CN110986770A

CN110986770A - 一种用于3d采集系统中相机及相机选择方法

Info

Publication number: CN110986770A
Application number: CN201911277066.4A
Authority: CN
Inventors: 左忠斌; 左达宇
Original assignee: Tianmu Aishi Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Tianmu Aishi Beijing Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN110986770B; WO2021115299A1

Abstract

本发明提供了一种用于3D信息采集的图像采集装置及其选择方法，图像采集装置应用于3D信息采集设备中；3D信息采集设备包括：采集区域移动装置，用于驱动图像采集装置的采集区域与目标物产生相对运动；图像采集装置，用于通过上述相对运动采集目标物一组图像；图像采集装置满足预设条件。首次提出通过选择合适相机来同时提高合成速度和合成精度。选择相机时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

Description

一种用于3D采集系统中相机及相机选择方法

技术领域

本发明涉及形貌测量技术领域，特别涉及3D形貌测量技术领域。

背景技术

一方面，在进行3D测量时，需要首先采集3D信息。目前常用的方法包括使用机器视觉的方式，采集物体不同角度的图片，并将这些图片匹配拼接形成 3D模型。在采集不同角度图片时，可以待测物不同角度设置多个相机，也可以通过单个或多个相机旋转从不同角度采集图片。但无论这两种方式哪一种，都涉及合成速度和合成精度的问题。而合成速度和合成精度在某种程度上是一对矛盾，合成速度的提高会导致最终3D合成精度下降；要提高3D合成精度则需要降低合成速度，通过更多的图片来合成。在现有技术中，为了同时提高合成速度和合成精度，通常通过优化算法的方法实现。并且本领域一直认为解决上述问题的途径在于算法的选择和更新，截止目前没有任何提出其他角度同时提高合成速度和合成精度的方法。然而，算法的优化目前已经达到瓶颈，在没有更优理论出现前，已经无法兼顾提高合成速度和合成的精度。

在现有技术中，也曾提出使用包括旋转角度、目标物尺寸、物距的经验公式限定相机位置，从而兼顾合成速度和效果。然而在实际应用中发现：除非有精确量角装置，否则用户对角度并不敏感，难以准确确定角度；目标物尺寸难以准确确定，特别是某些应用场合目标物需要频繁更换，每次测量带来大量额外工作量，并且需要专业设备才能准确测量不规则目标物。测量的误差导致相机位置设定误差，从而会影响采集合成速度和效果；准确度和速度还需要进一步提高。

以上方法都是在确定相机后，进行各种角度、距离调整，从而提高合成速度和效果。然而，并没有任何人意识到，对于一个3D采集系统而言，相机参数的恰当选择也可以提高3D合成速度和效果。特别是对于一些特殊场合而言，其采集的空间有限，相机与目标物的距离受到限制，相机移动范围受到限制，在这种情况下，如何选择相机并未有人提及或给出任何启示。

另一方面，目前在3D采集系统中，相机的选择主要是依据2D拍摄的要求选择相机，例如物距要求、成像质量、分辨率等。这种考虑角度完全是处于对平面图像质量的考虑。但3D合成领域中，并不是图像质量高，就能够又快又好地合成3D模型，而是需要根据3D合成的要求综合考虑。而目前也没有人从 3D合成的角度去考虑如何选择合适的相机。

因此，目前急需解决以下技术问题：①如何能够为3D采集系统选择合适相机；②如何通过相机的选择兼顾3D合成的速度和效果。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明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采集系统中相机及相机选择方法。

本发明提供了一种用于3D信息采集的图像采集装置及其选择方法，图像采集装置应用于3D信息采集设备中；

3D信息采集设备包括：采集区域移动装置，用于驱动图像采集装置的采集区域与目标物产生相对运动；图像采集装置，用于通过上述相对运动采集目标物一组图像；

图像采集装置镜头焦距主要由如下公式决定：

0.73<δ<1.35

μ＝0.983

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度或宽度；H为图像采集装置光心沿着光轴到目标物表面的距离；δ、μ为调整系数。

