CN2906685Y

CN2906685Y - 一种三维数码相机

Info

Publication number: CN2906685Y
Application number: CN200620103529.7U
Authority: CN
Inventors: 周劲
Original assignee: HANGZHOU SHINING-TECH Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Shining 3D Technology Co., Ltd.
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2016-05-10

Abstract

本实用新型涉及一种三维数码相机，包括数码相机、光栅投影仪、控制系统，所述的数码相机包括镜头、感光元件，存储器，所述的控制系统分别连接数码相机和光栅投影仪，所述的镜头前方设有分光装置，所述的分光装置具有多光路通道，所述的多光路通道具有同一光路出口，所述的光路出口连通镜头；所述的光栅投影仪设在分光装置的一侧，所述的光栅投影仪与所述镜头的纵向存在夹角。本实用新型的三维数码相机结构简单、取像时间短、模型精度高，可以准确地得到人体面部和至少一侧耳部的信息。采用分光装置后，由于采用的多光路通道为物理结构，不存在不同步的问题，因而硬件成本也大大降低。

Description

一种三维数码相机

(一)技术领域

本实用新型涉及一种三维数码相机。

(二)背景技术

三维扫描仪(3D Scanner)又称为三维数字化仪(3D Digitizer)或三维相机(3D Camera)，在以下的描述中，将其通称为三维相机(3DCamera)，它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息(或黑白信息)转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。目前在国内外，三维相机已被广泛用于人体胸部以上(有时专注于头部)的模型捕捉，并进而用于其他各行各业的二次模型开发。

用于三维建模的设备所采用的方法多种多样，有破坏性的，也有非接触式的。基于计算机视觉原理提出了多种三维信息获取原理。这包括单目视觉法，立体视觉法(包括双目、多目视觉法)，从轮廓恢复形状法，从运动恢复形状法，结构光法，编码光法等。其中的结构光法，编码光法成为目前多数三维扫描设备的基础。

在三维相机中，技术应用最为成熟要算结构光法和双目视差法。其中又以结构光法应用最为广泛。

结构光法的基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取物体的几何信息，是一种既利用图像又利用可控光源的测距技术。它将具有特殊结构形状的光源投射到待测物体上，形成光条纹，根据光源与相机的相对位置，按照计算机视觉理论，由光条纹的形状可以计算出被照射点的三维坐标，这种方法又称为光条法。从光源的几何形状上说，结构光有点状、条状、网状等多种，可以采用激光或白光作为光源。

使用这种方法的三维相机，其实现方法是这样的：在三维相机内部放置一个稳定的光源，当相机工作后，光源便会开启，产生稳定的白色光。在这一光源的正前方，放置有一光栅片。白光将光栅投影在被捕捉物体表面，通过相应三维软件中得到被测物体的模型。采用这种方法的相机的一个缺点是，当相机工作的时候，需要将光栅持续地投影在物体表面，持续时间长。当其用于捕捉人的三维模型时，由于时间长，难以保证人的位置不发生改变，从而影响模型效果，同时由于投影光栅时使用强烈的白光，会使人感到刺眼、不适。采用这种方法同时存在不可视区，也受到物体表面反射特性的影响。

双目视差法属于立体视差法，它根据钢体运动方程测量原理，利用对应点的视差可以计算视野范围内的立体信息，用于双目和多目视觉。这种方法模拟人的视觉方式，用两部位于不同位置的相机对同一目标拍摄两幅图像，得到一组“像对”。对于目标上的一个采样点，它在两幅图像上都成像，根据它在两幅图像中的像点和相机位置，可以引出两条“视线”，计算它们的交会点坐标，就是采样点的空间坐标。人类视觉系统对于深度的感知就部分地基于这一原理。这种方法对应用场合要求较宽松，一次能获得一块区域的三维信息，特别是具有不受物体表面反射特性影响的优点。

目前采用双目视差法来获取三维模型的最常用方法是，采用左右两个数码相机镜头，将光栅投影仪放置在左右两镜头的中间，使用这种方法并加以软件的配合是可以得到三维模型的，但该方法存在的主要缺点是：由于光栅只能正面投影于人体面部，使得相机取像范围很小，人的两侧耳朵都无法捕捉到。另外，两个镜头的同步性解决非常困难，而且成本很高。

(三)实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能够准确地得到人体三维图像的三维数码相机。

所述的三维数码相机，包括数码相机、光栅投影仪、控制系统，所述的数码相机包括镜头、感光元件，存储器，所述的控制系统分别连接数码相机和光栅投影仪，所述的镜头前方设有分光装置，所述的分光装置具有多光路通道，所述的多光路通道具有同一光路出口，所述的光路出口连通镜头；所述的光栅投影仪设在分光装置的一侧，所述的光栅投影仪与所述镜头的纵向存在夹角。

进一步，所述的分光装置具有左光路通道、右光路通道，所述的左光路通道、右光路通道沿所述的镜头纵向中心线对称，所述的左光路通道、右光路通道成30～90°夹角。

再进一步，所述的分光装置包括第一反射镜组、第二反射镜组，所述的第一反射镜组包括第一左反射镜、第一右反射镜，所述的第二反射镜组包括第二左反射镜、第二右反射镜，所述的第一左反射镜与第二左反射镜存在0～50°的夹角，第一左反射镜与第二左反射镜之间构成左光路通道；所述的第一右反射镜与第二右反射镜存在0～50°的夹角，第一右反射镜与第二右反射镜之间构成右光路通道。采用上述的两反射镜组后，由于左光路通道、右光路通道沿所述的镜头纵向中心线对称，此时被测物体分别经左光路通道和右光路通道后成像的区域相同。

