CN117146710B - 基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法 - Google Patents

基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于计算机视觉领域，具体涉及了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法，旨在解决现有的三维重建系统存在测量视场较窄、精度较低和速度较慢的问题。本发明包括：第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统；第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面，本发明具有高速、高精度、大视野，且可以重建运动目标等优势。

Description

基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法
技术领域
本发明属于计算机视觉领域，具体涉及了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法。
背景技术
基于视觉的三维重建方法可以被分为被动测量和主动测量，被动视觉测量方法由多台相机构成，通过多个相机拍摄目标成像，再经过特征点匹配，采用相机成像的立体几何约束，解算出特征点的空间位置。该方法对被测目标自身的纹理要求较高，若目标缺乏纹理信息，则该测量方法会失效。
主动视觉测量方法通过向被测物体投射特定图案来实现测量，这样即使被测物体没有纹理信息，该方法也可以完成稳定和精确的测量。主动测量方法可以分为时间飞行法（TOF）和结构光法。TOF法通过反射投影光源的时间来计算深度信息，该方法有测量速度快、受环境影响小等优点，但是测量精度较低，多用于感知识别，达不到精密测量的精度要求。
结构光法由一个相机和一个投影光源组成，可以分为点结构光、线结构光和面结构光，分别投影点、线、面不同形式图案，将预设好的图案投影到物体上，再由相机采集投影后的目标图像，通过三角测量法解算得到深度信息。其中点结构光和线结构光环境适应性强，测量精度高，但是需要扫描，速度较慢；面结构光测量精度较高，速度快，但是面结构光需要多个设备协同，成本高、系统复杂且灵活性差，只能测量固定的区域，将投影仪和相机固定在同一个云台上，由云台带动相机和投影仪转动扫描，云台运动缓慢，测量速度较慢。即现有的三维重建系统存在测量视场较窄、精度较低和速度较慢的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有的三维重建系统存在测量测量视场较窄、精度较低和速度较慢的问题，本发明提供了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统，所述基于主动视觉的动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统；
所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；
所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；
所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源、线激光光源、面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转。
在一种优选的实施方式中， 针对每一动态相机系统，基础坐标系{G}建立在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上，以平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴的方向为Z轴，平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转镜面的初始方向的任一方向为x轴，垂直于x轴和z轴的方向为y轴方向，圆心在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上；
世界坐标系为标定板坐标系{W }；
在每一动态相机系统的相机上建立相机坐标系{C}；
建立的相机坐标系经过每一动态相机系统对应的振镜系统的两个镜面反射后的坐标系为虚拟相机坐标系{V}。
在一种优选的实施方式中，对每一动态相机系统，根据任意一点的像素坐标（u1，v1）得到该点对应的世界坐标（X1,Y1,Z1）的过程为：
对每一动态相机系统，空间中任意一点P的世界坐标（X1,Y1,Z1）和它的像素坐标（u1，v1）的关系为：
；
其中，Min是相机内参数矩阵，VTW为虚拟相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，VTW随着振镜系统的运动不断变化；
VTW=VTG GTW；
其中，GTW是基础坐标系到世界坐标系的变化矩阵，为固定值；VTG为虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
VTG与振镜系统中水平旋转镜面的旋转角度θ1和垂直旋转镜面的旋转角度θ2有关；
P1是振镜垂直旋转镜面的转换矩阵，P2是振镜水平旋转镜面的转换矩阵，则
；
VTG=P1.P2；
；
其中，是每一动态相机系统中水平镜面和垂直镜面之间的距离，/>是每一动态相机系统相机与水平镜面之间的距离；θ1是每一动态相机系统中水平旋转镜面的旋转角度；θ2是每一动态相机系统中垂直旋转镜面的旋转角度。
在一种优选的实施方式中，当每一动态相机系统的振镜系统对应的电压为 (0,0)时，振镜的旋转角度为：θ1=θ2= 45°；
；
