线偏振镜(LPL)；另一种是圆偏振镜(CPL)，由于LPL会影响测光和自动聚焦，不适合于自动化程度较高的摄影机使用，因此，本发明技术方案中的偏振镜优选为圆偏振镜，圆偏振镜的外观呈灰色，是由一片线偏振镜与一片四分之一波片胶合而成，该四分之一波片的光轴与线偏振镜的偏振光振动方向形成45°角，光线自线偏振镜一段射入为正向，自四分之一波片一端射入为反向，正向射向圆偏振镜的自然光，先后通过线偏振镜和四分之一波片后，即成为圆偏振光。根据线偏振镜之偏振方向与四分之一拨片光轴成45°夹角时的相对方位不同，可产生右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。
本发明的三维图像采集系统由于在摄影机上安装有偏振镜头，通过调节偏振镜头的偏振角度，本发明的三维图像采集系统能够利用两组不同的偏振光分别拍摄成两套具有不同光照信息的照片数据，再将照片数据进行模型及贴图重建。则最终得到一套A图像数据(无高光)与一套B图像数据(有高光)。无高光(镜面反射)的数据可以制作出三维图形渲染中使用的diffuse纹理，有高光纹理则可以制作成三维图形渲染中使用的normal数据，通过公式normal-diffuse＝specular，对B图像数据与A图像数据相减即可获得specular纹理图像数据。
参见图2和图3，在一种优选的实施方式中，所述LED光源和摄影机均通过云台50设置在所述支架上。云台在本发明技术方案中是安装、固定摄影机和LED光源的支撑设备，云台均匀分布设置在所述支架上，分为固定云台和电动云台两种，在固定云台上安装摄影机只能调整摄影机的水平和俯仰的角度，而电动云台则适用于对大范围进行扫描，可以扩大摄影机的拍摄范围，电动云台转动是通过电动机来实现，电动机接受控制信号后能够精确地运行定位，方便拍照操作，优选的，本发明中采用的云台为电动云台，电动云台通过步进电机进行驱动，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，通过步进电机进行控制的电动云台能够实现更加精准的定位。
参见图3，在一种优选的实施方式中，所述LED光源上安装有液晶光学快门60。本申请技术方案中的LED光源上安装有液晶光学快门，液晶光学快门能够调节LED光源发出光的偏振状态(左旋或右旋)，液晶光学快门在需要很快光学响应时间的光开关和偏振态旋转应用中具有不可比拟的性能优势，液晶光学快门利用液晶材料的快速响应特性，并结合先进的偏振技术，具有超高速、高纯度线偏振光输出及很大的消光比等特点。通过改变施加在液晶光学快门上的驱动电压来控制铁电液晶分子的排列，从而可对线偏振态的入射光实现0度至90度的偏振态的旋转，偏振方向发生旋转的光通过一定角度放置的精密线偏振片后，即可实现对光的开关控制。
在一种优选的实施方式中，所述液晶光学快门与控制器件连接。具体实施过程中，本发明技术方案的液晶光学快门选用美国Meadowlark Optics公司的FLC系列液晶光学快门，配套的控制器选用FC-010控制器，FC-010控制器是Meadowlark专门针对液晶光学快门进行优化的理想的高性能控制器，响应速度100μs，大通光口径17.78mm，可用波长范围400-800μm。
在一种优选的实施方式中，所述支架设置有12个，相邻支架之间等间隔设置。具体来说，本发明技术方案中的支架围绕拍摄物体形成圆形矩阵，支架均匀布设在所述圆形矩阵上，相邻两个支架与圆心之间的夹角为30度，在该支架布设密度的情况下，拍摄物体的三维采点数量较佳，便于后期模型的构建，当然，本发明技术方案中的支架也可以形成诸如方形矩阵和其他多边形矩阵，支架的的数量也可以根据实际的需要进行选择，以达到最佳的采样效果。
在一种优选的实施方式中，所述拍摄物体的底部设置有转动平台。
参见图2，在一种优选的实施方式中，所述转动平台包括台体80，固定连接在所述台体上的驱动电机90以及与所述驱动电机相连的转盘100。具体的，转动平台的底部设有驱动电机,转盘用于放置物体,通过驱动电机的驱动使得转盘转动，驱动电机还与驱动电机控制系统相连，通过驱动电机控制系统与电脑相连，驱动电机控制系统包括DSP芯片和外围电路,作为连接驱动电机转动平台与电脑中图像采集和处理系统的纽带,驱动电机控制系统控制驱动电机的转动,实现驱动电机转动平台的转度调节和开关控制,图像采集和处理系统与电机控制系统采用串行通讯,图像采集和处理系统向电机控制系统发送指令,通过电机控制系统控制驱动电机的转动速率,使得驱动电机的转动速率与图像采集和处理系统中的图像采集同步。
在一种优选的实施方式中，所述LED光源为环形LED光源。圆环形LED灯具有更大的发光面积，对物体表面进行照射是，物体表面的亮度更加均匀，具有更好的照明效果，具体的，本发明技术方案中采用的的环形LED光源的结构内部多个LED灯珠等间距圆周阵列并安装于环形灯架上，各LED灯珠的光线相互交叉混合后，通过环形灯罩再次混合并消除眩光，最终形成圆环形面发光效果，在实际过程中LED灯珠的数量和排列间距可以根据实际的需要进行选择。
在一种优选的实施方式中，所述LED光源为变色温LED光源。为了满足基于图像的建模软件的要求，本发明技术方案中的LED光源选用变色温的LED光源，本发明中的LED光源内具有冷色温的LED、暖色温的LED、交流电源、电源开关以及能够转换极性的微控制器的控制电路，采用电源开关开启和断开的次数作为控制两种不同色温的LED光源变换的参数，方便使用，而且这种结构的变色温LED控制电路结构可以设计的更加简单、微控制器程序的编写更加快捷，变色温LED光源的色温调节范围更大，能够满足物体不同色温成像的要求。
