CN110567371A - 用于3d信息采集的光照控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于3D信息采集的光照控制系统，包括：光源装置，包括多个子光源，用于向目标物提供照明；图像采集装置，用于提供采集区域，采集目标物图像；检测装置，用于检测目标物多个区域反射光的特征；控制装置，进行多个区域光照度或光强的比较，区分出光照度/光强不均匀的区域，并根据该信息控制对应的子光源的位置和角度提高或减弱对应区域的光强或照度；图像采集装置与检测装置为同一部件。首次提出“先进行3D合成，再利用3D点云数据测量”的测量手段，其精度不高、速度不快的重要原因在于图像采集时的光照影响。

Description

用于3D信息采集的光照控制系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及目标物长度、形貌尺寸测量技术领域。

背景技术

在进行物体测量时，通常使用机械方法(例如刻度尺)、电磁方法(例如电磁编码器)、光学方法(例如激光测距仪)以及图像方法。但目前很少采用先合成物体3D点云数据，再进行物体长度、形貌测量的方式。虽然这种方式在得到物体3D信息后，可以测量物体任意的尺寸，但测量领域存在的技术偏见认为这样的测量方式复杂且测量速度不快、精度不高，其主要原因在于合成算法的优化不到位。但从未提及在3D采集、合成、测量中通过光照控制来提高速度和精度。

光照控制技术整体虽然不是全新技术，在一般的拍照中也有提及，但现有技术中从未将其应用于3D采集、合成、测量中，也未考虑3D采集、合成、测量过程中对于光照控制的特殊要求和特殊条件，因此也无法等同使用。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于3D信息采集的光照控制系统。

本发明提供了一种用于3D信息采集的光照控制系统，包括

光源装置，包括多个子光源，用于向目标物提供照明；

图像采集装置，用于提供采集区域，采集目标物图像；

检测装置，用于检测目标物多个区域反射光的特征；

控制装置，进行多个区域光照度或光强的比较，区分出光照度/光强不均匀的区域，并根据该信息控制对应的子光源的位置和角度提高或减弱对应区域的光强或照度；

图像采集装置与检测装置为同一部件。

可选的，还包括图像处理装置，用于接收图像采集装置发送的目标物图像得到目标物3D信息。

可选的，图像处理装置和控制装置为同一部件。

可选的，所述反射光的特征为：反射光光强、反射光照度、反射光色温、反射光波长、反射光位置、反射光均匀度、反射图像的锐度、反射图像的清晰度、反射图像的对比度和/或它们任意的组合。

可选的，光源装置包括多个子光源，或为可从不同方向向目标物不同区域提供照明的一体光源。

可选的，光源装置的多个子光源位于目标物周围的不同位置。

可选的，多个子光源或一体光源配置使得目标物多个区域受到光照的光照度大体相等。

可选的，图像采集装置通过采集区域与目标物的相对运动采集目标物多个图像。

可选的，采集多个图像时图像采集装置的位置至少满足相邻两个位置至少符合如下条件：

H*(1-cosb)＝L*sin2b；

a＝m*b；

0<m<0.8；

其中L为图像采集装置到目标物的距离，H为采集到的图像中目标物实际尺寸，a为相邻两个位置图像采集装置光轴夹角，m为系数。

可选的，采集多个图像时图像采集装置的相邻三个位置满足在对应位置上采集的三个图像至少均存在表示目标物同一区域的部分。

发明点及技术效果

1、首次提出“先进行3D合成，再利用3D点云数据测量”的测量手段，其精度不高、速度不快的重要原因在于图像采集时的光照影响。

2、首次提出为了保证3D采集合成的质量和速度，应当考虑目标物接收和发射的光照度的均匀性，通过控制装置和检测装置的相互配合，调整光照装置，从而提高3D采集合成的质量和速度。

3、首次提出在3D采集和合成中，采用多光源或能够多角度发光的一体光源，保证相对均匀的光照度，从而提高测量精度和速度。

4、首次提出在3D采集和合成中，目标物多个区域、多个角度的光照度大体相等(均匀性)，从而提高3D采集合成的质量和速度。

5、提出了3D采集过程中，相机的最佳位置条件，进一步提高测量精度和速度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例1中用于3D信息采集的光照控制系统一种实施方式的示意图；

