CN113357512A - 一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置及系统，装置包括：俯仰模块、升降模块、旋转模块、支撑模块；俯仰模块包括分别与连杆机构和升降模块连接的舵机，连杆机构与摄像头一端活动连接，摄像头另一端与升降模块活动连接，图传模块与摄像头连接；旋转模块包括分别与支撑模块固定连接的内圈台面、步进电机，小齿轮设置在步进电机上，大齿轮与小齿轮啮合，外圈台面与大齿轮固定连接，餐桌轴承分别与外圈台面、内圈台面连接，旋转模块步进电机驱动器分别与驱动步进电机、旋转模块单片机控制板和旋转模块电池连接；升降模块分别与俯仰模块和外圈台面连接。系统：包括采集装置和软件控制模块，软件控制模块用于控制采集装置。

Description

一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置及系统

技术领域

本发明涉及计算机视觉的图像采集领域，尤其是涉及一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置及系统。

背景技术

三维重建经过数十年的发展，己经取得巨大的成功。基于视觉的三维重建在计算机领域是一个重要的研究内容，主要通过使用物体的多角度图像数据信息，基于计算机视觉原理进行分析处理，通过提取特征点进行匹配，实现相机参数的计算，并三维重建出真实环境中物体表面信息。基于视觉的三维重建具有方便、真实性好等优点，能够广泛应用于人工智能、机器人、无人驾驶、SLAM、虚拟现实和3D打印等领域，具有重要的研究价值，也是未来发展的重要研究方向。

目前的物体的多角度图像数据采集主要有两种方式，一种是使用手持相机拍摄，手持相机拍照具有简洁、方便的特点，但由于相机自标定技术需要利用场景中的平行或者正交的约束条件，限制了其应用，另外手持方式对物体各个角度的覆盖可能不完全。郑亦然、程健的基于多视图三维重建方法在实验室系统中的应用研究就利用手持相机拍摄了174张照片，这在实际实验中既繁琐又耗时。

另一种方式是使用转台方式，目前大多数的转台系统都是采用相机固定、物体转动的模式，这会导致表面轮廓阴影变化，影响后期重建效果；而且这种转台往往拍摄维度单一，不方便定量的调整相机高度和俯仰角，也不便于记录相机的位姿数据。

在机械领域，现有的转台系统中，尚未有针对物体三维重建而设计的转台系统的报告，现有的转台系统大多数只为单一旋转物体或调整相机角度而设计。现有技术中，虽然也有作了类似的尝试，但平台只有一个水平移动模块和俯仰模块，而且由于机构设置在台面上，不利于放置物体。

而在计算机三维重建领域，现有的三维图像一方面是基于无人机或无人车等进行动态环境场景的多角度图片采集方式，由于相机位置变化生成的环境图像，这种方式通常无法针对特定的物体进行严格意义的重建。

另一方面，在针对物体进行多角度图片采集时，现有的针对多角度图像重建的算法通常采用人工调整相机角度的方法来实现物体多角度图像的获取。这种方式获取的图像虽然可用，但需要图像采集者有丰富的采集经验来准确覆盖物体各个角度的信息，且比较耗时。

发明内容

为解决现有技术的不足，利用转台图像采集系统优势的同时，克服已有转台系统的缺点，避免物体转动导致的表面轮廓阴影变化对后期重建效果的影响，本发明采用如下的技术方案：

一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，包括：俯仰模块、升降模块、旋转模块、支撑模块；

所述俯仰模块包括连杆机构、摄像头、舵机和图传模块，舵机分别与连杆机构和升降模块连接，连杆机构与摄像头一端活动连接，摄像头另一端与升降模块活动连接，图传模块与摄像头连接；舵机转动，通过连杆机构的传动，带动摄像头作俯仰运动。

