CN1617009A - 基于空间点阵投影的三维数字成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间点阵投影的三维数字成像方法，属于三维数字成像技术。该方法采用数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器构成的成像装置。数字投影照明发射器对物体表面投射二维点阵结构光，以发射器出瞳与图像传感接收器入瞳之间的连线为基线，它和投射在物体上点阵中的所有点的中心构成了若干三角形，形成三角测量系统；图像接收传感器得到投射在参考平面和被测物体表面上的点阵的图像，通过比较被测物体表面和参考平面上的“点阵对”的位置变化，计算相对应“点阵对”在成像平面x方向的位置差，来计算物体的深度图像。本发明具有较高的采样效率，对拓扑复杂的自由曲面具有较强的普适性。

Description

基于空间点阵投影的三维数字成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间点阵投影的三维数字成像方法，属于三维数字成像技术。

背景技术

在基于三角法的主动三维传感技术中，以传统的三角测量为基础，由于三维物体表面形状对结构照明光束产生的的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在探测器阵列上的位置，通过对成像光点位置的确定和系统光路的几何参数，计算出距离。现有的技术包括：采用单光束点结构照明的方法和采用片状光束的线结构照明的方法，以及相位测量轮廓术，包括相移轮廓术、Fourier变换轮廓术和空间相位探测轮廓术。相位测量轮廓术也最终归结为三角测量法，只不过在不同的测量技术中采用不同的方式来从观测光场中提取三角计算中所需要的几何参数。

采用单光束点结构照明的方法，由于每次只有一个点被测量，为了形成完整的三维物体数字像，必须附加二维扫描，这种方法采样效率低，测量时间长，不适用于实时测量；采用片状光束的线结构照明的方法，结构照明系统投射一个片状光束到被测物体表面，形成线结构照明，仍然需要一维扫描，才可以形成完整的三维物体数字像；相位测量轮廓术投射的是一个二维图形到被测物体，形成面结构照明，一次测量可以得到一个完整的三维物体数字像，相位测量轮廓术具有较高的测量速度和精度，但由于计算出的相位分布被截断在反三角函数的主值范围内，如果被测物体拓扑复杂或表面起伏较大，进行相位展开时，存在相位模糊的问题，这是相位展开非常困难的一个问题。

可对比的技术文献有下以三篇：

[1]James S.Ellis，″Three-dimensional measuring system for animals using structured light″，US Patent 6,377,353.

[2]Richard McBain，″high speed laser triangulation measurements of shape and thickness″，USPatent 6,466,305.

[3]Paul R，Yoder JR.，″topography measuring apparatus″，US Patent 4,902,123.

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间点阵投影实现三维数字成像的方法，该方法具有较高的采样效率，又对拓扑复杂的自由曲面具有较强的普适性。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：一种基于空间点阵投影的三维数字成像方法，该方法采用包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器的成像装置；偏转图像传感接收器使其光轴与投影点阵照明视场中心位于同一直线，数字投影照明发射器的出瞳、图像传感接收器的入瞳和照明场的中心构成一个三角形，以数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳之间的连线为基线，它和投射在物体上点阵中的所有点的中心构成了若干三角形，形成了三角测量系统，其特征是：根据仿射变换的原理，分别投影在参考平面和被测物体表面的编码点阵，经过坐标旋转、平移和透视投影变换，可分别得到参考平面和被测物体表面上的编码点阵在图像接收传感器平面上的空间坐标的解析式，并可进一步得到上述两个点阵相对应点之间在成像平面x方向上的位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系；从而数字投影照明发射器投射二维空间点阵结构光照明，在图像接收传感器得到参考平面的点阵图像和投射在被测物体表面上的点阵图像，椐已知系统光路几何参数，图像处理器可计算点阵图像相应点之间在x方向上的位置差，再根据位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系计算出物体的深度图像。

上述数字投影照明发射器投射的二维空间点阵结构光，投射不同疏密程度的二维点阵图形，可实现多种空间分辨率的三维数字成像。

上述投影照明发射器投射二维空间点阵结构光，投射的二维点阵在垂直于光轴的平面内做两维数字移动，最小移动步长为1个像素，以填补由于离散而丢失的其它空间点的深度信息，可获得高空间分辨率。

本发明是利用投射在参考平面的点阵和投射在被测物体表面上的点阵分别在图像接收传感器上所成的点阵像，通过计算相对应“点阵对”在成像平面x方向的位置差，来确定物体的深度值。与已有的方法和技术相比，本发明具有以下优点：