图2为本发明实施例1中用于3D信息采集的光照控制系统的另一种实施方式的示意图；

图3为本发明实施例2中用于3D信息采集的光照控制系统的示意图；

图4为本发明实施例2中相机移动拍摄位置要求的示意图；

图5为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的一种实现方式的示意图；

图6为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的第二种实现方式的示意图；

图7为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的第三种实现方式的示意图；

图8为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的第四种实现方式的示意图；

图9为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的第五种实现方式的示意图；

图10为本发明实施例3中采用单相机旋转采集的第六种实现方式的示意图；

图11为本发明实施例4中采用光线偏转采集虹膜3D信息获取装置的一种实现方式的示意图；

图12为本发明实施例4中采用光线偏转采集虹膜3D信息获取装置的第二种种实现方式的示意图；

图13为本发明实施例4中采用光线偏转采集虹膜3D信息获取装置的第三种实现方式的示意图。

附图标记说明：

201图像采集装置，300目标物，500控制装置，600光源，400处理器，700检测装置，101轨道，100图像处理装置，102机械移动装置，202旋转轴，203转轴驱动装置，204升降装置，205升降驱动装置，4控制终端，211光线偏转单元，212光线偏转驱动单元。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1(光源控制)

包括图像采集装置201，目标物300，控制装置500，光源600，处理器400，检测装置700。请参考图1和图2。

目标物300可以为包含生物特征的虹膜、人脸、手部、等人体器官或区域，或整个人体，也可以为各种动植物整体或区域，还可以为非生命体的具有外形轮廓的物体(例如手表)。

图像采集装置201可以为多相机矩阵、固定单相机、摄像机、转动单相机等能够实现图像采集的设备。其用来采集目标物300的图像。二维人脸测量与识别已经无法满足目前高精度、高准确性的采集、测量、识别要求，因此本发明也提出利用虚拟相机矩阵实现三维虹膜采集。此时图像采集装置201将采集到的多张图片送入处理器400中进行图像处理合成(具体方法参见下述实施例)，形成三维图像和点云数据。

光源600用于向目标物300提供光照，使得目标物待采集区域被照亮，且光照度大致相同。光源600可以包括多个子光源601，也可以为从不同方向向目标物不同区域提供照明的一体光源602。由于目标物轮廓的凹凸，光源600需要保证在不同方向均可以提供照明，才能够实现目标物300不同区域光照度的均匀性。根据目标物300待采集的区域不同，光源600可以设置不同的形状。例如需要采集手部3D信息，那么光源600的子光源601应当围绕手部形成全包围结构；如需要采集脸部3D信息，那么光源的的一体光源602围绕脸部形成半包围结构即可。可以理解，无论是子光源601还是一体光源602均可以不仅仅存在于一个截面内，并且两者也可以相互组合使用。例如在采集脸部3D时，如果仅半圈光源，那么人脸部下巴区域将形成阴影，导致照度不同。此时需要在已有半圈光源602下部再设置一体光源或子光源，以照亮下巴区域。

优选的，对于每一个子光源601，其本身的发光也应当满足一定的均匀性要求。但过分要求子光源601的均匀性会极大提高成本。根据大量实验，优选每个子光源在发光半径的一半的范围内具有均匀的光照度即可。

检测装置700用于检测目标物300不同区域反射的光照度，例如在面部采集时，由于鼻子的遮挡鼻子两侧受光较少，光照度相对较低。此时检测装置700接收鼻子两侧的反射光，测量其光照度或反射光强，将其发送给控制器500，同时也将面部其他部分的光照度或反射光强发送给控制器500，控制器500进行多个区域光照度或光强的比较，区分出光照度/光强不均匀的区域(例如鼻子两侧)，并根据该信息控制对应的子光源601提高发光强度，例如主要照射鼻子两侧的子光源601提高发光强度。优选的，子光源601包括移动装置，控制器500可以通过控制子光源的位置和角度提高或减弱对应区域的光强或照度。检测装置700检测目标物300反射的光强/照度，以此近似目标物300接收到的光源的光强/照度在目标物整体材质近似的情况下，经过大量实验验证是可以接受的(误差率在10％以内)，并且可以使得控制更加简单，从而防止控制系统的复杂。例如在采集人脸3D信息时，由于皮肤反光特性相对一致，因此人脸接收的光强与反射的光强具有相对固定的关系。因此用检测装置700检测人脸反射的光强/照度是恰当，这也是本发明的发明点之一。

可以理解，还可以利用测装置700检测目标物300的反射光光强、反射光照度、反射光色温、反射光波长、反射光位置、反射光均匀度、反射图像的锐度、反射图像的清晰度、反射图像的对比度和/或它们任意的组合，从而控制光源600的发光光强、发光照度、发光色温、发光波长、发光方向、发光位置和/或它们任意的组合。

因此检测装置700可以为专门测量上述参量的装置，也可以为CCD、CMOS、相机、摄像机等图像采集设备。因此，优选情况下，检测装置700和图像采集装置201可以为同一部件，即图像采集装置201实现检测装置700的功能，检测目标物300的光学特性。在目标物300的图像采集前，先使用图像采集装置201检测目标物300光照条件是否满足要求，并通过控制光源实现合适的光照条件，然后图像采集装置201再开始采集用于3D合成的多找图片。

