CN1482491A

CN1482491A - 三维摄影技术方法

Info

Publication number: CN1482491A
Application number: CNA021347557A
Authority: CN
Inventors: 陆泰玮; 汤毅
Original assignee: SHENZHEN FANYOU TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN FANYOU TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2002-09-15
Filing date: 2002-09-15
Publication date: 2004-03-17
Anticipated expiration: 2022-09-15
Also published as: CN100417976C

Abstract

一种三维摄影技术方法，涉及利用最少光栅数目，拍摄三维高品质影像的方法。本技术采用以下步骤：A.利用光谱中的赤、橙、红、绿、青、靛、紫颜色组成一组光栅。B.摄影方式，用一台投影机和一台摄影机组合，同步拍摄，在投影机关联的电脑中顺序切换生成的光栅，用影示屏轮流显示，并以每秒钟10～30幅的速度投影被照的物体上，同时用一台投影机以一定的夹角同步拍摄光栅投影下的物体。C.软件解码，投影拍摄完成后，对获取的信息进行处理。本技术方案利用一组彩色光栅组合，采用最少的光栅数目拍摄，可得到准确、快速、精度度的成像效果，并且抗干性强。

Description

三维摄影技术方法

技术领域

本发明涉及三维摄影技术，特别涉及利用最少的光栅数目，拍摄三维高品质影像的方法。

背景技术

三维摄影技术最早有两种方法，即激光扫描技术和双眼视差技术。激光扫描技术是将激光变成一个很细的点或一条线，把这个点或线以某种角度打到某个平面上，形成一种三角关系，如果平面的表面不是完全平的，则会发现此轨迹会变成一曲线，此曲线就代表被测物体的高度。对于激光扫描技术来说，其优点在于抗干扰性较强，被广泛应用在各个领域。但也存在有扫描时间久，易损耗、成本高，需要一个快速摄影机跟着扫描线，价格较高；并且精度易受到影响，易产生错误点等不足。这种方法还由于激光对人体会造成损伤，加上拍摄过程较长，稍微的移动都会使拍摄精度受到影响，所以不适合用作人体摄影。

双眼视差技术：该技术是模拟人的双眼观看一点时形成的视差得出此点的高度，适合应用在室内或是简单的建筑物，具备明朗的线条或清晰的棱角的物体上，不适合用在光滑的曲面上。该技术的好处是比较快的获取信息(如同步有几台摄像机同时拍摄)，但缺点是设备要求较高，成本高，对光滑表面无作用，需要大量的运算等。

现有技术摄影方法还有：光栅干涉法：原理是利用多个光栅互相之间产生干涉，投影在物体上，有4种常用方法：

A、同步谐振法：即通过激光光束的相位同步谐振，投影在物体表面，形成细腻的谐振条纹，Moore条纹就是其中一种谐振方式。其优点是精度比较高，可以达到纳米精度，适合用在精密的测量上。而缺点是对激光和光学器件的精度要求高，因而成本高。

B、相移法：采用一个光栅移动数次，每次移动1/4波长，移动一次拍摄一次，一般移动4～7次，移动的次数越多，精度越高。此方法的优点是精确度较高，缺点是成本高(需要精密的机械控制系统)，时间久(移动光栅4～7次)，拍摄过程中要求拍摄的物体不能移动，不太适合人体的拍摄。

C、光栅扫描法：利用6至10种不同的光栅连续投影在物体上，通过分析，得出高度。此法的优点是精度高，对物体表面色彩和开状的适应性强。缺点是拍摄的光栅较多，速度慢，一般在2～16秒才能完成。

D、简单光栅法：原理是利用一个简单的光栅投影在物体上，分析光栅条纹的变形，因而推导出物体表面深度信息。此法的优点是快速、简单；缺点是精度差。

E、彩色光栅法：目前我们已经申请到的三维摄影技术(美国专利号：6,252,623)采用一组彩色光栅拍摄一次，利用彩色的条纹区别光栅之间的关系，可对等光栅相移法，颜色代表相移。其优点是精度能够达到与相移法类似，且速度比较快，只需拍一张照片即可获得三维模型。缺点是抗干扰性不高，由于只采用一个彩色光栅，仅拍摄一次，故彩色条纹对物体表面的反光特性比较敏感。

技术内容

本发明目的是针对以上技术存在的不足，设计一种采用新的光栅编码设计方法，利用一组彩色光栅组合，采用最少的光栅数目拍摄，可达到准确、快速、精度高的成像效果，且抗干扰性强。