其中，VTG表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；初始虚拟相机坐标系表示振镜在初始位置时相机对应虚拟相机坐标系。
在一种优选的实施方式中，若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源，激光点入射方向平行所述第三水平旋转镜面的旋转轴，其偏转角为 θpan，光束经过所述第三水平旋转镜面反射后的偏转角为2 θpan；所述第三垂直旋转镜面的偏转角为 θtilt，光束经过所述第三垂直旋转镜面后的偏转角为 2θtilt；
激光束射到任意平面上的任一点 (x，y ) 时，可以得出光束在所述任意平面上的扫描轨迹：
；
其中，d 1 是第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面之间的距离，e为第三垂直旋转镜面的轴线到标定板的XOY平面坐标原点的距离。
在一种优选的实施方式中，若所述动态投影系统的投影光源为线激光光源：
若投影光源为线激光光源，所述线激光光源所投射出来的光经过所述第三水平旋转镜面和所述第三垂直旋转镜面，分别形成第一激光平面和第二激光平面；
空间中任意一点P（xc,yc,zc）在任一相机的相机坐标系下与所述P（xc,yc,zc）的像素坐标（u，v）的关系为公式为：
；
其中，，/>，u0，v0为相机内参数，/>，/>表示相机在x轴，y轴方向焦距的长度，可由单相机标定得到；u0,v0表示相机主点的实际位置，可由单相机标定得到；xc,yc,zc为任意一点在相机坐标系中x方向，y方向和z方向的坐标；u，v为该点在x轴和y轴方向上的像素坐标；
所述第一激光平面和所述第二激光平面在任一相机的相机坐标系中的平面方程分别为：
A1x+B1y+C1z+D1=0； A2x+B2y+C2z+D2=0；
其中，A1，B1，C1，D1，A2，B2，C2，D2表示方程系数；
可得：；
其中，n是第二激光平面的旋转轴，nx，ny，nz是n的三个参数；
第二激光平面方程与振镜旋转参数θ1和θ2的变化关系为：
；
带入n上的任意一点，即可求出Dc； Ac，Bc，Cc是第二旋转激光平面方程的系数，Dc是公式系数；第二旋转激光平面方程在振镜旋转后的第二激光平面方程；
通过所述第一激光平面和所述第二激光平面在任一相机的相机坐标系下的平面方程得到任一点的三维坐标，进行三维重建。
在一种优选的实施方式中, 若投影光源为面激光光源：通过任一动态相机系统的相机的左相机和右相机同时拍摄物体，并搜索左右相机的匹配点，左右相机的焦距分别为,/>，两相机光心间距离为/>，相机主点坐标为(/>,/>)；
空间中任意一点A在所述左相机的相机坐标系下坐标为(X, Y, Z),所述点A在所述右相机的坐标系下的坐标为( , Y, Z)；
根据相机成像公式可得：所述点A在所述左相机的像素坐标:
；
所述点A在所述右相机的像素坐标:
；
和/>可以通过特征点的像素坐标和动态相机坐标的模型计算得到；
；
其中，（U，V）是点A在相机虚拟坐标系的坐标，（u，v）是点A在初始相机虚拟坐标系的坐标；表示虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；
空间中同一点在左右两个相机的像素坐标系下，只有横坐标不同，纵坐标相等；通过特征匹配方法，获取到左右像素的对应关系，确定所述左右像素为空间中相同点的映射后，根据所述左右像素在左右相机的像素坐标，可得
；
可得：；
为点A在两图像成像横坐标差值，称为视差，可得到所述点A在相机坐标系下深度信息/>，/>；并进一步得到所述点A的三维坐标；/>；
根据每一点的三维坐标可进行三维重建。
本发明的第二方面，提出了一种基于主动视觉的动态投影三维重建方法，该方法基于任一项所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，该方法包括:
对所述第一动态相机系统、对所述第二动态相机系统进行标定，对所述动态投影系统标定、对各系统中所包含的各个振镜进行参数标定以及联合标定；其中每个动态相机系统标定包括针对每个单相机内外参数标定和动态相机参数标定；每个动态投影系统标定包括单相机内外参数标定和动态投影参数标定；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统通过遍历扫描与目标检测，获取目标在图像中的初始位置，再根据所述目标在图像中的偏移量，计算振镜参数的偏移量，控制所述第一振镜系统和所述第二振镜系统追踪所述目标，使得所述目标的包络框中心保持在图像中心，根据两套动态相机系统的对极约束，解算出目标中心点的空间位置；
根据所述目标中心点的空间位置和基于主动视觉的动态投影三维重建系统的标定参数，计算所述第三振镜系统的偏转角，根据所述偏转角控制所述第三振镜系统，使得投影光源将预设好的编码图案实时投影到所述目标上；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统采集到有投影图案的目标图像，对图像上的投影图案解算每个像素点所对应的三维坐标，实现三维重建。
本发明的有益效果：
（1）本发明针对结构光测量系统中，测量视场、测量精度和测量速度之间的技术矛盾，提出了一种基于振镜主动追踪投影的三维重建系统，该系统具有高速、高精度、大视野，且可以重建运动目标等优势。
（2）本专利所提出的动态投影三维重建系统，投影可采用任意光源，包含点光源、线光源、面光源（包含单幅面光源或多副时序光源），此系统应用场景广，具有很强的实用性。
（3）本专利所提出的动态投影三维重建系统可以实现多个设备协同，性价比高，并且灵活性好。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的示意图；
图2是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的实物示意图；
