CN111060008B

CN111060008B - 一种3d智能视觉设备

Info

Publication number: CN111060008B
Application number: CN201911276144.9A
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: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN112629412A; WO2021115302A1; CN111060008A

Abstract

本发明提供了一种3D智能视觉设备，包括转动装置，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；图像采集装置的光轴与转动装置转动平面具有夹角γ。首次提出通过相机光轴与转盘呈一定夹角而非平行的方式转动来采集目标物图像，实现3D合成和建模，而无需绕目标物转动，提高了场景的适应性。

Description

一种3D智能视觉设备

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

目前在利用视觉方式进行3D采集和测量时，通常使得相机相对目标物转动，或在目标物周边设置多个相机同时进行采集。例如南加州大学的Digital Emily项目，采用球型支架，在支架上不同位置不同角度固定了上百个相机，从而实现人体的3D采集和建模。然而无论哪种方式，都需要相机与目标物距离较短，至少应当在可布置的范围内，这样才能形成相机在不同位置采集目标物图像。

然而在一些应用中，无法环绕目标物进行图像的采集。例如监控探头在采集被监控区域时，由于区域较大、距离较远，且采集对象不固定，因此难以围绕目标对象设置相机，或使得相机围绕目标对象转动。在这种情形下如何进行目标对象的3D采集与建模是亟待解决的问题。

另外，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。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够采集较远距离，非特定目标的 3D信息。②能够在不围绕目标物转动或排布的情况下采集目标物三维信息。③同时兼顾合成速度和合成精度。

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3D智能视觉设备。

本发明提供了一种3D智能视觉设备，

转动装置，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；

图像采集装置的光轴与转动装置转动平面具有夹角γ。

可选的，还包括角度调节装置，用于调节图像采集装置的光轴与转动装置转动平面的夹角大小。

可选的，在上述相对运动过程中，图像采集装置采集上述一组图像时的位置符合如下条件：

μ＜0.482

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；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

可选的，图像采集装置为多个，在转动装置旋转面上分布。

可选的，还包括处理单元，用于利用上述一组图像中的多个合成目标物的 3D模型。

可选的，所述转动装置为转盘。

可选的，还包括筒状外壳，转动装置容纳在外壳内。

可选的，光源位于筒状外壳横截面上，或位于转盘上。

可选的，图像采集装置为可见光相机和/或红外相机。

可选的，-90°<γ<90°。

发明点及技术效果

1、首次提出通过相机光轴与转盘呈一定夹角而非平行的方式转动来采集目标物图像，实现3D合成和建模，而无需绕目标物转动，提高了场景的适应性。

2、通过优化相机采集图片的位置，保证能够同时提高合成速度和合成精度。

3、优化相机采集位置时，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为本发明实施例中3D智能视觉设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中3D智能视觉设备局部放大的结构示意图；

附图标记与各部件的对应关系如下：

1图像采集装置、2旋转装置、3筒状外壳、4角度调整装置。

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。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于3D智能视觉设备。

3D智能视觉设备结构

包括图像采集装置1、旋转装置2和筒状外壳3。如图1，图像采集装置1 安装在旋转装置2上，旋转装置容纳在筒状外壳3内，并且可以在筒状外壳内自由转动。

图像采集装置1用于通过图像采集装置1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。

图像采集装置1可以为相机，旋转装置2可以为转盘。相机设置2在转盘上，且相机光轴与转盘面呈一定夹角，转盘面与待采集目标物近似平行。转盘带动相机转动，从而使得相机在不同位置采集目标物的图像。

进一步，相机通过角度调整装置4安装在转盘上，如图2，角度调整装置4 可以转动从而调整图像采集装置1的光轴与转盘面的夹角，调节范围为-90°< γ<90°。在拍摄较近目标物时，可以使得图像采集装置1光轴向转盘中心轴方向偏移，即将γ向-90°方向调节。而在拍摄腔体内部时，可以使得图像采集装置1光轴向偏离转盘中心轴方向偏移，即将γ向90°方向调节。上述调节可以手动完成，也可以给3D智能视觉设备设置测距装置，测量其距离目标物的距离，根据该距离来自动调整γ角度。

转盘可通过传动装置与电机连接，在电机的驱动下转动，并带动图像采集装置1转动。传动装置可以为齿轮系统或传动带等常规机械结构。

为了提高采集效率，转盘上可以设置多个图像采集装置1。多个图像采集装置1沿转盘圆周依次分布。例如可以在转盘任意一条直径两端分别设置一个图像采集装置1。也可以每隔60°圆周角设置一个图像采集装置1，整个圆盘均匀设置6个图像采集装置1。上述多个图像采集装置可以为同一类型相机，也可以为不同类型相机。例如在转盘上设置一个可见光相机及一个红外相机，从而能够采集不同波段图像。