所述旋转模块包括小齿轮、大齿轮、外圈台面、内圈台面、餐桌轴承、步进电机、旋转模块单片机控制板、旋转模块步进电机驱动器和旋转模块电池，内圈台面、步进电机分别与支撑模块固定连接，小齿轮设置在步进电机上，大齿轮与小齿轮啮合，外圈台面与大齿轮固定连接，餐桌轴承分别与外圈台面、内圈台面连接，旋转模块步进电机驱动器分别与驱动步进电机、旋转模块单片机控制板和旋转模块电池连接；在旋转模块单片机控制板的控制下，旋转模块步进电机驱动器驱动步进电机，步进电机带动小齿轮转动，在大齿轮啮合传动的带动下，使外圈台面相对于内圈台面转动。

所述升降模块分别与俯仰模块和外圈台面连接，用于俯仰模块相对于旋转模块的升降，同时升降模块随外圈台面，相对于内圈台面转动，从而带动摄像头围绕摆放在内圈台面上的被采集物体旋转。

进一步地，所述升降模块包括滚珠丝杠直线模组、支撑架、升降模块单片机控制板、升降模块步进电机驱动器以及升降模块电池，滚珠丝杠直线模组的螺母滑台与俯仰模块连接，通过螺母滑台的上下移动，带动俯仰模块上下移动，支撑架将滚珠丝杠直线模组固定连接在外圈台面上，使升降模块随外圈台面旋转，升降模块步进电机驱动器分别与滚珠丝杠直线模组、升降模块单片机控制板和升降模块电池连接，在升降模块单片机控制板的控制下，升降模块步进电机驱动器驱动滚珠丝杠直线模组的螺母滑台运动。

进一步地，所述滚珠丝杠直线模组包括升降模块步进电机，分别与降模块步进电机驱动器和螺母滑台连接，经降模块步进电机驱动器驱动，使螺母滑台上下移动。

进一步地，所述升降模块单片机控制板、升降模块步进电机驱动器以及升降模块电池，相对于滚珠丝杠直线模组分别设置在外圈台面上，以均衡外圈台面承载的俯仰模块的重量，防止外圈台面一端压力过大而影响旋转，并且可以减小旋转阻力，降低能耗。

进一步地，所述内圈台面与所述餐桌轴承的内环固定连接，所述外圈台面与所述餐桌轴承的外环固定连接，通过内外环的相对运动，使外圈台面相对于内圈台面旋转。

进一步地，所述支撑模块包括立柱及与立柱连接的台托、支撑件和柱托，台托与所述内圈台面相连，将转台重量向下传递，支撑件与所述步进电机连接，用于承载步进电机。

进一步地，所述支撑件还与所述旋转模块单片机控制板、旋转模块步进电机驱动器和旋转模块电池连接，用于承载所述旋转模块单片机控制板、旋转模块步进电机驱动器和旋转模块电池，减少外圈台面的重量，提高旋转效率，减少能源损耗。

进一步地，所述外圈台面与升降模块的连接处设有径向凹槽，升降模块通过在外圈台面的径向凹槽上滑动，调整与被采集物体之间的距离。

一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集系统，包括采集装置和软件控制模块，所述软件控制模块包括图传接收机、通信模块和上位机系统，所述上位机系统通过图传接收机，接收所述图传模块的图像数据，并通过通信模块向舵机、升降模块单片机控制板和旋转模块单片机控制板发送控制指令，所述上位机系统，用于人机交互，在软件界面上显示图像数据，并通过设置俯仰模块的俯仰角度、升降模块的升降高度、旋转模块旋转速度、旋转方式等控制指令，控制采集装置的图像采集。

进一步地，所述软件控制模块通过设置旋转角度，调整角度对应的外圈台面上两点的间距，控制图片拍摄数量，即旋转一周拍摄的照片数，可以通过旋转的速度和所需拍摄的一周照片数量来计算旋转角度。

本发明的优势和有益效果在于：

本发明采用内圈固定，外圈旋转的方式，也就是物体保持不动，摄像头围绕物体作360°旋转。这样可以避免因为物体自身旋转导致的表面轮廓阴影变化，从而影响后期图像处理效果。另外，本发明为软硬件结合，可以通过电脑上的软件界面实时无线控制采集系统，调整升降高度、俯仰角以及旋转方式和采集图片数量。所有控制指令均采用无线模块进行发送，另外摄像头采集的图像也通过无线图传模块返回到软件界面上进行显示。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图（仰视）。