图3是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的动态相机模型的示意图；
图4是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的动态相机模型的实物示意图；
图5是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的点构光动态投影模型的示意图；
图6是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的线构光动态投影模型的示意图；
图7是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的点/线结构光动态投影模型的实物示意图；
图8是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的面结构光动态投影模型的实物示意图；
图9是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的手指三维重建结果示意图；
图10是本发明实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统的系统工作流程示意图；
图11是用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的第一实施例的一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统，所述动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统；
所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；
所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；
所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源、线激光光源、面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转。
为了更清晰地对本发明一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统进行说明，下面结合附图，对基于主动视觉的动态投影三维重建系统各部分进行展开详述：
如图1，图2所示，所述动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统；图2中动态相机系统1即为第一动态相机系统，动态相机系统1即为第二动态相机系统。
如图3和图4所示，所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；图3中振镜系统界面包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；相机为第一相机；图4中，相机为第一相机，振镜系统为第一振镜系统。
在本实施例中， 针对每一动态相机系统，基础坐标系{G}建立在所述每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上，以平行所述每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴的方向为Z轴，平行所述每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转镜面的初始方向的任一方向为x轴，垂直于x轴和z轴的方向为y轴方向，圆心在所述每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上；
世界坐标系为标定板坐标系{W }；
在每一动态相机系统的相机上建立相机坐标系{C}；
所述相机坐标系经过所述每一动态相机系统对应的振镜系统的两个镜面反射后的坐标系为虚拟相机坐标系{V}。
在本实施例中，对每一动态相机系统，根据任意一点的像素坐标（u1，v1）得到该点对应的世界坐标（X1,Y1,Z1），相机标定过程为：
对每一动态相机系统，空间中任意一点P的世界坐标（X1,Y1,Z1）和它的像素坐标（u1，v1）的关系为：
；
其中，Min是相机内参数矩阵，VTW为虚拟相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，VTW随着振镜系统的运动不断变化；
VTW=VTG GTW；
其中，GTW是基础坐标系到世界坐标系的变化矩阵，为固定值；VTG为虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
VTG与振镜系统中水平旋转镜面的旋转角度θ1和垂直旋转镜面的旋转角度θ2有关；
设P1是振镜垂直旋转镜面的转换矩阵，P2是振镜水平旋转镜面的转换矩阵，则
；
VTG=P1.P2；
；
其中，是所述每一动态相机系统中水平镜面和垂直镜面之间的距离，/>是所述每一动态相机系统相机与水平镜面之间的距离；θ1是所述每一动态相机系统中水平旋转镜面的旋转角度；θ2是所述每一动态相机系统中垂直旋转镜面的旋转角度。
当所述每一动态相机系统的振镜系统的电压为 (0,0) 时，振镜的旋转角度为：θ1=θ2= 45°；
；
其中，VTG表示所述每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；表示所述每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；初始虚拟相机坐标系表示振镜在初始位置时相机对应的虚拟相机坐标系。
