CN110986771A - 一种基于光纤束的凹形3d信息采集测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤束的凹形3D信息采集测量设备，包括外壳、多个光学结构、和导光结构，其中多个光学结构分布设置于外壳凹形区域上；多个光学结构分别与多个导光结构一端光学连接；多个导光结构设置于外壳内。首次提出通过多根光导来实现多角度的采集，既满足了小空间的需求，又能够满足3D采集的特殊要求。通过在光导头部设置光学结构，优化了3D采集的质量，提高合成速度和合成精度。

Description

一种基于光纤束的凹形3D信息采集测量设备

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

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，都具有较大体积，难以在空间较小的场合使用，例如各种细小的管道腔体内。这是由于无法将巨大的相机装入管道腔体内，并且还要进行转动或移动拍照。

特别是，某些小空间区域内具有一些小凸起或小部件，采用普通3D合成方法，需要围绕其进行多次拍照，费时费力。

目前也有一些通过光导方式在细小腔体拍照的技术方案，例如通过光纤将光场图像导出。但是这种设备均为平面视觉采集。也就是说，利用这种设备只能观察平面图像。而在很多场合下，单纯的平面图像并不能满足实际的需要。但是这种利用光纤的方式均为2D采集，并没有人进行3D采集的尝试，并且这种惯常的使用阻碍了本领域技术人员将光纤作为3D采集的手段。这是由于3D 采集和2D采集的要求、目标完全不一样。2D采集仅仅要获得清晰完整的图像，而3D采集具有更为独特的要求，这些要求是单独使用2D采集设备中的光纤是无法实现的。

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：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。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够提供用于微小腔体中3D采集的设备；②在微小空间采集时，成本低、精度高、速度快。③能够对微小空间中的小凸起、小部件进行快速准确3D采集与合成。

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基于光纤束的凹形3D信息采集测量设备。

本发明提供了一种基于光纤束的凹形3D信息采集测量设备，包括外壳、多个光学结构、和导光结构，其中

多个光学结构分布设置于外壳凹形区域上；

多个光学结构分别与多个导光结构一端光学连接；

多个导光结构设置于外壳内。

可选的，所述外壳包括本体和头部。

可选的，多个光学结构分布设置于头部和/或本体表面。

可选的，光学结构为透镜。

可选的，导光结构为光纤或光导板。

可选的，光学结构与导光结构一体成型。

可选的，至少部分导光结构直接或间接与光源光学连接。

可选的，外壳头部紧密连接的本体的部分为柔性，且其较头部、本体其他部分更为柔软。

可选的，本体为柔性和/或头部为柔性。

可选的，所述光学结构位置满足如下条件：

其中L为在相邻两个采集位置时光学结构光心的直线距离；f为光学结构的焦距；d为感光元件(CCD)的矩形长度或宽度；T为感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；δ为调整系数，δ<0.565。

本发明还提供了一种使用上述任一设备的医疗设备。

发明点及技术效果

1、首次提出通过多根光导来实现多角度的采集，既满足了小空间的需求，又能够满足3D采集的特殊要求。

2、通过在光导头部设置光学结构，优化了3D采集的质量，提高合成速度和合成精度。

3、优化了设备壳体上光学结构的分布位置，优化了3D采集的质量，提高合成速度和合成精度。

4、首次提出了对于小空间内的小凸起、小部件通过凹形采集面进行快速准确采集，兼顾了3D合成的时间和效果。

5、优化位置时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

6、通过中间设置柔性结构，兼顾了方便插入和适应性。

7、通过导光结构传输照明光，使得结构更小，且能够360°全方位照亮。

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为本发明实施例提供的基于光纤束的凹形3D信息采集测量装置的外部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于光纤束的凹形3D信息采集测量装置的外部结构示意图；

附图标记和各部件的对应关系：

1外壳、2光学结构、3导光结构、11本体、12头部。

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。

微型3D信息采集结构

为解决上述技术问题，本发明的一实施例提供了一种基于光纤束的凹形3D信息采集测量装置，包括外壳1、多个光学结构2、和导光结构3。

外壳1分为本体11和头部12两部分。

外壳1的本体为圆柱体，圆柱形的本体11更有利于插入类圆柱形腔体中，例如人体的耳道、鼻腔，或机械设备的圆孔。同时也利于的光学结构2在其表面均匀分布，从而保证采集图片符合3D合成的要求。但特殊情况下，也可以为长方体或按照被测腔体形状设计的不规则体。特别的，由于一些腔体为弯曲状，因此外壳也可以对应设置为柔性材料(例如为硅胶)，以在插入腔体时自动适应腔体形状。例如在插入人体血管时，可以根据血管的弯曲情况自动柔性弯曲，以更方便的进去血管深处。