可选的，0.85<δ<1.19

可选的，1mm<f<150mm。。

可选的，2mm<d<50mm。

可选的，图像采集装置包括机身和镜头。

可选的，图像采集装置通过与处理器数据连接。

可选的，图像采集装置为可见光相机或红外相机。

可选的，3D信息采集设备还包括处理器，用于根据图像采集装置采集的图像进行3D合成建模。

本发明还提供了一种使用任一所述图像采集装置的3D采集装置或方法。

本发明还提供了一种使用任一所述图像采集装置的3D合成装置或方法。

发明点及技术效果

1、首次提出通过选择合适相机来同时提高合成速度和合成精度。

2、选择相机时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

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中图像采集设备的示意图；

图2为本发明实施例2中3D采集系统的示意图；

图3为本发明实施例2中3D采集系统另一种实现方式的示意图；

附图标记与各部件的对应关系如下：

1目标物，2载物台，3旋转装置，4图像采集装置，5支架。

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：通过相机与目标物的相对运动进行采集的3D系统

本发明的一实施例提供了一种用于3D信息采集的图像采集设备，包括图像采集装置、旋转装置。图像采集装置用于通过图像采集装置的采集区域与目标物相对运动采集目标物一组图像；采集区域移动装置，用于驱动图像采集装置的采集区域与目标物产生相对运动。采集区域为图像采集装置的有效视场范围。

请参考图1，目标物1固定于载物台2上，旋转装置3驱动图像采集装置4 围绕目标物1转动。旋转装置3可以通过旋转臂带动图像采集装置4围绕目标物1转动。当然这种转动并不一定是完整的圆周运动，可以根据采集需要只转动一定角度。并且这种转动也不一定必须为圆周运动，图像采集装置4的运动轨迹可以为其它曲线轨迹，只要保证相机从不同角度拍摄物体即可。旋转装置 3可以为悬臂、转台、轨道等多种形态，使得图像采集装置能够产生运动即可。

在这种情况下，待安装相机的位置与目标物的距离可以测得，或根据客观空间大小的要求来确定。相机的采集位置可预先设定，这与伺服控制的难度有关。例如小间隔频繁的启停会导致伺服控制的难度增加。因此通常会根据控制需要选择相机采集位置。确定了上述参数后，就可以根据3D合成的时间和效果来选择合适的相机了。对于相机的选择而言，最重要的是两个参数：感光元件尺寸和镜头焦距。在成像质量、分辨率确定后，感光元件尺寸d就可以确定了，而镜头焦距主要由如下公式决定：

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度或宽度；H为图像采集装置光心沿着光轴到目标物表面的距离；δ、μ为调整系数。其中δ取值范围为：0.73<δ<1.35，μ＝0.983。优选，0.85<δ<1.19。

可以理解，由于市面上相机焦距并不是任意值，受限于生产制造和设计。因此，根据上述公式计算完毕后，应当符合生产要求，即可能并不直接等于该公式，而是在该公式计算数值附近。例如计算值为51.8mm，可以选择50mm 的镜头。

例如，用于狭窄空间内的3D采集时，例如人体口腔(或某些工业零件的空腔中)。目标物周边的空间非常小，假设理想为M×M×M大小的立方体，此时相机与目标物的最大距离已经被限定，不能超过M。为了一定的冗余，通常不超过0.8M。而该目标物瞬间是静止的，但长期的形态是会发生变化的，此时对于采集图像的数量也有一定限制，不能采集过多，否则将导致拖延时间较长，目标物本身形态发生变化，而产生误差。因此，能够采集的图像数量也收到限制，并由此可以算出采集两个图像的相邻位置之间的距离受到限制。在这种情况下，如果还按照平面拍照的思路选择相机，只能得到画质优质的平面图像，但是否能够合成3D模型就无法保证了。因此，本发明提出在上述情况下利用上述经验条件选择相机参数，就能够保证3D模型合成的速度和效果。