所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；
所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源、线激光光源、面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转。
在本实施例中，第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统三者没有位置关系，通过标定来获取他们的位置关系。
在本实施例中，如图5，为若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源，动态投影模型的示意图，图5中垂直旋转镜为第三垂直旋转镜面，水平旋转镜为第三水平旋转镜面；图7为若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源或线激光光源时，动态投影模型的实物示意图。若投影光源为点激光光源，激光点入射方向平行所述第三水平旋转镜面的旋转轴，其偏转角为 θpan，光束经过所述第三水平旋转镜面反射后的偏转角为2 θpan；所述第三垂直旋转镜面的偏转角为 θtilt，光束经过所述第三垂直旋转镜面后的偏转角为 2θtilt；
激光束射到任意平面上的任一点 (x，y) 时，可以得出光束在所述任意平面上的扫描轨迹：
；
其中，d 1 是第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面之间的距离，e为第三垂直旋转镜面的轴线到标定板的XOY平面坐标原点的距离。
在本实施例中，如图6和图7所示，若所述动态投影系统的投影光源为线激光光源的示意图，图6中，激光平面1为第一激光平面，激光平面2为第二激光平面。
若投影光源为线激光光源，所述线激光光源所投射出来的光经过所述第三水平旋转镜面和所述第三垂直旋转镜面，分别形成第一激光平面和第二激光平面；对于任一激光平面，在任一相机的相机坐标系中的方程为：Acx+Bcy+Ccz+Dc=0；
空间中任意一点P（xc,yc,zc）在任一相机的相机坐标系下的相机坐标与其该点的像素坐标（u，v）的关系为公式为：
；
其中，，/>，u0，v0为相机内参数，ax，ay表示相机在x轴，y轴方向焦距的长度，可由单相机标定得到；u0,v0表示相机主点的实际位置，可由单相机标定得到；xc,yc,zc为任意一点在相机坐标系中x方向，y方向和z方向的坐标；u，v为该点在x轴和y轴方向上的像素坐标。
所述第一激光平面和所述第二激光平面在相机坐标系中的平面方程分别为：
A1x+B1y+C1z+D1=0； A2x+B2y+C2z+D2=0；
其中，A1，B1，C1，D1，A2，B2，C2，D2表示方程系数；
可得：；
其中，n是第二激光平面的旋转轴，nx，ny，nz是n的三个参数；
第二激光平面方程与振镜旋转参数θ1和θ2的变化关系为：
；
带入n上的任意一点，即可求出Dc；Ac，Bc，Cc是第二旋转激光平面方程的系数，Dc是公式系数，第二旋转激光平面方程为振镜旋转后的第二激光平面方程；
通过所述第一激光平面和所述第二激光平面在所述任一相机的相机坐标系下的平面方程得到任一点的三维坐标，进行三维重建。
在本实施例中，如图8所示，若投影光源为面激光光源的动态投影三维重建系统的实物示意图；动态投影参数标定过程为：通过任一动态相机系统的相机左相机和相机右相机同时拍摄物体，并搜索左右相机的匹配点，左右相机的焦距分别为,/>，两相机光心间距离为/>，相机主点坐标为(/>,/>)；
空间中任意一点A在左相机的相机坐标系下坐标为(X, Y, Z),则其在右相机坐标系下的坐标为( , Y, Z)；
根据相机成像公式可得：
点A在左相机的像素坐标；
点A在右相机的像素坐标；
和/>可以通过特征点的像素坐标和动态相机坐标的模型计算得到：
；
其中，（U，V）是点A在相机虚拟坐标系的坐标，（u，v）是点A在初始相机虚拟坐标系的坐标；表示虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；
空间中同一点在左右两个相机的像素坐标系下，只有横坐标不同，纵坐标相等；通过特征匹配方法，获取到左右像素的对应关系，确定所述左右像素为空间中相同点的映射后，根据所述左右像素在左右相机的像素坐标：
；
可得：；
为点A在两图像成像横坐标差值，称为视差，可得到该点在相机坐标系下深度信息/>，/>；并进一步得到该点的三维坐标；/>；
根据每一点的三维坐标可进行三维重建。
如图9是基于主动视觉的动态投影三维重建系统的手指三维重建结果示意图；
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于动视觉的动态投影三维重建系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
如图10所示，本发明的第二实施例提供一种基于主动视觉的动态投影三维重建方法，基于任一项所述的主动视觉的动态投影三维重建系统，图10中，相机1为第一相机，相机2为第二相机，振镜3为第三振镜系统，该方法包括：
对所述第一动态相机系统、对所述第二动态相机系统进行标定，对所述动态投影系统标定、对各系统中所包含的各个振镜进行参数标定以及联合标定；其中每个动态相机系统标定包括针对每个单相机内外参数标定和动态相机参数标定；每个动态投影系统标定包括单相机内外参数标定和动态投影参数标定；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统通过遍历扫描与目标检测，获取目标在图像中的初始位置，再根据所述目标在图像中的偏移量，计算振镜参数的偏移量，控制所述第一振镜系统和所述第二振镜系统追踪目标，使得目标的包络框中心保持在图像中心，根据两套动态相机系统的对极约束，解算出目标中心点的空间位置；