1)投射二维空间点阵到被测物体上，一次成像即可获得一个完整的被测物体的三维数字像，即克服了原有三角法的主动三维传感技术中必须逐点或逐行扫描的缺点，提高了采样效率。与相位测量轮廓术比较，点阵编码方法是直接通过对成像点阵的位置确定来计算物体的深度，相位测量轮廓术采用条纹图编码，物体的深度信息编码在载波条纹中，通过计算折叠相位和相位展开，以及光学系统的结构参数间接获得物体的深度像，当被测物体拓扑复杂或表面起伏较大或存在信息盲区时，相位测量轮廓术的相位展开变成非常困难的问题，例如会产生相位模糊和误差传播；基于空间点阵投影实现三维数字成像的方法采用点阵作为编码方式不存在相位模糊和误差传播的问题，并可在一定程度上缓解由于信盲区造成的数据残缺不全的问题。因此，本发明即具有较高的采样效率，又对拓扑复杂的自由曲面具有较强的普适性。

2)本发明为满足不同空间分辨率的测试需要，可以投射不同疏密程度的二维点阵形，实现多种空间分辨率的三维数字成像；

3)为了获得足够高得空间分辨率，本发明投射的二维点阵可以在垂直于光轴的平面内做两维数字移动，最小移动步长为1个像素，以填补由于离散而丢失的其它空间点的深度信息，获得高空间分辨率。

附图说明

图1是投影在参考平面上点阵成像的原理图。

图2是投影在任意曲面的三维物体上点阵成像的原理图。

图3是本发明的点阵成像结构示意图。

图4是本发明所投射的二维空间点阵示意图。

图5对一个人头部模型实际测量时点阵投射照明的图像。图中的方框为计算深度时选择的范围。

图6是对图5中人头部模型所选范围内实际测量的三维数字像。

图7是一个台阶状物体实际测量时点阵投射照明的图像。

图8是对图7中台阶状物体实际测量的结果。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

附图1是投影在参考平面上点阵成像的结构示意图。点P是数字投影照明发射器的出瞳，Po为投影光轴，投影光线PP₁、PP₂和PP₃与参考平面R的交点确定了投射的二维空间点阵在参考平面上的位置。点I是图像传感接收器的入瞳，Io为成像光轴，它与投影光轴的夹角为α，Ip是图像传感接收器平面相对于点I的对称平面，根据透视投影的原理，点阵在图像传感接收器上成像的位置可以通过计算成像光线与平面I_p的交点的位置得到。

在此成像系统中，投射在参考平面上的点阵的成像过程可以分为三个步骤：

首先，把物坐标系xyz绕y轴正向旋转α角，变换为坐标系x′y′z′，使新坐标系的z′o′轴与成像光轴Io重合；

然后，把坐标系x′y′z′沿z′轴负向平移L，使图像传感接收器的入瞳I为坐标原点，变换后的坐标系为x_py_pz_p；

最后，在坐标系x_py_pz_p下做透视投影，透视投影平面I_p与z_p轴垂直，在距原点F(焦距)的位置上，它与图像传感接收器平面相对于x_po_py_p对称。

那么，经过上述步骤一和二后，可得到参考平面R(z＝0)在x_py_pz_p坐标系下的坐标可表示为：

其中α为投影光轴Po和成像光轴Io之间的夹角；L为图像传感接收器的入瞳I与照明场的中心o之间的距离；Δx为投影在参考平面R上的点阵沿x方向的间距；k_x取整数，为Δx所乘系数，用来表示不同点在物坐标系下的x坐标值。

然后在坐标系x_py_pz_p下做透视投影，即可确定该点阵在平面I_p上的位置：

$\frac{x_s}{z_s}=\frac{x_{p0}}{F}\⇒x_{p0}=\frac{k_x\mathrm{\Δ}x\cos \mathrm{\α}}{L-k_x\mathrm{\Δ}x\sin \mathrm{\α}}F---\left(2\right)$

其中F为成像系统的焦距。

对于一个三维被测物体，如图2所示，是投影在任意曲面的三维物体上点阵成像的结构示意图。与图1中相同的投射光线PP₁、PP₂和PP₃与被测物体表面的相交与点B₁、B₂和B₃，这些交点确定了投射的二维空间点阵在物体表面S上的空间位置。投射在物体表面S的点阵同样经过上述三个步骤，成像在图像传感接收器上。此时可以得到S上的点阵在x_py_pz_p坐标系下的坐标：

那么在坐标系x_py_pz_p下做透视投影，可得出物体表面上的点阵在透视投影平面I_p上的位置：

$x_p=\frac{x_b}{z_b}{z}_p=\frac{x\cos \mathrm{\α}+z\sin \mathrm{\α}}{L-x\sin \mathrm{\α}+z\cos \mathrm{\α}}F---\left(4\right)$