处理器400用来根据图像采集装置201采集的多张照片合成目标物300的3D信息，这里3D信息包括3D图像、3D点云、3D网格、局部3D特征、3D尺寸及一切带有目标物3D特征的参数。可以理解，控制器500和处理器400可以为同一装置实现两个功能，也可以为不同的装置，分别实现控制和图像处理。这可以根据实际芯片功能、性能而定。

现有技术中通常认为利用3D进行采集、合成和测量时，其速度不快、精度不高的主要原因在于合成算法的优化不到位。但从未提及在3D采集、合成、测量中通过光照控制来提高速度和精度。而事实上，通过算法的优化确实可以提高合成的速度和精度，但效果依然不理想，特别是在不同应用场合情况下合成的速度和质量差别较大。如果进一步优化算法，需要针对不同场合进行不同的优化，难度较高。申请人通过大量实验发现通过优化光照条件，可以极大提高合成速度和质量。这一特点与2D信息采集有很大不同。2D信息采集光照条件只影响图片质量，但不会影响采集速度，且图片也可以通过后期进行修正。而申请人通过实验发现，3D信息采集时，优化光照条件合成速度会大幅度提升。具体可参见下表。

实施例2

为解决上述技术问题，本发明的一实施例提供了一种用于3D信息采集的光照控制系统。如图3所示，具体包括：轨道101，图像采集装置201，图像处理装置100，机械移动装置102，图像采集装置201安装在机械移动装置102上，机械移动装置102可以沿轨道101移动，从而使得图像采集装置201的采集区域不断变化，在一段时间的尺度上形成了在空间不同位置的多个采集区域，构成采集矩阵，但在某一个时刻只有一个采集区域，因此采集矩阵是“虚拟”的。由于图像采集装置201通常由相机构成，也称为虚拟相机矩阵。但图像采集装置201也可以为摄像机、CCD、CMOS、摄像头、带有图像采集功能的手机、平板及其他电子设备。

上述虚拟矩阵的矩阵点由采集目标物图像时图像采集装置201的位置决定的，相邻两个位置至少满足如下条件：

H*(1-cosb)＝L*sin2b；

a＝m*b；

0<m<1.5；

其中L为图像采集装置201到目标物的距离，通常为图像采集装置201在第一位置时距离所采集的目标物正对区域的距离，m为系数。

H为采集到的图像中目标物实际尺寸，图像通常为图像采集装置201在第一位置时拍摄的图片，该图片中的目标物具有真实的几何尺寸(不是图片中的尺寸)，测量该尺寸时沿着第一位置到第二位置的方向测量。例如第一位置和第二位置是水平移动的关系，那么该尺寸沿着目标物的水平横向测量。例如图片中能够显示出的目标物最左端为A，最右端为B，则测量目标物上A到B的直线距离，为H。测量方法可以根据图片中A、B距离，结合相机镜头焦距进行实际距离计算，也可以在目标物上标识出A、B，利用其它测量手段直接测量AB直线距离。

a为相邻两个位置图像采集装置光轴夹角。

m为系数

由于物体大小、凹凸情况各异，无法用严格公式限定a的取值，需要根据经验进行限定。根据大量实验，m的取值在1.5以内即可，但优选可以为0.8以内。具体实验数据参见如下表格：

目标物	m值	合成效果	合成率
				人体虹膜	0.11、0.29、0.4	非常好	>90％
人体虹膜	0.48、0.65	好	>85％
				人体虹膜	0.71、0.83	比较好	>80％
人体虹膜	0.92、1.0	一般	>70％
				人体虹膜	1.15、1.23	一般	>60％
人体虹膜	1.3、1.43、1.54	勉强合成	>50％
				人体虹膜	1.69	难以合成	<40％

在目标物及图像采集装置201确定后，根据上述经验公式可以计算出a的值，根据a值即可确定虚拟矩阵的参数，即矩阵点之间的位置关系。

在通常情况下，虚拟矩阵为一维矩阵，例如沿着水平方向排布多个矩阵点(采集位置)。但有些目标物体较大时，需要二维矩阵，那么在垂直方向上相邻的两个位置同样满足上述a值条件。