根据所述目标中心点的空间位置和系统的标定参数，计算所述第三振镜系统的偏转角，根据所述偏转角控制所述第三振镜系统，使得投影光源将预设好的编码图案实时投影到目标上；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统采集到有投影图案的目标图像，对图像上的投影图案解算每个像素点所对应的三维坐标，实现三维重建。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于主动视觉的动态投影三维重建方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于主动视觉的动态投影三维重建方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
下面参考图11，其示出了用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图11示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图11所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)1301，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)1302中的程序或者从存储部分1308加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)1303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 1303中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 1301、ROM1302以及RAM1303通过总线1304彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口1305也连接至总线1304。
以下部件连接至I/O接口1305：包括键盘、鼠标等的输入部分13013；包括诸如阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分1307；包括硬盘等的存储部分1308；以及包括诸如LAN(局域网，Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1309。通信部分1309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1310也根据需要连接至I/O接口1305。可拆卸介质1311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1308。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1311被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)1301执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，所述动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统、第二动态相机系统和动态投影系统；
所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；
所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；
所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源、线激光光源、面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转；
针对每一动态相机系统，基础坐标系{G}建立在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上，以平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴的方向为Z轴，平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转镜面的初始方向的任一方向为x轴，垂直于x轴和z轴的方向为y轴方向，圆心在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上；
世界坐标系为标定板坐标系{W }；
在每一动态相机系统的相机上建立相机坐标系{C}，建立的相机坐标系经过每一动态相机系统对应的振镜系统的两个镜面反射后的坐标系为虚拟相机坐标系{V}；
对每一动态相机系统，根据任意一点的像素坐标（u1，v1）得到该点对应的世界坐标（X1,Y1,Z1）的过程为：
对每一动态相机系统，空间中任意一点P的世界坐标（X1,Y1,Z1）和它的像素坐标（u1，v1）的关系为：
；
其中，Min是相机内参数矩阵，VTW为虚拟相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，VTW随着振镜系统的运动不断变化；
VTW= VTG GTW；
其中，GTW是基础坐标系到世界坐标系的变化矩阵，为固定值；VTG为虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
VTG与振镜系统中水平旋转镜面的旋转角度θ1和垂直旋转镜面的旋转角度θ2有关；
P1是振镜垂直旋转镜面的转换矩阵，P2是振镜水平旋转镜面的转换矩阵，则
；
VTG=P1.P2；