在一种优选的实施方式中，所述摄影机与电脑相连。本发明技术方案的电脑内安装有基于图像的建模软件，通过该建模软件来实现物体的三维多边形建模与纹理数据制作，具体的基于图像的建模软件的使用方法为本领域常规技术手段，本发明不做详细介绍，在具体的实施操作过程中，液晶光学快门的控制器和LED光源也与电脑相连并通过电脑进行控制，电脑内设置有相应的程控系统对各个设备进行控制，当然的，本发明技术方案中的电脑也可以由平板、手机等其他设备替换。
本发明三维图像采集系统的具体拍摄过程为：利用电脑中的程控系统控制LED开关及亮度调节、摄影机各参数调节及开关拍摄、云台运作的转动角度，通过电脑里的程控系统调节所有摄影机的焦点对准目标物体，并统一摄影机的焦距、光圈大小、快门速度等参数，所有相机镜头前配备偏振镜的偏振角度都调成一致的偏振角度，用以确保滤除其中一种类型的偏振光。利用程控系统控制摄影机在进行第一次拍摄时，同步控制点亮周围LED灯(即上下左右相邻的LED灯)，并且同步控制液晶光学快门式偏振片偏振方式为左旋圆偏振，此为第一套照片数据内容，摄影机第一次拍摄完毕后，进行第二次拍摄，同步控制点亮周围LED，并且同步控制液晶光学快门式偏振片偏振方式为右旋圆偏振，此为第二套照片数据内容。余此类推完成所有摄影机的拍摄，所有拍摄工作应在1～2秒内完成，以确保目标物体没有过大的表面变化。获得的第一套照片数据与第二套照片数据分别导入基于图像的建模软件(比如agisoftphotoscan软件)中多边形建模与纹理的制作，得到A模型与A纹理，B模型与B纹理。通过公式A-B＝C得到C贴图。
综上所述，本发明提供的一种三维图像采集系统，由于在环绕拍摄物体设置的支架上设置有相互间隔的LED光源和摄影机，并且在摄影机上安装有偏振镜头，通过调节偏振镜的偏振角度，本发明的三维图像采集系统能够拍摄出一套具有左旋圆偏振光的拍摄物体三维照片数据和一套具有右旋圆偏振光的拍摄物体三维照片数据，将获得的两套照片数据导入照片基于图像的建模软件中进行纹理制作和多边形建模，即可制作出三维图形渲染中使用的一套无高光的纹理图像和一套有高光的纹理图像，然后以有高光纹理作为normal图像，无高光纹理作为diffuse图像，通过公式normal-diffuse＝specular，就能获得specular纹理图像，大大缩短了制作的周期，降低人工成本。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维图像采集系统，其特征在于，包括环绕拍摄物体设置的若干支架，以及相互间隔设置在所述支架上的LED光源和摄影机，所述摄影机上安装有偏振镜头。
2.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述LED光源和摄影机均通过云台设置在所述支架上。
3.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述LED光源上安装有液晶光学快门。
4.根据权利要求3所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述液晶光学快门与控制器电连接。
5.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述支架设置有12个，且相邻支架之间等间隔设置。
6.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述拍摄物体的底部设置有转动平台。
7.根据权利要求6所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述转动平台包括台体，固定连接在所述台体上的驱动电机以及与所述驱动电机相连的转盘。
8.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述LED光源为环形LED光源。
9.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述LED光源为变色温LED光源。
10.根据权利要求1所述的三维图像采集系统，其特征在于，所述摄影机与电脑相连。
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2019
- 2019-08-09 CN CN201910736227.5A patent/CN110493589A/zh active Pending
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Inventor after: Li Yang Inventor after: Deng Tao Inventor after: Ren Haijun Inventor after: Li Jian Inventor after: Wen Hongguang Inventor after: Dai Qi Inventor before: Deng Tao Inventor before: Ren Haijun Inventor before: Li Jian Inventor before: Wen Hongguang Inventor before: Dai Qi |