外壳1的头部12为凹形的半球体，从而使得能够全部或部分覆盖目标区域的小凸起或小部件。例如在人体腔体内具有一个小的凸起病变，此时将凹形半球体扣在该凸起病变上，即可快速地进行图像采集并最终实现3D模型合成。为了方便覆盖小凸起，与外壳头部紧密连接的本体的部分为柔性，且其较头部 12、本体11其他部分更为柔软，这样使得外壳的头部能够顺利弯曲，便于凹形的头部12能够扣住腔体侧面的小凸起，从而采集其图像。在某些场合下，头部 12也可以为凹形球面，或凹形曲面体、凹形圆锥体、凹形圆柱体、凹形圆台体或不规则体凹形体等。同时，为了方便头部插入，头部12可以为具有一定刚性的材料制成，例如可以为树脂材料。但是有些场合要防止头部插入时对目标物造成损坏，也可以将头部设置为柔性材料，例如硅胶。

光学结构2可以为透镜，用于提高图像采集能力。透镜分布在外壳的凹形头部内侧，以方便采集扣入其中的小凸起信息，但有时为了同时采集腔体四周 3D信息，透镜也可以分布在外壳1的本体四周。这里透镜可以为球面透镜、非球面透镜，但也可以为透镜组，以提高成像质量。同时，光学结构2也不限于透镜，可以为其它能够成像的光学结构，例如准直器、菲涅尔透镜等。

透镜将其相对的目标物某区域的图像传递至光导结构。光导结构2可以为光纤，例如可以为单模光纤、多模光纤、塑料光纤等。透镜与光纤可以分立设置，即将透镜与光纤光学连接，保证目标光线进入光纤中。透镜和光纤也可以一体成型，例如将光纤端部进行熔融、切割、和/或研磨等工艺，在光纤端部形成透镜。

光纤一端与透镜光学连接，另一端与图像采集装置连接。多根光纤形成光纤束，放置在外壳中。透镜与光纤一一对应，透镜在外壳上分布100个，对应外壳中的光纤也为100根。由于光纤直径非常小，例如典型125um，因此即使一束光纤组合在一起，外壳本体也无需很大直径，只需要较小的直径就能够实现。而且光纤具有一定柔性，可以在一定范围内弯曲。因此通过多根光纤组成的光纤束采集图像，可以实现整个装置的小型化。

由于图像采集装置一般具有一定体积，并且需要相应驱动电路，因此体积较大难以放入壳体中。因此可以通过光纤束按较长距离将图像传递至图像采集装置。即在微小空间使用时，仅采集装置的头部和本体插入空间中，而图像采集装置置于待测空间外。即采集设备可以通过连接部与图像采集装置连接。连接部中设置有导光结构3。连接部通常为柔性线状。例如可以在采集设备的尾端设置光学连接器，光学连接器与外壳的本体11机械连接，同时与外壳中的导光结构3光学连接。光学连接器可以方便与其他导光结构3或图像采集装置直接连接。当然，也可以将采集设备的本体延长作为连接部。

还包括处理器，根据图像采集装置采集到的多个图像能够合成目标物3D 模型。处理器，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。处理器可以位于采集装置中，也可以用上位机、服务器、云平台替代。

光源

对于细小的腔体而言，通常腔体内照明条件较差，这对图像采集提出了较大的挑战。而通常光源体积都较大，无法插入腔体内。因此为了提供较好照明，可在头部的光学结构2中选择一部分做光源。即使得这些光学结构所对应的光纤尾端与光源连接，从而将光源的光导入光学结构2中，并最终照射在目标区域。为了保证不影响3D图像采集的效果，可以选择少部分光学结构2作为照明用途。这样使得整个装置无需另外设置光源，能够缩小体积。且选择相对排布均匀的光学结构作为光源出射口，能够360°照亮目标区域，提高成像质量。这也是发明点之一。