；
其中，是每一动态相机系统中水平镜面和垂直镜面之间的距离，/>是每一动态相机系统中相机与水平镜面之间的距离；θ1是每一动态相机系统中水平旋转镜面的旋转角度；θ2是每一动态相机系统中垂直旋转镜面的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，当每一动态相机系统对应的振镜系统的电压为 (0,0) 时，振镜的旋转角度为：θ1 =θ2 = 45°；
；
其中，VTG表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；初始虚拟相机坐标系表示振镜在初始位置时相机对应的虚拟相机坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源，
激光点入射方向平行所述第三水平旋转镜面的旋转轴，其偏转角为 θpan ，光束经过所述第三水平旋转镜面反射后的偏转角为2 θpan ；所述第三垂直旋转镜面的偏转角为 θtilt，光束经过所述第三垂直旋转镜面后的偏转角为 2θtilt；
激光束射到任意平面上的任一点 (x，y ) 时，可以得出光束在任意平面上的扫描轨迹：
；
其中，d 1是第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面之间的距离，e 为第三垂直旋转镜面的轴线到标定板的XOY平面坐标原点的距离。
4.根据权利要求1所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，若所述动态投影系统的投影光源为线激光光源，
所述线激光光源所投射出来的光经过所述第三水平旋转镜面和所述第三垂直旋转镜面，分别形成第一激光平面和第二激光平面；
空间中任意一点P（xc,yc,zc）在任一相机的相机坐标系下的相机坐标与所述P（xc,yc,zc）的像素坐标（u，v）的关系为公式为：
；
其中，、/>，u0，v0为相机内参数，/>，/>表示相机在x轴，y轴方向焦距的长度，可由单相机标定得到；u0,v0表示相机主点的实际位置，可由单相机标定得到；xc,yc,zc为任意一点在相机坐标系中x方向，y方向和z方向的坐标；u，v为该点在x轴和y轴方向上的像素坐标；
所述第一激光平面和所述第二激光平面在任一相机的相机坐标系中的平面方程分别为：
A1x+B1y+C1z+D1=0； A2x+B2y+C2z+D2=0；
其中，A1，B1，C1，D1，A2，B2，C2，D2表示方程系数；x，y，z代表未知数；
可得：；
其中，n是第二激光平面的旋转轴，nx，ny，nz是n的三个参数；
第二旋转激光平面方程与振镜旋转参数θ1和θ2的变化关系为：
；
带入n上的任意一点，即可求出Dc；Ac，Bc，Cc是第二旋转激光平面方程的系数，Dc是公式系数；第二旋转激光平面方程为经振镜旋转后形成的第二激光平面方程；
通过所述第一激光平面和所述第二激光平面在任一相机的相机坐标系下的平面方程得到任一点的三维坐标，进行三维重建。
5.根据权利要求1所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，若投影光源为面激光光源：
通过任一动态相机系统的相机的左相机和右相机同时拍摄物体，并搜索左右相机的匹配点，左右相机的焦距分别为,/> ，两相机光心间距离为/>，相机主点坐标为(/>,/>)；
空间中任意一点A在所述左相机的相机坐标系下坐标为(X, Y, Z),则所述点A在所述右相机的坐标系下的坐标为( , Y, Z)；
根据相机成像公式可得：
所述点A在所述左相机的像素坐标：；
所述点A在所述右相机的像素坐标：；
和/>可以通过特征点的像素坐标和相机坐标的模型计算得到：
；
其中，（U，V）是点A在相机虚拟坐标系的坐标，（u，v）是点A在初始相机虚拟坐标系的坐标；表示虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；
空间中同一点在左右两个相机的像素坐标系下，只有横坐标不同，纵坐标相等；通过特征匹配方法，获取到左右像素的对应关系，确定所述左右像素为空间中相同点的映射后，根据所述左右像素在左右相机的像素坐标，可得：
；
可得：；
为点A在两图像成像横坐标差值，称为视差，可得到所述点A在相机坐标系下深度信息/>，/>；并进一步得到所述点A的三维坐标；
；
根据每一点的三维坐标进行三维重建。
6.一种基于主动视觉的动态投影三维重建方法，基于权利要求1-5任一项所述基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，该方法包括：对所述第一动态相机系统、对所述第二动态相机系统进行标定，对所述动态投影系统标定、对各系统中所包含的各个振镜进行参数标定以及联合标定；其中每个动态相机系统标定包括针对每个单相机内外参数标定和动态相机参数标定；每个动态投影系统标定包括单相机内外参数标定和动态投影参数标定；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统通过遍历扫描与目标检测，获取目标在图像中的初始位置，再根据所述目标在图像中的偏移量，计算振镜参数的偏移量，控制所述第一振镜系统和所述第二振镜系统追踪所述目标，使得所述目标的包络框中心保持在图像中心，根据两套动态相机系统的对极约束，解算出目标中心点的空间位置；
根据所述目标中心点的空间位置和基于主动视觉的动态投影三维重建系统的标定参数，计算所述第三振镜系统的偏转角，根据所述偏转角控制所述第三振镜系统，使得投影光源将预设好的编码图案实时投影到所述目标上；
所述第一动态相机系统和所述第二动态相机系统采集到有投影图案的目标图像，对图像上的投影图案解算每个像素点所对应的三维坐标，实现三维重建。
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