CN110595389A - 基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统 - Google Patents

基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统 Download PDF

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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
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Abstract

本发明涉及一种基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统，该基于单目镜头的采集装置包括发光源、条纹生成器、投影透镜、圆锥反射镜以及鱼眼镜头，所述发光源发出的光线经过所述条纹生成器生成正弦条纹，所述正弦条纹经过所述投影透镜投射至所述圆锥反射镜上，并通过所述圆锥反射镜反射到待测物上，所述鱼眼镜头用于采集待测物上的所述正弦条纹。通过条纹生成器生成正弦条纹，正弦条纹通过圆锥反射镜实现360度面结构光扫描，再通过鱼眼镜头实现大视场数据采集，从而提高三维重建的速度和视场范围。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。

Description

基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统
技术领域
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统。
背景技术
在室内机器人导航、自动驾驶、无人机、室内定位、人机互动等热门领域中，如何实现实时获取周围环境360度稠密三维点云数据一直是大家研究的热点和难题。在现有技术中，一般通过多线激光雷达进行扫描和采集，但是该设备有以下缺点：1、价格高；2、需要360度旋转扫描，导致扫描效率低；3、扫描的线数有限，导致无法获得稠密的三维点云数据。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统，旨在解决现有技术中多线激光雷达价格高、扫描效率低以及无法获得稠密的三维点云数据的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种基于单目镜头的采集装置，用于采集待测物上的正弦条纹，包括发光源、条纹生成器、投影透镜、圆锥反射镜以及鱼眼镜头，所述发光源发出的光线经过所述条纹生成器生成正弦条纹，所述正弦条纹经过所述投影透镜投射至所述圆锥反射镜上，并通过所述圆锥反射镜反射到待测物上，所述鱼眼镜头用于采集待测物上的所述正弦条纹。
其中，所述鱼眼镜头面向待测物，所述鱼眼镜头和待测物呈预设距离设置。
其中，所述发光源、所述条纹生成器、所述圆锥反射镜的中心位于同一直线上。
其中，所述条纹生成器为圆形光栅、螺旋光栅、空间光调制器、DMD及LCD中的任一种。
一种三维重建成像系统，包括处理装置以及上述基于单目镜头的采集装置，所述处理装置和所述鱼眼镜头信号连接，所述鱼眼镜头将采集的所述正弦条纹发送给所述处理装置，所述处理装置用于根据所述正弦条纹生成待测物的三维轮廓图像。
上述基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统，通过条纹生成器生成正弦条纹，正弦条纹通过圆锥反射镜实现360度面结构光扫描，再通过鱼眼镜头实现大视场数据采集，从而提高三维重建的速度和视场范围。。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的基于单目镜头的采集装置的示意性立体图。
图2是根据本发明的一个实施例中条纹生成器为圆形光栅的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例中条纹生成器为螺旋光栅的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例中PMP系统的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例中PMP系统的原理图。
图6是根据本发明的一个实施例中条纹形变的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例中PMP系统的光路图。
图8(a)至8(c)是根据本发明的一个实施例中正弦条纹沿x轴方向移动0、2、4个像素的相移图。
图9(a)是根据本发明的一个实施例中变形条纹的截断相位图。
图9(b)是根据本发明的一个实施例中变形条纹的连续相位图。
10、基于单目镜头的采集装置；1、发光源；2、条纹生成器；3、投影透镜；4、圆锥反射镜；5、鱼眼镜头；6、待测物。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的基于单目镜头的采集装置的示意性立体图。