本发明目的可通过以下技术方案实现：

一种三维摄影技术方法，是利用液晶显示屏与多个多色光栅快速切换获取三维信息，所述方法包括以下步骤：

A、光栅编码设计：

利用光谱中的赤、橙、红、绿、青、靛、紫颜色组成一组光栅，其组成方法是：

a、第一个光栅只包含每一种颜色的一根光线组成光栅(1)，光栅线的位置等距分布；

b、光栅(1)上的三条光栅线将光栅(1)划分成4个区域；

c、再在每一个区域内按光栅(1)的生成方式分布三条光栅线，形成光栅(2)，如此类推，形成光栅3、光栅4……，最后形成一组彩色光栅；

B、摄影方式：

用一台投影机和一台摄影机组合，同步拍摄，在投影机关联的电脑中顺序切换生成的光栅，用显示屏轮流显示，并以每秒钟10～30幅的速度投影被照的物体上，同时用一台摄影机以一定的夹角同步拍摄光栅投影下的物体。

C、软件解码：

投影拍摄完成后，采用如下步骤对获取的信息进行处理。

a、将输出的光栅图转化为具备所有特点的三维坐标的数码文件，处理的顺序为光栅1，2，3……M-1，M。

b、计算光栅线的中心线位置。

处理光栅1图像，从中找出每一种颜色光栅条纹的位置，从一种颜色将颜色被照物体分为N₁+1个区域。

处理光栅2图像，从步骤1中的每一个区域中找出每一种颜色光栅条纹的位置，N₂种颜色将被照物体分为(N₁+1)、(N₂+1)个区域。

以此类推，处理光栅M图像，从步骤M-1中的每一个区域中，找出每一种颜色光栅条纹位置，N_m种颜色将被照物体分为(N₁+1)(N₂+1)……(N_m+1)个区域。

按BDG raph算法计算每一条光栅线的中心线位置。

在上述光栅编码设计步骤中，如果前一个光栅上的光栅线不在一幅光栅上，光栅2则有(N₁+1)*N₂条光栅线；依此类推，光栅M有：{…「(N₁+1)×N₂+1]×(N₃+1)+…+1}×NM条光栅线；如果前一个光栅上的光栅线在下一幅光栅上，则下一幅光栅上的光栅线数目为(N₁+1)(N₂+1)……(N_m+1)-1条光栅线；设定第M+1个光栅是白色均匀光照明，用于获得物体表面彩色纹理图。

三维摄影技术方法中，利用光谱中的颜色组成一组光栅，其颜色组合按被测物体表面色彩、反光状况来动态组合，其具体方法是：

A、如果物体表面颜色是中性色，则可用红、蓝、绿、白等颜色组合形成一组光栅。

B、如果物体表面颜色是红色，则使用红和白颜色组合形成一组光栅。

C、如果物体表面反射很暗，则可使用较亮的颜色，如红、绿和白颜色组合形成一组光栅。

D、如果物体表面有不同种颜色组合，则使用相应的颜色组合形成多组光栅。

为获得高分辨率的三维图像，摄影方式中拍摄光栅投影下的物体时，可以一张一张的切换光栅图，也可以采用一台胶片摄影机和一台放映机同步投影拍摄。

在三维摄影方法中，为提高拍摄精度，摄影方式中拍摄按以下顺序进行：先投影拍摄光栅M+1，然后M，再后依此拍摄光栅M-1……1。

在三维摄影技术方法中，摄影方式中拍摄可按以下顺序进行，从光栅1开始，按照1、2、3、……M的顺序投影拍摄。

本发明技术进步在于，前述方法利用一组彩色光栅组合，采用最少光栅数目拍摄，所拍摄的三维影像快速、准确，精度高成像效果好，抗干扰性强。

附图说明

图1为光栅1示意图；

图2为光栅2示意图；

图3为三维摄影系统的投影机和摄影机组合图。

具体实施方法

本方法是利用液晶显示屏与多个多色光栅快速切换获取三维信息。此技术是基于原有的3Dflash！技术的改进方法，采用了新的光栅编码设计方法。其抗干扰性强，不仅能够用于人体摄影，也可以用于普通物体的三维摄影(优于现有的3Dflash！系统)。

一、光栅编码设计：

利用红、蓝、绿、白颜色或其他光谱中的颜色(赤、橙、红、绿、青、靛、紫)的组合形成一组光栅。

第一个光栅只包含每一种颜色的一根线组成光栅1，光栅线的位置可以是等距分布。例如，如果用红、蓝、绿三种颜色组合，光栅1等距离分布红、蓝、绿三条光栅线，共划分生成了4个区域，再在每一个区域内按光栅1的生成方式分布三条光栅线，从而形成了光栅2，以此类推形成光栅3、光栅4……，最终组合形成一组彩色光栅(如图1，光栅设计图)。