一些情况下，即使根据上述经验公式，有些场合下也不易确定矩阵参数(a值)，此时需要根据实验调整矩阵参数，实验方法如下：根据上述公式计算预测矩阵参数a，并按照矩阵参数控制相机移动至相应的矩阵点，例如相机在位置W1拍摄图片P1，移动至位置W2后拍摄图片P2，此时比较图片P1和图片P2中是否有表示目标物同一区域的部分，即P1∩P2非空(例如同时包含人眼角部分，但照片拍摄角度不同)，如果没有则重新调整a值，重新移动至位置W2’，重复上述比较步骤。如果P1∩P2非空，则根据a值(调整或未调整的)继续移动相机至W3位置，拍摄图片P3，再次比较图片P1、图片P2和图片P3中是否有表示目标物同一区域的部分，即P1∩P2∩P3非空，请参考图4。再利用多张图片合成3D，测试3D合成效果，符合3D信息采集和测量要求即可。也就是说，矩阵的结构是由采集多个图像时图像采集装置201的位置决定的，相邻三个位置满足在对应位置上采集的三个图像至少均存在表示目标物同一区域的部分。

在虚拟矩阵获得了多张目标物图像后，图像处理装置处理上述图像合成3D。利用相机拍摄的多个角度的多个图像合成3D点云或图像可以使用根据相邻图像特征点进行图像拼接的方法，也可以使用其它方法。

图像拼接的方法包括：

(1)对多个图像进行处理，提取各自的特征点；多个图像中各自的特征点的特征可以采用SIFT(Scale-Invariant Feature Transform，尺度不变特征转换)特征描述子来描述。SIFT特征描述子具有128个特征描述向量，可以在方向和尺度上描述任何特征点的128个方面的特征，显著提高对特征描述的精度，同时特征描述子具有空间上的独立性。

(2)基于提取的多个图像的特征点，分别生成人脸特征的特征点云数据和虹膜特征的特征点云数据。具体包括：

(2-1)根据提取的多个图像中每幅图像各自的特征点的特征，进行多张图片的特征点的匹配，建立匹配的脸部特征点数据集；根据提取的多个图像中每幅图像各自的特征点的特征，进行多张图片的特征点的匹配，建立匹配的虹膜特征点数据集；

(2-2)根据相机的光学信息、获取多个图像时的相机的不同位置，计算各个位置相机相对于特征点在空间上的相对位置，并根据相对位置计算出多个图像中的特征点的空间深度信息。同理，可以计算出多个图像中的特征点的空间深度信息。计算可采用光束平差法。

计算特征点的空间深度信息可以包括：空间位置信息和颜色信息，即，可以是特征点在空间位置的X轴坐标、特征点在空间位置的Y轴坐标、特征点在空间位置的Z轴坐标、特征点的颜色信息的R通道的值、特征点的颜色信息的G通道的值、特征点的颜色信息的B通道的值、特征点的颜色信息的Alpha通道的值等等。这样，生成的特征点云数据中包含了特征点的空间位置信息和颜色信息，特征点云数据的格式可以如下所示：

X1 Y1 Z1 R1 G1 B1 A1

X2 Y2 Z2 R2 G2 B2 A2

……

Xn Yn Zn Rn Gn Bn An

其中，Xn表示特征点在空间位置的X轴坐标；Yn表示特征点在空间位置的Y轴坐标；Zn表示特征点在空间位置的Z轴坐标；Rn表示特征点的颜色信息的R通道的值；Gn表示特征点的颜色信息的G通道的值；Bn表示特征点的颜色信息的B通道的值；An表示特征点的颜色信息的Alpha通道的值。

(2-3)根据多个图像匹配的特征点数据集和特征点的空间深度信息，生成目标物特征的特征点云数据。

(2-4)根据特征点云数据构建目标物3D模型，以实现目标物点云数据的采集。

(2-5)将采集到的目标物颜色、纹理附加在点云数据上，形成目标物3D图像。

其中，可以利用一组图像中的所有图像合成3D图像，也可以从其中选择质量较高的图像进行合成。

上述拼接方法只是有限举例，并不限于此，所有根据多幅多角度二维图像生成三维图像的方法均可以使用。

实施例3(单轴旋转虹膜采集)

小范围、小深度目标物3为横向尺寸与相机采集范围相比较小，且沿相机景深方向尺寸较小，即目标物3在深度方向信息较少。在这种应用场合下，虽然通过轨道、机械臂等方式大范围移动的单相机系统同样可以采集目标物3多角度图像从而合成3D点云或图像，但这些设备较为复杂，从而使得可靠性降低。并且大幅度的移动导致采集时间延长。并且由于体积较大，无法适用于很多场合(例如门禁系统)。

而小范围、小深度目标物3具有自己特有的特点，其要求采集/测量设备体积小、可靠性高、采集速度快，特别是其对采集范围要求较低(大深度的目标物3则需要较大范围的采集，特别是需要相机处于不同位置才能够采集全部信息)。申请人首次提出该应用对象和场合，并针对其特点用最简洁的旋转装置即实现了目标物3的3D点云和图像采集，充分利用了该目标物3对采集范围要求小的特点。