进一步，所述的第一左反射镜与第二左反射镜平行，所述的第一右反射镜与第二右反射镜平行。

再进一步，所述的第一左反射镜与第一右反射镜成90°夹角，所述的第二左反射镜与第二右反射镜成90°夹角。

所述的光栅投影仪与所述镜头的纵向夹角因拍摄物体与相机的距离和相对位置不同而不同，通常选择的夹角为1～10°。

本实用新型的相机采用了双目视差法和光栅辅助定位相结合的原理，采用分光装置将一部相机的光路分成多个光路(如可以是左、右两路)，同时将光栅投影仪放置于分光装置一侧，并且成一小角度(1～10°)倾斜放置，这样当投影于人体面部时，便可以很好的投影在脸部和一侧耳朵。如此，使用者可以得到真实的人体头部的三维模型，这一模型可以真实地反映脸部细节和至少一侧的耳部。由于通常人的左右耳朵是对称的，如果远离光栅一侧的耳部没有很好地生成立体模型，我们也可以通过软件将一侧耳朵镜像于另一侧，这样得到的模型同样可以保证是真实的三维模型。

采用本实用新型的相机进行拍照时，物体(人体)置于分光装置的正前方，启动三维数码相机，执行拍摄命令，数码相机在控制系统的作用下，先在投影仪关闭时拍摄一幅物体的纹理图像，然后在投影仪开启时拍摄一幅物体的光栅图像，从而分别记录下被测物体的纹理和光栅信息。拍摄两幅图像的时间间隔可因具体情况而定，但一般应选择不超过人体的反应时间，如0.6s是比较优选的时间间隔。物体(人体)上的每一个采样点可以得到一组“像对”，根据每个采样点在两幅图像中的像点和投影仪相对于数码相机的位置(距离、角度)，可以进行计算得到三维模型。

本实用新型的三维数码相机结构简单、取像时间短、模型精度高，可以准确地得到人体面部和至少一侧耳部的信息。采用分光装置后，由于采用的多光路通道为物理结构，不存在不同步的问题，因而硬件成本也大大降低。

(四)附图说明

图1为实施例1所述三维数码相机的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

参照图1，一种三维数码相机，包括数码相机1、光栅投影仪2、控制系统3，数码相机1包括镜头4、感光元件，存储器，控制系统3分别连接数码相机1和光栅投影仪2，镜头4的前方设有分光装置，分光装置具有左光路通道9、右光路通道10，左光路通道9、右光路通道10沿镜头纵向中心线对称，左光路通道9、右光路通道10成90°夹角。左光路通道9、右光路通道10具有同一光路出口，光路出口连通镜头4；光栅投影仪2设在分光装置的一侧，光栅投影仪2与所述镜头4的纵向成3°夹角。

所述的分光装置包括第一反射镜组、第二反射镜组，第一反射镜组包括第一左反射镜5、第一右反射镜6，第二反射镜组包括第二左反射镜7、第二右反射镜8，第一左反射镜5与第二左反射镜7平行，第一左反射镜5与第二左反射镜7之间构成左光路通道9；第一右反射镜6与第二右反射镜8平行，第一右反射镜6与第二右反射镜8之间构成右光路通道10。第一左反射镜5与第一右反射镜6成90°夹角，第二左反射镜7与第二右反射镜8也成90°夹角。

采用本实用新型的相机进行拍照时，物体(人体)置于分光装置的正前方，在控制系统3控制下，启动数码相机1，打开镜头4，按动快门，感光元件感光，存储器记录下第一幅图像；随后光栅投影仪2开启，感光元件再次感光，存储器记录下第二幅图像。拍摄两幅图像的时间间隔为0.6s。

由本实用新型的三维数码相机得到两幅图像后，可以将图像传输到计算机中，根据每个采样点在两幅图像中的像点和投影仪相对于数码相机的位置(距离、角度)，通过计算机软件计算并进而得到三维模型。

Claims

1、一种三维数码相机，包括数码相机、光栅投影仪、控制系统，所述的数码相机包括镜头、感光元件，存储器，所述的控制系统分别连接数码相机和光栅投影仪，其特征在于：

所述的镜头前方设有分光装置，所述的分光装置具有多光路通道，所述的多光路通道具有同一光路出口，所述的光路出口连通镜头；所述的光栅投影仪设在分光装置的一侧，所述的光栅投影仪与所述镜头的纵向存在夹角。

2、如权利要求1所述的三维数码相机，其特征在于：所述的分光装置具有左光路通道、右光路通道，所述的左光路通道、右光路通道沿所述的镜头纵向中心线对称，所述的左光路通道、右光路通道成30～90°夹角。

3、如权利要求2所述的三维数码相机，其特征在于：所述的分光装置包括第一反射镜组、第二反射镜组，所述的第一反射镜组包括第一左反射镜、第一右反射镜，所述的第二反射镜组包括第二左反射镜、第二右反射镜，所述的第一左反射镜与第二左反射镜存在0～50°的夹角，第一左反射镜与第二左反射镜之间构成左光路通道；所述的第一右反射镜与第二右反射镜存在0～50°的夹角，第一右反射镜与第二右反射镜之间构成右光路通道。

4、如权利要求3所述的三维数码相机，其特征在于：所述的第一左反射镜与第二左反射镜平行，所述的第一右反射镜与第二右反射镜平行。

5、如权利要求3所述的三维数码相机，其特征在于：所述的第一左反射镜与第一右反射镜成90°夹角，所述的第二左反射镜与第二右反射镜成90°夹角。

6、如权利要求1～5之一所述的三维数码相机，其特征在于：所述的光栅投影仪与所述镜头的纵向成1～10°夹角。