图2是本发明的系统结构示意图（侧视）。

图3是本发明中升降模块和俯仰模块的结构示意图。

图4是本发明中软件界面示意图。

上述附图中：1、俯仰模块；11、连杆机构；12、摄像头；13、舵机；2、升降模块；21、滚珠丝杠直线模组；22、支撑架；23、升降模块单片机控制板；24、升降模块步进电机驱动器；25、升降模块电池；3、旋转模块；31、小齿轮；32、大齿轮；33、外圈台面；34、内圈台面；35、餐桌轴承；36、步进电机；37、旋转模块单片机控制板；38、旋转模块步进电机驱动器；39、旋转模块电池；4、支撑模块；41、台托；42、支撑件；43、立柱；44、柱托。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一：

一种面向三维重建的图像数据采集系统，具体结构如图1-3所示，该系统包括俯仰模块、升降模块、旋转模块、支撑模块以及软件部分。

俯仰模块1还包括连杆机构11、摄像头12、舵机13和图传模块。舵机13转动通过连杆机构11的传动，带动摄像头12作俯仰运动，摄像头12采集的图像通过图传模块和接收机发送给软件界面，俯仰模块通过连杆机构的固定杆固定在升降机构的螺母滑台上。

升降模块2包括滚珠丝杠直线模组21、支撑架22、升降模块单片机控制板23、升降模块步进电机驱动器24以及升降模块电池25。升降模块2通过支撑架22与转台外圈台面33固连。升降模块的滚珠丝杠转动带动螺母滑台上下移动，从而带动俯仰机构和摄像头上下移动。

旋转模块3包括小齿轮31、大齿轮32、外圈台面33、内圈台面34、餐桌轴承35、步进电机36、旋转模块单片机控制板37、旋转模块步进电机驱动器38以及旋转模块电池39。小齿轮31安装在所述步进电机36上，而步进电机36安装在支撑件42上，相对于所述内圈台面34固定，大齿轮32与外圈台面33固连。小齿轮31在步进电机36的驱动下转动，带动与大齿轮32固连的外圈台面33转动。

支撑模块4包括台托41、支撑件42、立柱43以及柱托44。所述台托41与所述内圈台面34相连，将转台重量向下传递，所述支撑件42用于承载所述步进电机36、旋转模块单片机控制板37、旋转模块步进电机驱动器38以及旋转模块电池39。

软件部分包括图传接收机、通信模块以及软件界面。软件界面通过所述图传接收机接收摄像头采集的图像数据，通过通信模块发送控制指令控制转台系统运动。

实施例二：

如图4所示，一种面向三维重建图像数据采集系统的使用方法：

步骤1、先检查接线是否良好，然后打开各个电池开关；

步骤2、系统上电后，将图传模块接收机和无线通信模块分别插入电脑USB口；

步骤3、打开软件界面，在界面上点击“打开摄像头”按键，此时图传接收机会接收到图传模块传回来的图像并将其显示在软件界面的相应位置；

步骤4、在界面上调整摄像头高度和俯仰角。其中，调整高度是通过设置移动距离和方向，而调整俯仰角是通过直接设置角度。设置好后分别点击“调整高度”和“调整角度”按键，控制指令会通过无线通信模块发送至单片机，进而完成对硬件的控制。期间由于摄像头是打开状态，可以实时观察图像位置以作调整。

步骤5、高度和俯仰角设置好后，需要进一步设置转动方向、图片采集张数以及数据保存路径。图片采集张数会决定转动步长，也就是每隔多少度采集一张照片，直至转动360°为止。

步骤6、设置好以上参数后，点击“开始转动采集图像”按键，控制指令通过无线模块发送至单片机，转台会每转动一定角度后停止拍照，直至360度为止。期间采集的每张图片都会在软件界面右上方的截图展示区展示，而整个软件程序运行中的种种情况反馈和故障汇报都会显示在软件界面的相应区域内。