系统包括：图像采集装置201，用于通过图像采集装置201的采集区域与目标物3相对运动采集目标物3一组图像；采集区域移动装，用于驱动图像采集装置201的采集区域与目标物3产生相对运动；采集区域移动装置为转轴装置，使得图像采集装置201沿一中心轴转动；

参见图5-图10，图像采集装置201为一相机，相机通过固定安装在旋动座上的相机固定架上，旋动座下连接有旋转轴202，旋转轴202由转轴驱动装置203控制转动，转轴驱动装置203和相机均连接控制终端4，控制终端4用于控制转轴驱动装置203实施驱动和相机拍摄。此外，旋转轴201也可以直接与图像采集装置201固定连接，带动相机旋转。

由于与传统的3D采集不同，本申请的实施目标物3属于小范围的3D物体。因此，无需对目标进行大范围复现，但需对其表面主要特征进行高精度的获取，测量和比对，即测量精度要求高。相机转动角度不需要过大，但需要保证转动角度的精确控制。发明通过在驱动旋转轴202和/或旋动座上设置角度获取装置，转轴驱动装置203驱动旋转轴202、相机按照设定的度数转动，角度获取装置测量转动度数并将测量结果反馈给控制终端4，与设定的度数进行比对，保证转动精度。转轴驱动装置203驱动旋转轴202转过两个或多个角度，相机在旋动座的带动下绕着中心轴沿着周向转动并完成不同角度的拍摄，将不同角度的拍摄的图像发送至控制终端4，终端对数据进行处理，并生成最终的三维图像。也可以发送至处理单元，实现3D的合成(具体合成方法参见下文图像拼接方法)，处理单元可以为独立装置，也可以为与其它带有处理功能的装置，也可以为远程设备。其中，相机也可连接图像预处理单元，对图像进行预处理。目标物3为人脸，相机转动过程中保证目标物3在拍摄的采集区域内。

控制终端4可选为处理器、计算机、远程控制中心等。

图像采集装置201可以替换为摄像机，CCD，红外相机等其他图像采集器件。同时，图像采集装置201可以整体安装在支架上，例如三脚架，固定平台等。

转轴驱动装置203可选为无刷电机，高精密步进电机，角编码器，旋转电机等。

参见图6，旋转轴202的位于图像采集装置201下方，旋转轴202与图像采集装置201直接连接，此时中心轴与图像采集装置201相交；图7所示的中心轴位于图像采集装置201的相机的镜头一侧，此时，相机绕中心轴旋转并进行拍摄，旋转轴202与旋动座之间设置了旋转连接臂；图8所示的中心轴位于图像采集装置201的相机的镜头反向的一侧，此时，相机绕中心轴旋转并进行拍摄，旋转轴202与旋动座之间设置了旋转连接臂，且可以根据需要将连接臂设置为具有向上或向下弯曲的结构；图9所示中心轴位于图像采集装置201的相机的镜头反向的一侧，且中心轴为水平设置，该设置使得相机可以在垂直方向进行角度变换，可适应于垂直方向具有特定特征的目标物3拍摄，其中转轴驱动装置203驱动旋转轴202转动，带动摆动连接臂上下运动；图10所示的转轴驱动装置203还包括升降装置204和用于控制升降装置204运动的升降驱动装置205，升降驱动装置205与控制终端4连接，增加了3D信息获取装置的拍摄区域范围。

该3D信息获取装置占用空间小，拍摄效率较需要大范围移动相机的系统明显提高，特别适用于小范围、小深度目标高精度3D信息获取的应用场景。

实施例4(光线偏转虹膜采集)

参见图11-13，系统包括：图像采集装置201，用于通过图像采集装置201的采集区域与目标物3相对运动采集目标物3一组图像；采集区域移动装置，用于驱动图像采集装置201的采集区域与目标物3产生相对运动；采集区域移动装置为光学扫描装置，使得图像采集装置201不移动或转动的情况下，图像采集装置201的采集区域与目标物3产生相对运动。

参见图11，采集区域移动装置还包括光线偏转单元211，可选地，光线偏转单元211由光线偏转驱动单元212驱动，图像采集装置201为一相机，相机固定安装，其物理位置不发生变化，即不移动也不转动，通过光线偏转单元211使得相机的采集区域发生一定的变化，以实现目标物3与采集区域发生变化，该过程中，光线偏转单元211能够被光线偏转驱动单元212驱动使得不同方向的光线进入图像采集装置201。光线偏转驱动单元212可以为控制光线偏转单元211直线运动或转动的驱动装置。光线偏转驱动单元212和相机均连接控制终端4，控制终端4用于控制转轴驱动装置203实施驱动和相机拍摄。