如果有N₁个颜色，则把光栅图分为N₁+1块区域

第二个光栅在每一个区域中包含N₂种颜色组成光栅2

其中N₁为第一个光栅片上的颜色数目，N₂为第二个光栅片上的颜色数目。如图1所示光栅1有3种颜色，图2所示光栅2有3种颜色。

如果前一个光栅上的光栅线不在下一幅光栅上，如图1右光栅上2上虚线所示。

光栅2则有(N₁+1)*N₂条光栅线

依此类推，光栅M有(。。。(N₁+1)×N₂+1)×N₃+1)+。。。+1)×N_m条光栅线

如果前一个光栅上的光栅线在下一幅光栅上，则下一幅光栅上的光栅线数目为(N₁+1)(N₂+1)。。。(N_m+1)-1条。

设定第M+1个光栅是白色均匀光照明，用于获得物体表面彩色纹理图。由于摄影方式采用投影机和摄影机同步完成，故M的大小按投影机和摄影机的分辨率定。

M的大小按投影机和摄影机的分辨率确定。

实例：

设定投影机和摄影机的分辨率都在1000×1000点(100万像素)左右，其宽度是1000像素，一条光栅一般至少需5个像素的宽度，则最密光栅M的光栅条数在200条以内，假定N₁＝4、N₂＝2、N₃＝2、N₄＝1，光栅总条数为(N₁+1)(N₂+1)(N₃+1)(N₄+1)＝(4+1)(4+1)(2+1)(1+1)＝150条，接近并且在200条极限之内，所以M＝4。N数在光栅组中可变，比如光栅1到光栅3用4种颜色：红、蓝、绿、白，光栅4用1种颜色：白色，则N₁＝N₂＝N₃＝4，N₄＝1，最终光栅条数为(4+1)³×(1+1)＝250

颜色组合：

组合应按被测物体表面色彩，反光状况来动态组合。物体表面颜色是中性色，则可使用红、蓝、绿、白颜色组合形成一组光栅；物体表面颜色是红色，则可使用红和白颜色组合形成一组光栅；物体表面反射很暗，则可使用较亮的颜色如红，绿和白颜色组合形成一组光栅；物体表面有不同种颜色组合，则可使用相应的颜色组合形成多组光栅。先拍摄一张物体彩色照片，通过自动色彩分析(简单的界面可以由人眼直接判断，如果复杂的界面可以有机器探测采集)，找出主要颜色，然后生成一组反射性能最优的颜色作为光栅组合，然后再进行三维摄影。

二、摄影方式

如图3所示，新型三维摄影系统采用的是一台投影机和一台投影机组合，同步拍摄，在投影机关联的电脑中顺序切换生成的光栅，用液晶显示屏(投影机)轮流显示，并投影到被照的物体上(每秒钟10～30幅)，同时用一台摄影机以一定的夹角同步拍摄光栅投影下的物体。可以一张张地切换光栅图(类似于幻灯片的方式)，也可以采用一台胶片摄影机和一台放映机同步投影拍摄，则可以获得非常高分辨率的三维图像。

以上一定夹角是指：投影机与摄影机必需。

投影拍摄可按一定顺序进行。比如：最先投影拍摄光栅M+1，然后M，然后按顺序拍摄光栅M-1，……1(也可以从光栅1开始，按照1、2、3……M的顺序投影拍摄)。光栅M+1为白色均匀光照，用来获取物体表面彩色纹理图。光栅M为最密光栅线的光栅图。按照此顺序投影拍摄可以在首次拍摄中捕获到最真实的特征，因为在多次拍摄之后人必然会有一些细小的表情变化，诸如，皱眉、眨眼等，不利于得到精确的数据。投影机尽量选择高分辨的液晶或其他投影显示屏。最好是SVGA以上的分辨率。摄影机尽量选择高分辨率的摄像头，最好可拍摄每秒10帧以上

三、软件解码方法

投影拍摄完成后，需要对获取的信息进行处理，采取如下的步骤进行软件解码，将输出的光栅图转化为具备所有特征点的三维坐标的数码文件。处理的顺序为光栅1，2，3…M-1，M。

计算光栅线的中心线位置

步骤1：处理光栅1图像，从中找出每一种颜色光栅条纹的位置。N₁种颜色将被照物体分为N₁+1个区域。

步骤2：处理光栅2图像，从步骤1中的每一个区域中找出每一种颜色光栅条纹的位置。N₂种颜色将被照物体分为(N₁+1)(N₂+1)个区域。

步骤M：处理光栅M图像，从步骤M-1中的每一个区域中找出每一种颜色光栅条纹的位置。N_m种颜色将被照物体分为(N₁+1)(N₂+1)。。。(N_m+1)个区域。

可按3Dgraph算法计算每一条光栅线的中心线位置。

校准(获取计算深度信息需要的数据)

将一平板放在被照物体的位置，与摄像机中轴线成90度角垂直。重复以上步骤，得到每一条光栅线的中心线位置。

计算深度

深度变化ΔZ＝ΔX*H/(D-ΔX)