除了上述方式，在某些情况下也可以将相机固定，如图2，承载目标物的载物台转动，使得目标物面向图像采集装置的方向时刻变化，从而使得图像采集装置能够从不同角度采集目标物图像。但此时计算时，仍然可以按照转化为图像采集装置运动的情况下来进行计算，从而选择合适的相机。

系统还包括处理器，也称处理单元，用以根据图像采集装置采集的多个图像，根据3D合成算法，合成目标物3D模型，得到目标物3D信息。

实施例2：通过多个固定位置的相机进行采集的3D系统

还有一种3D采集系统，如图2、3，包括多个图像采集装置4，它们之间的位置相对固定，例如在圆形支架5上，沿着圆周固定有多个图像采集装置4，且它们的光轴均向着圆形支架的圆心。当然，以上描述只是为了便于理解，可以想到的是，支架并不一定是完整圆形，例如在只需要目标物部分3D模型时，如图3，支架可以为圆弧的一部分。而且支架也并不一定只有一个，还可以有多个支架，每个支架均具有一定数量的相机，从而使得相机在空间形成二维分布。

在这种情况下，相机之间的距离已经被支架所固定，支架一旦构建起来，再拆卸修改就不方便了。此时可以认为相机之间的距离被限定了。那么根据该 3D采集系统所能够距离采集对象的距离，即可选择合适的相机进行安装。具体也应当满足上述条件。

相机选择方法

第一步：确定相机感光元件与目标物表面的距离T。通常该距离受采集环境的影响，对于空间较小的情形，T值也较小。根据空间大小的限制，可以确定T值。当然，并不是必须要空间受限才能确定T值。用户可以根据实际需要选择T值。

第二步：确定在相邻两个采集位置时相机光心的距离L，或两个相邻相机的光心距离L；通常由于运动控制难度的因素以及相机排布密度的限制，L是受到限制的，并且可以确定出来。当然，并不是必须要受限才能确定L值。用户可以根据实际需要选择L值。

第三步：

根据上述经验条件确定相机感光元件尺寸及镜头焦距。

虽然上述实施例中记载图像采集装置采集图像，但不应理解为仅适用于单张图片构成的图片组，这只是为了便于理解而采用的说明方式。图像采集装置4也可以采集视频数据，直接利用视频数据或从视频数据中截取图像进行3D合成。但合成时所利用的视频数据相应帧或截取的图像的拍摄位置，依然满足上述经验公式。

上述目标物体、目标物、及物体皆表示预获取三维信息的对象。可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。例如可以为头部、手部等。所述目标物的三维信息包括三维图像、三维点云、三维网格、局部三维特征、三维尺寸及一切带有目标物三维特征的参数。本发明里所谓的三维是指具有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。也与一些称为三维、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。

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基于本发明装置中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

1.一种用于3D信息采集的图像采集装置及其选择方法，其特征在于：

图像采集装置应用于3D信息采集设备中；

图像采集装置镜头焦距主要由如下公式决定：

0.73<δ<1.35

μ＝0.983

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件的矩形长度或宽度；H为图像采集装置光心沿着光轴到目标物表面的距离；δ、μ为调整系数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：0.85<δ<1.19。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：1mm<f<150mm。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：2mm<d<50mm。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：图像采集装置包括机身和镜头。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：图像采集装置通过与处理器数据连接。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：图像采集装置为可见光相机或红外相机。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：3D信息采集设备还包括处理器，用于根据图像采集装置采集的图像进行3D合成建模。

9.一种使用如权利要求1-8任一所述图像采集装置的3D采集装置或方法。

10.一种使用如权利要求1-8任一所述图像采集装置的3D合成装置或方法。