根据式(2)、(4)可得到两个点阵中相对应点形成的“点阵对”之间在x方向的位置差Δx_p：

                                  Δx_p＝x_p-x_p0         (5)

其中Δx_p的计算表达式中包含有它与物体在该点深度值之间的关系，从而得到物体深度值的计算表达式。在光学系统的参数为已知的情况下，所有“点阵对”之间在x方向的位移可结合参考平面的点阵图像和被测物体表面上的点阵图像计算得到，计算出物体表面上所有离散点的深度值，从而获得物体的深度像。

具体实施方式

按照上述方法，实现空间点阵投影的三维数字成像的装置，主要包括数字投影照明发射器、图像传感接收器和图像处理器。所说的数字投影照明发射器可以是数字液晶投影装置(LCD投影仪)，数字微镜投影装置(DMD投影仪)或硅基片液晶投影装置(LCOS投影仪)，可用计算机图像处理系统方便地生成不同疏密程度的二维点阵图形并写入数字投影装置；所说的图像传感接收器包括光学成像透镜与光电探测器构成，光学成像透镜可以是定焦距或变焦距的成像透镜或透镜组，二元光学成像系统，衍射元件成像系统，显微成像系统；所说的光电探测器件可以是电荷耦合器件，液晶器件，空间光调制器件，CMOS器件或数码相机。所说的图像处理器是数字信号处理器与可编程专用集成电路的组合，也可以是通用图像处理卡和计算机组合构成。其特征在于，数字投影照明发射器投射二维空间点阵，图像传感接收器放置在点阵照明场的中心所处的水平面内，并偏转一定的角度，使它的光轴与点阵照明场的中心处于一条直线。

下面结合附图对实施例作进一步的描述。

如附图3所示，数字投影照明发射器101的投影镜102的出瞳P、图像传感接收器103的成像透镜104的入瞳I和照明场的中心o位于同一平面内，并构成一个三角形，投影光轴Po与成像光轴之Io间的夹角为α，以PI之间的连线为基线，它和投射在物体的所有点阵的中心构成了若干三角形，形成了三角测量系统。数字投影照明发射器101所需的二维空间点阵图由图像处理器105的计算机或数字信号处理器产生，二维点阵分别投射在参考平面106和物体107的表面S，参考平面上的规则点阵和表征任意自由表面物体形貌的深度信息的变形点阵，分别通过图像传感接收器103接收，并传送到图像处理器107，通过比较参考平面和被测物体表面上点阵分别在图像传感接收器上形成的点阵像相对应点阵的位置差异，计算被测物体的深度值。

图4是本发明所投射的一个二维空间点阵示例，点阵的疏密程度，根据被测物体表面的复杂程度调整，可以投射多种疏密程度的点阵，实现多种空间分辨率的三维数字成像。

图5对一个人头部模型实际测量时点阵投射照明的图像。图中的方框为计算深度时选择的范围。

图6是对图5中人头部模型所选范围内实际测量的三维数字像。

图7是一个台阶状物体实际测量时点阵投射照明的图像。

图8是对图7中台阶状物体实际测量的结果。

Claims (3)

1、一种基于空间点阵投影的三维数字成像方法，该方法采用包括数字投影照明发器、图像传感接收器和图像处理器的成像装置；偏转图像传感接收器使其光轴与投影点阵照明视场中心位于同一直线，数字投影照明发射器的出瞳、图像传感接收器的入瞳和照明场的中心构成一个三角形，以数字投影照明发射器的出瞳与图像传感接收器的入瞳之间的连线为基线，它和投射在物体上点阵中的所有点的中心构成了若干三角形，形成了三角测量系统，其特征是：根据仿射变换的原理，分别投影在参考平面和被测物体表面的编码点阵，经过坐标旋转、平移和透视投影变换，可分别得到参考平面和被测物体表面上的编码点阵在图像接收传感器平面上的空间坐标的解析式，并可进一步得到上述两个点阵相对应点之间在成像平面x方向上的位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系；从而数字投影照明发射器投射二维空间点阵结构光照明，在图像接收传感器得到参考平面的点阵图像和投射在被测物体表面上的点阵图像，椐已知系统光路几何参数，图像处理器可计算点阵图像相应点之间在x方向上的位置差，再根据位置差与被测物体在相应点处深度值之间的关系计算出物体的深度图像。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是：二维空间点阵结构光投射不同疏密程度的二维点阵图形，可实现多种空间分辨率的三维数字成像。

3、权利要求1所述的方法，其特征是：投射的二维点阵在垂直于光轴的平面内做两维数字移动，最小移动步长为1个像素，以填补由于离散而丢失的其它空间点的深度信息，可获得高空间分辨率。

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