其中

ΔX为光栅线的位移(平面校准的中心线位置与实际拍摄记录的光栅线中心位置的偏移距离)

H为校准平面到摄像机镜头焦点的垂直距离

D为摄像机镜头焦点到投影机镜头焦点的距离

H/D代表投影机与摄影机的夹角

可达到的性能

摄影速度估计在0.1至0.5秒以内，用普通1000000像素的投影机和摄影机组合，精度在0.5mm到1mm左右，如果用高分辨率的投影机组合，精度可以更高。例如，设投影机和摄影机的分辨率在1000*1000点，即是达到100万像素，而最密的光栅条数为250条，则只需拍摄4次，而如果每秒钟可以拍摄30幅，则需要4/30＝2/15≈0.13(秒)。相对现有的3Dflash！，由于抗干扰性强，不仅仅可以用于体摄影，还可以用于普通物体的三维摄影；原有的技术只需要拍摄一张照片即可，但对于复杂的表面或是色彩丰富的表面会出现问题。故此新的三维摄影技术能更准确的获取信息，且适用的范围广泛。

应用范围

本发明可以广泛应用于人体三维摄影，测量；医学领域，如外科、整容科、骨科、牙科、烧伤科，特制鞋垫，远程医疗、公安安检等应用；活动物体三维摄影，测量；艺术品和考古文物三维复制成型，测量；工业用零件，模具等三维复制成型，测量等。

Claims

1、一种三维摄影技术方法，是利用液晶显示屏与多个多色光栅快速切换获取三维信息，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、光栅编码设计：

利用光谱中的两种以上颜色组成一组光栅，其组成方法是：

a、第一个光栅只包含每一种颜色的一根光线组成光栅(1)，那N1个颜色组成N1条光栅线，光栅线的位置可以等距分布，也可以不等距分布；

b、光栅(1)上N1条光栅线将光栅(1)划分成4N1+1个区域；

c、再在每一个区域内选择N2个颜色形成N2条光栅线，形成光栅(2)，如此类推，形成光栅3、光栅4……，最后形成一组彩色光栅；

B、摄影方式：

C、软件解码：

投影拍摄完成后，采用如下步骤对获取的信息进行处理。

a、将输出的光栅图转化为具备所有特点的三维坐标的数码文件，处理的顺序为光栅1、2、3……M-1，M；

b、计算光栅线的中心线位置；

处理光栅1图像，从中找出每一种颜色光栅条纹的位置，从一种颜色将颜色被照物体分为N₁+1个区域；

处理光栅2图像，从步骤1中的每一个区域中找出每一种颜色光栅条纹的位置，N₂种颜色将被照物体分为(N₁+1)、(N₂+1)个区域；

以此类推，处理光栅M图像，从步骤M-1中的每一个区域中，找出每一种颜色光栅条纹位置，N_m种颜色将被照物体分为(N₁+1)(N₂+1)……(N_m+1)个区域；

计算每一条光栅线的中心线位置。

2、根据权利要求1所述的三维摄影技术方法，其特征在于：在上述光栅编码设计步骤中，如果前一个光栅上的光栅线不在一幅光栅上，光栅2则有(N₁+1)*N₂条光栅线；依此类推，光栅M有：{…[(N₁+1)×N₂+1]×(N₃+1)+…+1}×NM条光栅线；如果前一个光栅上的光栅线在下一幅光栅上，则下一幅光栅上的光栅线数目为(N₁+1)(N₂+1)……(N_m+1)-1条光栅线；设定第M+1个光栅是白色均匀光照明，用于获得物体表面彩色纹理图。

3、根据权利要求1所述的三维摄影技术方法，其特征在于：利用光谱中的颜色组成一组光栅，其颜色组合按被测物体表面色彩、反光状况来动态组合，其具体方法是：

A、如果物体表面颜色是中性色，则可用红、蓝、绿、白等颜色组合形成一组光栅；

B、如果物体表面颜色是红色，则使用红和自颜色组合形成一组光栅；

C、如果物体表面反射很暗，则可使用较亮的颜色，如红、绿和白颜色组合形成一组光栅；

4、根据权利要求1所述的三维摄影技术方法，其特征在于：为获得高分辨率的三维图像，摄影方式中拍摄光栅投影下的物体时，可以一张一张的切换光栅图，也可以采用一台胶片摄影机和一台放映机同步投影拍摄。

5、根据权利要求1或4所述的三维摄影技术方法，其特征在于：为提高拍摄精度，摄影方式中拍摄按以下顺序进行：

先投影拍摄光栅M+1，然后M，再后依此拍摄光栅M-1……1。

6、根据权利要求1或4所述的三维摄影技术方法，其特征在于：摄影方式中拍摄可按以下顺序进行，从光栅1开始，按照1、2、3、……M的顺序投影拍摄。