光学结构的优化位置

在进行3D采集时，光学结构相邻两个采集位置满足如下条件：

其中L为在相邻两个采集位置时光学结构光心的直线距离；f为光学结构的焦距；d为感光元件(CCD)的矩形长度或宽度；T为感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；δ为调整系数，δ<0.565。

当上述两个位置是沿感光元件长度方向时，d取矩形长度；当上述两个位置是沿感光元件宽度方向时，d取矩形宽度。

光学结构在两个位置中的任何一个位置时，感光元件沿着光轴到目标物表面的距离作为T。除了这种方法外，在另一种情况下，L为A_n、A_n+1两个光学结构光心的直线距离，与A_n、A_n+1两个光学结构相邻的A_n-1、A_n+2两个光学结构和A_n、A_n+1两个光学结构各自感光元件沿着光轴到目标物表面的距离分别为 T_n-1、T_n、T_n+1、T_n+2，T＝(T_n-1+T_n+T_n+1+T_n+2)/4。当然可以不只限于相邻4个位置，也可以用更多的位置进行平均值计算。

L应当为两个光学结构光心的直线距离。利用本发明装置，进行实验，得到了如下实验结果。

从上述实验结果及大量实验经验可以得出，δ的值应当满足δ<0.565，此时已经能够合成部分3D模型，虽然有一部分无法自动合成，但是在要求不高的情况下也是可以接受的，并且可以通过手动或者更换算法的方式弥补无法合成的部分。特别是δ的值满足δ<0.405时，能够最佳地兼顾合成效果和合成时间的平衡；为了获得更好的合成效果可以选择δ<0.237，此时合成时间会上升，但合成质量更好。而当δ为0.6998时，已经无法合成。但这里应当注意，以上范围仅仅是最佳实施例，并不构成对保护范围的限定。

以上数据仅为验证该公式条件所做实验得到的，并不对发明构成限定。即使没有这些数据，也不影响该公式的客观性。本领域技术人员可以根据需要调整设备参数和步骤细节进行实验，得到其他数据也是符合该公式条件的。

使用该微型结构的管道腔体3D造影设备

将该设备的头部12和本体11插入待测管道/腔体中，通过头部12的透镜采集前方图像，并将多个透镜采集到的图像通过各自对应光纤传递至图像采集装置中，恢复出对应图像信号。而由于不同透镜的位置不同，因此其采集到的管道/腔体内同一目标物的方向不同，这使得通过常规3D合成方法可以将这些图像匹配合成为3D模型，从而获得目标物3D信息。

本发明所述的相邻采集位置是指，在图像采集装置相对目标物移动时，移动轨迹上的发生采集动作的两个相邻位置。这通常对于图像采集装置运动容易理解。但对于目标物发生移动导致两者相对移动时，此时应当根据运动的相对性，将目标物的运动转化为目标物不动，而图像采集装置运动。此时再衡量图像采集装置在转化后的移动轨迹中发生采集动作的两个相邻位置。

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。

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。

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 (11)

1.一种基于光纤束的凹形3D信息采集测量设备，其特征在于：包括外壳、多个光学结构、和导光结构，其中

多个光学结构分布设置于外壳凹形区域上；

多个光学结构分别与多个导光结构一端光学连接；

多个导光结构设置于外壳内；

至少部分导光结构直接或间接与图像采集装置光学连接；

根据图像采集装置采集到的多个图像能够合成目标物3D模型。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述外壳包括本体和头部。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：多个光学结构分布设置于头部和/或本体表面。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：光学结构为透镜。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：导光结构为光纤或光导板。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于：光学结构与导光结构一体成型。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于：至少部分导光结构直接或间接与光源光学连接。

8.如权利要求2所述的设备，其特征在于：外壳头部紧密连接的本体的部分为柔性，且其较头部、本体其他部分更为柔软。

9.如权利要求2所述的设备，其特征在于：本体为柔性和/或头部为柔性。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述光学结构位置满足如下条件：

其中L为在相邻两个采集位置时光学结构光心的直线距离；f为光学结构的焦距；d为感光元件的矩形长度或宽度；T为感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；δ为调整系数，δ<0.565。或δ<0.405。

11.一种使用如权利要求1-10所述的任一设备的医疗设备。

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