同样可以理解的是，由于与传统的3D采集技术不同，本申请的实施目标物3属于小范围的3D物体。因此，无需对目标进行大范围复现，但需对其表面主要特征进行高精度的获取，测量和比对，即测量精度要求高。因此本发明光线偏转单元211的位移量或转动量无需过大，但需要保证精度和目标物3在拍摄范围内的要求。发明通过在光线偏转单元211上设置角度获取装置和/或位移获取装置，当光线偏转驱动单元212驱动光线偏转单元211运动时，角度获取装置和/或位移获取装置测量转动度数和/或直线位移量并将测量结果反馈给控制终端4，与预先设定的参数进行比对，保证精度。当光线偏转驱动单元212驱动光线偏转单元211发生旋转和/或位移时，相机对应于光线偏转单元211的不同位置状态完成两个或多个拍摄，将两个或多个拍摄的图像发送至控制终端4，终端对数据进行处理，并生成最终的三维图像。其中，相机也可连接图像预处理单元，对图像进行预处理。

控制终端4可选为处理器、计算机、远程控制中心等。

图像采集装置201可以替换为摄像机，CCD，红外相机等其他图像采集器件。同时，图像采集装置201固定在安装平台上，位置固定不发生变化。

光线偏转驱动单元212可选为无刷电机，高精密步进电机，角编码器，旋转电机等。

参见图11，光线偏转单元211为反射镜，可以理解的是，根据测量需要可以设置一个或多个反射镜，光线偏转驱动单元212可以相应地设置一个或多个，并控制平面镜角度发生变化使得不同方向的光线进入图像采集装置201；图12所示的光线偏转单元211为透镜组，透镜组中的透镜可设置为一个或多个，光线偏转驱动单元212可以相应地设置一个或多个，并控制透镜角度发生变化使得不同方向的光线进入图像采集装置201；图13所示光线偏转单元211包括多面转镜。

另外，光线偏转单元211可以为DMD，即利用电信号可以控制DMD反射镜的偏转方向，从而使得不同方向的光线进入图像采集装置201。而且由于DMD尺寸非常小，因此能够显著地缩小整个设备的尺寸，并且由于DMD可以高速转动，因此极大地提高了测量和采集速度。这也是本发明的发明点之一。

可以理解，虽然上述两个实施例分开撰写，但是同时实现相机转动和光线偏转也是可以的。

包括3D信息获取装置的3D信息测量装置，其中3D信息获取装置获取3D信息，将信息发送至控制终端4，控制终端4对获取的信息进行计算分析得出目标物3上全部特征点的空间坐标。其中包括，3D信息图像拼接模块，3D信息预处理模块，3D信息算法选择模块，3D信息计算模块，空间坐标点3D信息重建模块。上述模块用于对3D信息获取装置获取的数据进行计算处理并生成测量结果，其中测量结果可以为3D点云图像。测量包括长度、轮廓、面积、体积等几何参数。

包括3D信息获取装置的3D信息比对装置，其中3D信息获取装置获取3D信息，将信息发送至控制终端4，控制终端4对获取的信息进行计算分析得出目标物3上全部特征点的空间坐标，并与预设值进行比对，判断被测目标的状态。除前述3D信息测量装置中的模块外，3D信息比对装置还包括预设3D信息提取模块，信息比对模块，比对结果输出模块和提示模块。比对装置可以对被测目标物3的测量结果与预设值进行比对，以便于生产结果审查及再次加工。对于比对结果中发现被测目标物3与预设值存在偏差明显大于阈值的情况，发出警告提示。

目标物3的配套物生成装置，其可以实现3D信息获取装置获得的目标物3的至少一个区域的3D信息生成与目标物3相应区域相配合的配套物。具体为，本发明应用于运动器械或医疗辅助器械生产，人体结构存在个体差异，因此，统一的配套物无法满足每个人的需求，本发明3D信息获取装置获取某人肘部图像，将其三维结构输入配套物生成装置，用于生产便于其肘部恢复康复的肘部支撑套。配套物生成装置可以为工业塑型机、3D打印机或其他所有本领域那些技术人员可以理解生产设备。其配置本申请的3D信息获取装置以实现快速定制化生产。