从图中可以看出，该基于单目镜头的采集装置10可以具有发光源1、条纹生成器2、投影透镜3、圆锥反射镜4以及鱼眼镜头5，其中，鱼眼镜头5面向待测物6，鱼眼镜头5和待测物6呈预设距离设置；发光源1发出的光线经过条纹生成器2生成正弦条纹，正弦条纹经过投影透镜3投射至圆锥反射镜4上，正弦条纹通过圆锥反射镜4反射到待测物6上，鱼眼镜头5用于采集待测物6上的正弦条纹。
在本实施例中，通过条纹生成器2生成正弦条纹，正弦条纹通过圆锥反射镜4实现360度面结构光扫描，再通过鱼眼镜头5实现大视场数据采集，从而提高三维重建的速度和视场范围。该结构设计巧妙、结构简单、价格低。
在本实施例中，鱼眼镜头5面向待测物6，从而采集待测物6上的正弦条纹。鱼眼镜头5和待测物6呈预设距离设置，从而根据鱼眼镜头5和待测物6的距离，建立空间相位查找表。
在本实施例中，发光源1、条纹生成器2、圆锥反射镜4的中心位于同一直线上，该结构设计有利于条纹相移和空间相位标定。可以了解，在可选的实施例中，光源、条纹生成器2、圆锥反射镜4的中心并不一定要在同一直线上，只需在三维轮廓重建前，建立空间相位查找表即可。
在本实施例中，如图2中所示，条纹生成器2为圆形光栅。在可选的实施例中，如图3中所示，条纹生成器2也可以为螺旋光栅。在其他的实施例中，条纹生成器2还可以为空间光调制器、DMD或者LCD。
在本实施例中，鱼眼镜头5的视角为220度。可以了解，在可选的实施例中，鱼眼镜头5的视角并不局限于220度，根据具体的需求而定。
在本实施例中，该三维重建成像系统可以具有处理装置以及前述任一实施例中的基于单目镜头的采集装置，处理装置和鱼眼镜头信号连接，鱼眼镜头将采集的正弦条纹发送给处理装置，处理装置用于根据正弦条纹生成待测物的三维轮廓图像。
在本实施例中，处理装置和鱼眼镜头通过无线信号连接。可以了解，在可选的实施例中，处理装置和鱼眼镜头也可以通过有线连接。
在本实施例中，处理装置根据位相测量轮廓术(PMP)生成待测物的三维轮廓图像，以下具体介绍位相测量轮廓术的原理和三维轮廓图像的重建过程。
位相测量轮廓术的原理：
位相测量轮廓术(PMP)是一种非接触三维传感方法，该方法采用正弦条纹投影和数字相移技术，以低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。当一个正弦条纹图形投影到三维漫反射物体表面时，从成像系统可以获得受物体表面面形调制的变形条纹，利用离散相移技术获取N幅(N≥3)变形光场图像，再根据N步相移算法计算出相位分布，由于从相移计算的相位被截断在反三角函数的主值范围[-π，π]内，因而是不连续的。为了得到物体的三维分布，必须将截断相位恢复成连续相位分布，然后，根据系统结构从展开后的相位对物体的轮廓进行重构。
为了进一步了解位相测量轮廓术，以下通过举例的方式介绍位相测量轮廓术。
如图4中所示，PMP系统由投影、成像、数据获取与处理三大部分组成。
测量过程：光源发出的白光经正弦光栅投影到参考平面上和待测物表面上，分别得到正弦光栅条纹图的光强信息和受物体表面面形调制后的变形条纹光强信息，采用高精度的CCD摄像机采集变形前后的条纹图像，并将接收到的光强信号转换为电信号，送至图像卡，进行电信号放大，再经A/D转换后量化为数字图像，存储在计算机的系统内存中，由计算机对其进行运算，并结合相位技术，最终得到所要求的相位信息，经数据处理后，可从计算机的显示屏上观察到待测物的表面三维轮廓图像。
在PMP的测量过程中，需采集参考平面和待测物图像。在一般情况下，各种摄像机采集到的都是2D图像。但当光栅投影到物体表面时，由于物体外形凹凸等几何形状变化，周期性光栅的相位受到调制产生的畸变条纹，变形条纹图虽然是2D图像，但携带有3D信息，这些信息包含在相位里。变形条纹图可以认为是三维物面对投影栅像的相位和振幅调制的结果，可由相位分布表征。通过提取相位获取高度的方法称之为相位法。位相测量轮廓术采用正弦条纹投影，当正弦条纹图样投影到参考平面上和三维漫射物体表面上时，采集的变形条纹图的光强可分别表示为:
要得到变形条纹，首要条件是投影系统和探测系统成一定角度。所以位相测量轮廓术仍是基于三角测量原理。图5中，R为参考平面，P1和P2是光栅投影系统的入瞳和出瞳。I2和I1是CCD成像系统的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴相交于参考平面上的O点。
用一像差很小的投影设备，将一条纹平行且方向与Y轴平行的光栅斜向投影到与Z轴垂直的参考平面R上时，R上图像的条纹仍然是平行的，如图6(a)。由于是斜向投影，当在垂直方向上观察R上的条纹图像时，其上条纹是平行的。当用正弦条纹投影时，平面上具有相同Y值的直线上的光强近似为正弦变化，周期为P，其上任一点具有相应的相位值如果条纹投向的不是平面，而是一个与参考平面R有一定高度差的不平物体表面时，虽然在投影方向上看，条纹仍是平行的，但在垂直方向上观察时，则条纹是弯曲的。如图6(b)，条纹的弯曲程度与表面相对参考平面R的高度差有关。此时，平面上具有相同Y值的直线上的光强不再是周期相同的正弦变化，有的区域频率高，有的区域频率低。此时，各点的相位值与平面时的显然不同。如图5所示，原来投射到参考平面上A点的光线，由于被测曲面的存在而只照到D点，这样，摄像机测量到D点的相位实际上与参考平面中C点的相位一样，即由于曲面高度对相位的调制，相当于把A点移相到了C点，移相值为也就是说，正弦条纹被曲面调制成了变形的条纹。