步骤7、图像数据采集结束后，直接前往之前设置的图像数据保存路径即可找到所有采集的图片。以作进一步研究使用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，包括：俯仰模块（1）、升降模块（2）、旋转模块（3）、支撑模块（4），其特征在于：

所述俯仰模块（1）包括连杆机构（11）、摄像头（12）、舵机（13）和图传模块，舵机（13）分别与连杆机构（11）和升降模块（2）连接，连杆机构（11）与摄像头（12）一端活动连接，摄像头（12）另一端与升降模块（2）活动连接，图传模块与摄像头（12）连接；

所述旋转模块（3）包括小齿轮（31）、大齿轮（32）、外圈台面（33）、内圈台面（34）、餐桌轴承（35）、步进电机（36）、旋转模块单片机控制板（37）、旋转模块步进电机驱动器（38）和旋转模块电池（39），内圈台面（34）、步进电机（36）分别与支撑模块（4）固定连接，小齿轮（31）设置在步进电机（36）上，大齿轮（32）与小齿轮（31）啮合，外圈台面（33）与大齿轮（32）固定连接，餐桌轴承（35）分别与外圈台面（33）、内圈台面（34）连接，旋转模块步进电机驱动器（38）分别与驱动步进电机（36）、旋转模块单片机控制板（37）和旋转模块电池（39）连接；

所述升降模块（2）分别与俯仰模块（1）和外圈台面（33）连接。

2.根据权利要求1所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述升降模块（2）包括滚珠丝杠直线模组（21）、支撑架（22）、升降模块单片机控制板（23）、升降模块步进电机驱动器（24）以及升降模块电池（25），滚珠丝杠直线模组（21）的螺母滑台与俯仰模块（1）连接，支撑架（22）将滚珠丝杠直线模组（21）固定连接在外圈台面（33）上，升降模块步进电机驱动器（24）分别与滚珠丝杠直线模组（21）、升降模块单片机控制板（23）和升降模块电池（25）连接。

3.根据权利要求2所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述滚珠丝杠直线模组（21）包括升降模块步进电机，分别与降模块步进电机驱动器（24）和螺母滑台连接。

4.根据权利要求2所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述升降模块单片机控制板（23）、升降模块步进电机驱动器（24）以及升降模块电池（25），相对于滚珠丝杠直线模组（21）分别设置在外圈台面（33）上。

5.根据权利要求1所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述内圈台面（34）与所述餐桌轴承（35）的内环固定连接，所述外圈台面（33）与所述餐桌轴承（35）的外环固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述支撑模块（4）包括立柱（43）及与立柱（43）连接的台托（41）、支撑件（42）和柱托（44），台托（41）与所述内圈台面（34）相连，支撑件（42）与所述步进电机（36）连接。

7.根据权利要求6所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述支撑件（42）还与所述旋转模块单片机控制板（37）、旋转模块步进电机驱动器（38）和旋转模块电池（39）连接，用于承载所述旋转模块单片机控制板（37）、旋转模块步进电机驱动器（38）和旋转模块电池（39）。

8.根据权利要求1所述的一种面向三维重建的物体多角度图像自动采集装置，其特征在于所述外圈台面（33）与升降模块（2）的连接处设有径向凹槽。

9.根据权利要求1-8之一所述装置的采集系统，其特征在于包括采集装置和软件控制模块（5），所述软件控制模块（5）包括图传接收机、通信模块和上位机系统，所述上位机系统通过图传接收机，接收所述图传模块的图像数据，并通过通信模块向舵机（13）、升降模块单片机控制板（23）和旋转模块单片机控制板（37）发送控制指令，所述上位机系统，用于人机交互。

10.根据权利要求9所述的采集系统，其特征在于所述软件控制模块（5）通过设置旋转角度，调整角度对应的外圈台面（33）上两点的间距，控制图片拍摄数量。

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