虽然本发明给出了上述多种应用(测量、比对、生成)，但可以理解，本发明可以独立作为3D信息采集设备。

一种3D信息采集方法，包括：

S1.在图像采集装置201的采集区域与目标物3相对运动过程中，图像采集装置1采集目标物3一组图像；

S2采集区域移动装置通过如下两种方案之一驱动图像采集装置201的采集区域与目标物3产生相对运动：

S21.采集区域移动装置为转轴装置，使得图像采集装置201沿一中心轴转动；

S22.采集区域移动装置为光学扫描装置，使得图像采集装置201不移动或转动的情况下，图像采集装置201的采集区域与目标物3产生相对运动。

利用相机拍摄的多个角度的多个图像合成3D点云或图像可以使用根据相邻图像特征点进行图像拼接的方法，也可以使用其它方法。

图像拼接的方法包括：

(1)对多个图像进行处理，提取各自的特征点；多个图像中各自的特征点的特征可以采用SIFT(Scale-Invariant Feature Transform，尺度不变特征转换)特征描述子来描述。SIFT特征描述子具有128个特征描述向量，可以在方向和尺度上描述任何特征点的128个方面的特征，显著提高对特征描述的精度，同时特征描述子具有空间上的独立性。

(2)基于提取的多个图像的特征点，分别生成人脸特征的特征点云数据和虹膜特征的特征点云数据。具体包括：

(2-1)根据提取的多个图像中每幅图像各自的特征点的特征，进行多张图像的特征点的匹配，建立匹配的脸部特征点数据集；根据提取的多个图像中每幅图像各自的特征点的特征，进行多张图像的特征点的匹配，建立匹配的虹膜特征点数据集；

(2-2)根据相机的光学信息、获取多个图像时的相机的不同位置，计算各个位置相机相对于特征点在空间上的相对位置，并根据相对位置计算出多个图像中的特征点的空间深度信息。同理，可以计算出多个图像中的特征点的空间深度信息。计算可采用光束平差法。

计算特征点的空间深度信息可以包括：空间位置信息和颜色信息，即，可以是特征点在空间位置的X轴坐标、特征点在空间位置的Y轴坐标、特征点在空间位置的Z轴坐标、特征点的颜色信息的R通道的值、特征点的颜色信息的G通道的值、特征点的颜色信息的B通道的值、特征点的颜色信息的Alpha通道的值等等。这样，生成的特征点云数据中包含了特征点的空间位置信息和颜色信息，特征点云数据的格式可以如下所示：

X1 Y1 Z1 R1 G1 B1 A1

X2 Y2 Z2 R2 G2 B2 A2

……

Xn Yn Zn Rn Gn Bn An

其中，Xn表示特征点在空间位置的X轴坐标；Yn表示特征点在空间位置的Y轴坐标；Zn表示特征点在空间位置的Z轴坐标；Rn表示特征点的颜色信息的R通道的值；Gn表示特征点的颜色信息的G通道的值；Bn表示特征点的颜色信息的B通道的值；An表示特征点的颜色信息的Alpha通道的值。

(2-3)根据多个图像匹配的特征点数据集和特征点的空间深度信息，生成目标物3特征的特征点云数据。

(2-4)根据特征点云数据构建目标物3D模型，以实现目标物3点云数据的采集。

(2-5)将采集到的目标物3颜色、纹理附加在点云数据上，形成目标物3D图像。

其中，可以利用一组图像中的所有图像合成3D图像，也可以从其中选择质量较高的图像进行合成。

实施例5

在形成矩阵时，还需要保证相机在矩阵点时拍摄的物体大小在画面中的比例合适，且拍摄照片清晰。那么在形成矩阵的过程中，相机在矩阵点时需要进行变焦和对焦。

(1)变焦

在相机拍摄目标物后，估测目标物在相机画面的比例，并与预定值进行比较。过大或者过小都需要进行变焦。变焦方法可以为：利用额外的位移装置在图像采集装置201的径向上移动图像采集装置201，使得图像采集装置201可以靠近或远离目标物体，从而保证在各个矩阵点，目标物在画面中占比保持基本不变。

还包括测距装置，可以测量图像采集装置201到物体的实时距离(物距)。可以将物距、目标物在画面中的占比、焦距三者关系数据列成表格，根据焦距、目标物在画面中的占比查表确定物距应该的大小，从而确定矩阵点。

在一些情况下，在不同矩阵点目标物或目标物的区域相对相机变化，也可以通过调整焦距来实现目标物在画面中的占比保持恒定。

(2)自动对焦

在形成虚拟矩阵的过程中，测距装置实时测量相机到物体的距离(物距)h(x)，并将测量结果发送给图像处理装置100，图像处理装置100查物距-焦距表，找到对应的焦距值，向相机201发出对焦信号，控制相机超声波马达驱动镜头移动进行快速对焦。这样，可以在不调整图像采集装置201的位置，也不大幅度调整其镜头焦距的情况下，实现快速对焦，保证图像采集装置201拍摄照片清晰。这也是本发明的发明点之一。当然，除了测距方式进行对焦外，也可以采用图像对比度比对的方式进行对焦。