采用发散照明的PMP系统如图7所示。利用成像面上任意点去包裹后的相位值通过图7所示的三角关系可以计算出物体表面对应点的高度值。设参考平面上的条纹周期(节距)为P，摄像机光心到参考平面的距离为l，且其光轴与参考平面垂直。投影系统光心与摄像装置光心的连线P2I2的长度为d，且平行于参考平面。D为待测物上任一点，线段DB的长度h即为D点的高度。A、C点分别是D点与两光心连线和参考平面的交点。
由于投影光线是发散的，在基准平面上的相位分布已不是线性分布，需要一种相位映射算法来处理从位相到高度的计算过程。当正弦条纹被投影到参考平面时，在参考平面上沿x方向的强度分布为:
但是参考平面上每一点相对于参考点O的相位值是唯一的和单调变化的。根据系统结构参数，可以计算在参考平面光场上的相位分布，建立参考平面坐标(x，y)与相位分布之间的映射关系，相当于建立空间相位查找表，将这一映射关系以数据表的形式存储在计算机中。在测量三维物体表面时，在探测器阵列上DC点可以测量物点D的位相它对应于参考平面上A点的相位另一方面由阵列上同一点DC在参考平面上所对应的相位已经以映射表的形式存储在计算机中，这意味着距离OC是已知的。参考平面上位置A的确定可以先在映射表中查找与最接近的两个相位值和使然后通过线性插值的方式获得这说明OA是可以通过对相位的测量和映射关系求出的，所以:
OC＝OC-OA (4)
由相似三角形ΔP2 DI2和ΔADC可以计算出物点的高度分布为:
在实际应用中，AC≤d，上式可进一步简化为:
三维轮廓图像的重建过程具体包括如下步骤：
S101，对待测物进行正弦条纹扫描。
S102，分别获取参考平面的参考条纹图及待测物的变形条纹图。
由于条纹的弯曲是由物体曲面高度变化引起的，使得周期性条纹的相位受到调制。也就是说，条纹的弯曲程度与待测物表面相对参考平面的高度差有关，根据几何三角关系，可以获得待测物调制引起的相位变化。
S103，对参考平面进行空间相位标定，并且根据空间相位标定建立空间相位查找表。
S104，对待测物上的变形条纹进行相移处理，获得多幅相移图。
在本实施例中，通过前后移动发光源，使投影到物体表面的正弦条纹沿x轴方向分别移动0、2、4个像素，从而产生3幅光强分布为I1，I2，I3的相移图，如图8所示。
S105，根据多幅相移图计算出截断相位分布，如图9(a)所示。
S106，根据截断相位分布获得连续相位。
具体地，通过相位展开将截断相位分布恢复成原有的连续相位分布。在本实施例中，通过MATLAB软件中的封装函数unwrap对截断相位分布进行相位展开处理，从而得到连续相位，结果如图9(b)所示。
S107，根据连续相位获得待测物的相位。
通过相位展开得到的连续相位其中，不仅包含待测物的相位值还包含了参考平面的相位值即为了得到待测物的相位值必须从中减去在本实施例中，先通过空间相位查找表查找最接近的两相位值和使再通过线性插值的方式获得则待测物的相位为:
S108，根据待测物的相位获得待测物的高度信息。
在本实例中，根据高度公式(6)可得:
通过计算多幅相移图获得重构的待测物的高度信息。在本实施例中，d和l为系统预设的参数，利用MATLAB软件中的函数mesh，从而输出待测物的三维轮廓。
上述实施例中的空间相位标定是基于笛卡尔坐标系(XYZ坐标系)，可以了解，在可选的实施例中，空间相位标定也可以是基于极坐标系(360度)。
以上为对本发明所提供的一种基于单目镜头的采集装置及三维重建成像系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于单目镜头的采集装置，用于采集待测物上的正弦条纹，其特征在于，包括发光源、条纹生成器、投影透镜、圆锥反射镜以及鱼眼镜头，所述发光源发出的光线经过所述条纹生成器生成正弦条纹，所述正弦条纹经过所述投影透镜投射至所述圆锥反射镜上，并通过所述圆锥反射镜反射到待测物上，所述鱼眼镜头用于采集待测物上的所述正弦条纹。
2.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述鱼眼镜头面向待测物，所述鱼眼镜头和待测物呈预设距离设置。
3.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述发光源、所述条纹生成器、所述圆锥反射镜的中心位于同一直线上。
4.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述条纹生成器为圆形光栅、螺旋光栅、空间光调制器、DMD及LCD中的任一种。
5.一种三维重建成像系统，其特征在于，包括处理装置以及权利要求1-4任一项所述的基于单目镜头的采集装置，所述处理装置和所述鱼眼镜头信号连接，所述鱼眼镜头将采集的所述正弦条纹发送给所述处理装置，所述处理装置用于根据所述正弦条纹生成待测物的三维轮廓图像。
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