图像采集装置1用于采集目标物的图像，其可以为定焦相机，或变焦相机。特别是即可以为可见光相机，也可以为红外相机。当然，可以理解的是任何具有图像采集功能的装置均可以使用，并不构成对本发明的限定，例如可以为 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。

旋转装置2除了转盘，也可以为转动臂、转动梁、转动支架等多种形式，只要能够带动图像采集装置转动即可。无论使用哪种方式，图像采集装置1的光轴与转动面均具有一定的夹角γ。

通常情况下，光源位于图像采集装置1的镜头周边分散式分布，例如光源为在镜头周边的环形LED灯，位于转盘上；也可以设置在筒状外壳的横截面上。由于在一些应用中，被采集对象为人体，因此需要控制光源强度，避免造成人体不适。特别是可以在光源的光路上设置柔光装置，例如为柔光外壳。或者直接采用LED面光源，不仅光线比较柔和，而且发光更为均匀。更佳地，可以采用OLED光源，体积更小，光线更加柔和，并且具有柔性特性，可以贴附于弯曲的表面。光源也可以设置于其他能够为目标物提供均匀照明的位置。光源也可以为智能光源，即根据目标物及环境光的情况自动调整光源参数。

3D采集流程

电机驱动转盘转动，带动相机转动，从而使得相机的光轴位置在空间内发生移动。例如每间隔L距离图像采集装置1采集一次目标物的图像，转盘转动 360°图像采集装置1会采集n张图像，这些图像是相机在不同位置采集到的图像。可以在转盘转动的同时进行采集，也可以在相机转动到对应采集位置后停止转动，采集完毕后再继续转动到下一个采集位置。

由于在某些场合下，目标物状态会发生变化，因此需要提高采集的速度，否则图像采集装置1采集到的目标物在不同图像中状态不同会导致无法3D合成和建模。此时可以通过两种方法解决：①在转盘上设置n个图像采集装置，这样一次可以拍摄n张图像，在下一个位置又可以获得n张图像。②为了同时节约成本，虽然图像采集装置1数量不增加，但转盘转速可以加快，但这样需要将图像采集装置1的快门调节成较快的模式，否则将会导致图像模糊。而快门速度的提高需要较好的光源照明条件。因此，需要提供较好的光源或具有较好的自然光的场景可以使用该方法。

3D合成建模装置及方法

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。图像采集装置1将采集到的多个图像发送给处理单元，处理单元根据上述所述一组图像中的多个图像得到目标物的3D信息。当然，处理单元可以直接设置在图像采集装置1所在的壳体内，也可以通过数据线或通过无线方式与图像采集装置连接。例如可以使用独立的计算机、服务器及集群服务器等作为处理单元，图像采集装置1采集到的图像数据传输至其上，进行3D合成。同时，也可以将图像采集装置1 的数据传输至云平台，利用云平台的强大计算能力进行3D合成。

处理单元中执行如下方法：

1、对所有输入照片进行图像增强处理。采用下述滤波器增强原始照片的反差和同时压制噪声。

式中：g(x，y)为原始影像在(x，y)处灰度值，f(x，y)为经过Wallis滤波器增强后该处的灰度值，m_g为原始影像局部灰度均值，s_g为原始影像局部灰度标准偏差，m_f为变换后的影像局部灰度目标值，s_f为变换后影像局部灰度标准偏差目标值。c∈(0，1)为影像方差的扩展常数，b∈(0，1)为影像亮度系数常数。

该滤波器可以大大增强影像中不同尺度的影像纹理模式，所以在提取影像的点特征时可以提高特征点的数量和精度，在照片特征匹配中则提高了匹配结果可靠性和精度。

2、对输入的所有图像进行特征点提取，并进行特征点匹配，获取稀疏特征点。采用SURF算子对照片进行特征点提取与匹配。SURF特征匹配方法主要包含三个过程，特征点检测、特征点描述和特征点匹配。该方法使用Hessian 矩阵来检测特征点，用箱式滤波器(BoxFilters)来代替二阶高斯滤波，用积分图像来加速卷积以提高计算速度，并减少了局部影像特征描述符的维数，来加快匹配速度。主要步骤包括①构建Hessian矩阵，生成所有的兴趣点，用于特征提取，构建Hessian矩阵的目的是为了生成图像稳定的边缘点(突变点)；②构建尺度空间特征点定位，将经过Hessian矩阵处理的每个像素点与二维图像空间和尺度空间邻域内的26个点进行比较，初步定位出关键点，再经过滤除能量比较弱的关键点以及错误定位的关键点，筛选出最终的稳定的特征点；③特征点主方向的确定，采用的是统计特征点圆形邻域内的harr小波特征。即在特征点的圆形邻域内，统计60度扇形内所有点的水平、垂直harr小波特征总和，然后扇形以0.2弧度大小的间隔进行旋转并再次统计该区域内harr小波特征值之后，最后将值最大的那个扇形的方向作为该特征点的主方向；④生成64维特征点描述向量,特征点周围取一个4*4的矩形区域块，但是所取得矩形区域方向是沿着特征点的主方向。每个子区域统计25个像素的水平方向和垂直方向的haar小波特征，这里的水平和垂直方向都是相对主方向而言的。该haar 小波特征为水平方向值之后、垂直方向值之后、水平方向绝对值之后以及垂直方向绝对值之和4个方向，把这4个值作为每个子块区域的特征向量，所以一共有4*4*4＝64维向量作为Surf特征的描述子；⑤特征点匹配，通过计算两个特征点间的欧式距离来确定匹配度，欧氏距离越短，代表两个特征点的匹配度越好。