本发明中所述目标物可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。

所述目标物的3D信息包括3D图像、3D点云、3D网格、局部3D特征、3D尺寸及一切带有目标物3D特征的参数。

本发明里所谓的3D、三维是指具有XYZ三个方向信息，特别是具有深度信息，与只有二维平面信息具有本质区别。也与一些称为3D、全景、全息、三维，但实际上只包括二维信息，特别是不包括深度信息的定义有本质区别。

本发明所说的采集区域是指图像采集装置(例如相机)能够拍摄的范围。

本发明中的图像采集装置可以为CCD、CMOS、相机、摄像机、工业相机、监视器、摄像头、手机、平板、笔记本、移动终端、可穿戴设备、智能眼镜、智能手表、智能手环以及带有图像采集功能所有设备。

例如，在一种具体的实施方式中，无反光的虹膜信息采集系统采用市售工业相机WP-UC2000，其具体参数如下表所示：

处理器或控制终端采用市售计算机，如Dell/戴尔Precision3530，具体参数如下：

机械移动装置采用定制移动导轨系统TM-01，具体参数为：

云台：三轴云台，预留相机机械接口，计算机控制接口；

导轨：弧形导轨，与云台机械连接配合；

伺服电机：品牌:纵维，型号:130-06025，额定扭矩:6N·m，编码器类型:2500线增量式，线长:300cm，额定功率:1500W，额定电压:220V，额定电流:6A，额定转速:2500rpm；

控制方式：通过PC控制或者是其他方式控制。

以上实施例获得的目标物多个区域的3D信息可以用于进行比对，例如用于身份的识别。首先利用本发明的方案获取人体面部和虹膜的3D信息，并将其存储在服务器中，作为标准数据。当使用时，例如需要进行身份认证进行支付、开门等操作时，可以用3D获取装置再次采集并获取人体面部和虹膜的3D信息，将其与标准数据进行比对，比对成功则允许进行下一步动作。可以理解，这种比对也可以用于古董、艺术品等固定财产的鉴别，即先获取古董、艺术品多个区域的3D信息作为标准数据，在需要鉴定时，再次获取多个区域的3D信息，并与标准数据进行比对，鉴别真伪。

以上实施例获得的目标物多个区域的3D信息可以用于为该目标物设计、生产、制造配套物。例如，获得人体头部3D数据，可以为人体设计、制造更为合适的帽子；获得人体头部数据和眼睛3D数据，可以为人体设计、制造合适的眼镜。

以上实施例获得的目标物的3D信息可以用于对该目标物的几何尺寸、外形轮廓进行测量。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：包括

光源装置，包括多个子光源，用于向目标物提供照明；

图像采集装置，用于提供采集区域，采集目标物图像；

检测装置，用于检测目标物多个区域反射光的特征；

控制装置，进行多个区域光照度或光强的比较，区分出光照度/光强不均匀的区域，并根据该信息控制对应的子光源的位置和角度提高或减弱对应区域的光强或照度；

图像采集装置与检测装置为同一部件。

2.如权利要求1所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：还包括图像处理装置，用于接收图像采集装置发送的目标物图像得到目标物3D信息。

3.如权利要求2所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：图像处理装置和控制装置为同一部件。

4.如权利要求1所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：所述反射光的特征为：反射光光强、反射光照度、反射光色温、反射光波长、反射光位置、反射光均匀度、反射图像的锐度、反射图像的清晰度、反射图像的对比度和/或它们任意的组合。

5.如权利要求1所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：光源装置包括多个子光源，或为可从不同方向向目标物不同区域提供照明的一体光源。

6.如权利要求1所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：光源装置的多个子光源位于目标物周围的不同位置。

7.如权利要求5所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：多个子光源或一体光源配置使得目标物多个区域受到光照的光照度大体相等。

8.如权利要求1所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：图像采集装置通过采集区域与目标物的相对运动采集目标物多个图像。

9.如权利要求8所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：采集多个图像时图像采集装置的位置至少满足相邻两个位置至少符合如下条件：

H*(1-cosb)＝L*sin2b；

a＝m*b；

0<m<0.8；

其中L为图像采集装置到目标物的距离，H为采集到的图像中目标物实际尺寸，a为相邻两个位置图像采集装置光轴夹角，m为系数。

10.如权利要求8所述的用于3D信息采集的光照控制系统，其特征在于：采集多个图像时图像采集装置的相邻三个位置满足在对应位置上采集的三个图像至少均存在表示目标物同一区域的部分。