3、输入匹配的特征点坐标，利用光束法平差，解算稀疏的目标物三维点云和拍照相机的位置和姿态数据，即获得了稀疏目标物模型三维点云和位置的模型坐标值；以稀疏特征点为初值，进行多视照片稠密匹配，获取得到密集点云数据。该过程主要有四个步骤：立体像对选择、深度图计算、深度图优化、深度图融合。针对输入数据集里的每一张影像，我们选择一张参考影像形成一个立体像对，用于计算深度图。因此我们可以得到所有影像的粗略的深度图，这些深度图可能包含噪声和错误，我们利用它的邻域深度图进行一致性检查，来优化每一张影像的深度图。最后进行深度图融合，得到整个场景的三维点云。

4、利用密集点云进行目标物曲面重建。包括定义八叉树、设置函数空间、创建向量场、求解泊松方程、提取等值面几个过程。由梯度关系得到采样点和指示函数的积分关系，根据积分关系获得点云的向量场，计算指示函数梯度场的逼近，构成泊松方程。根据泊松方程使用矩阵迭代求出近似解，采用移动方体算法提取等值面，对所测点云重构出被测物体的模型。

5、目标物模型的全自动纹理贴图。表面模型构建完成后，进行纹理贴图。主要过程包括：①纹理数据获取通过图像重建目标的表面三角面格网；②重建模型三角面的可见性分析。利用图像的标定信息计算每个三角面的可见图像集以及最优参考图像；③三角面聚类生成纹理贴片。根据三角面的可见图像集、最优参考图像以及三角面的邻域拓扑关系，将三角面聚类生成为若干参考图像纹理贴片；④纹理贴片自动排序生成纹理图像。对生成的纹理贴片，按照其大小关系进行排序，生成包围面积最小的纹理图像，得到每个三角面的纹理映射坐标。

图像采集装置采集位置优化

在进行3D采集时，图像采集装置在不同采集位置光轴方向相对于目标物不发生变化，通常大致垂直于目标物表面，此时相邻两个图像采集装置1的位置，或图像采集装置1相邻两个采集位置满足如下条件：

μ＜0.482

其中L为相邻两个采集位置图像采集装置1光心的直线距离；f为图像采集装置1的焦距；d为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度；M为图像采集装置1感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

当上述两个位置是沿图像采集装置1感光元件长度方向时，d取矩形长度；当上述两个位置是沿图像采集装置1感光元件宽度方向时，d取矩形宽度。

图像采集装置1在上述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M。

如上所述，L应当为两个图像采集装置1光心的直线距离，但由于图像采集装置1光心位置在某些情况下并不容易确定，因此在某些情况下也可以使用图像采集装置1的感光元件中心、图像采集装置1的几何中心、图像采集装置与云台(或平台、支架)连接的轴中心、镜头近端或远端表面的中心替代，经过试验发现由此带来的误差是在可接受的范围内的，因此上述范围也在本发明的保护范围之内。

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，μ的值应当满足μ<0.482，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μ的值满足μ<0.357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μ<0.198，此时合成时间会上升，但合成质量更好。而当μ为0.5078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。

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。

3D智能视觉设备的应用

例如，在工厂吊塔上安装该3D智能视觉设备，在吊塔工作时，可以实时采集吊塔下目标物的图片，并在处理单元中合成目标物的3D模型，从而识别出目标物的类型，方便吊塔将目标物吊装至相应的区域。

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3D智能视觉设备，其特征在于：

图像采集装置的光轴与用于驱动图像采集装置的转动装置转动平面具有夹角γ；

在上述相对运动过程中，图像采集装置采集上述一组图像时的位置符合如下条件：

μ＜0.482，或μ<0.357

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；M为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；μ为经验系数。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括角度调节装置，用于调节图像采集装置的光轴与转动装置转动平面的夹角大小。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：图像采集装置为多个，在转动装置旋转面上分布。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括处理单元，用于利用上述一组图像中的多个合成目标物的3D模型。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述转动装置为转盘。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括筒状外壳，转动装置容纳在外壳内。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：光源位于筒状外壳横截面上，或位于转盘上。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于：图像采集装置为可见光相机和/或红外相机。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于：-90°<γ<90°。