專利名稱：基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
激光三角空間掃描是一種采用激光探測環(huán)境的主動(dòng)空間掃描方法，其原理如圖I所示。激光發(fā)射器101發(fā)出一束激光在物體上形成一個(gè)光斑點(diǎn)，并使用一個(gè)數(shù)字相機(jī)(鏡頭組102與圖像傳感器103)來尋找該點(diǎn)的位置。取決于物體表面點(diǎn)與激光發(fā)射器的距離，光斑點(diǎn)的像出現(xiàn)在相機(jī)視場的不同位置。此方法中激光發(fā)射器101、光斑點(diǎn)與圖像傳感器103構(gòu)成一個(gè)三角形。三角形的一邊即激光發(fā)射器101與傳感器103的距離是已知的，激光發(fā)射器101角的角度也是已知的。光斑點(diǎn)在相機(jī)視場中的位置則可計(jì)算出傳感器103角的角度，這三個(gè)數(shù)值完全確定了一個(gè)三角形，因此可以計(jì)算出光斑點(diǎn)一角的實(shí)際空間位置。此 的坐標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種彩色圖像采集裝置，采集到更加真實(shí)的彩色圖像，解決探測器與傳感器空間位置相對固定的限制，實(shí)現(xiàn)便攜手持掃描；并且解決點(diǎn)掃描的效率問題，每一次采樣可重構(gòu)出一條空間曲線的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速掃描。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，由激光二極管與光學(xué)鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學(xué)鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、夕卜部存儲(chǔ)芯片、接口控制器組成；手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標(biāo)物體上形成空間曲線，空間曲線透過光學(xué)鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時(shí)鐘和必要的控制信號，并將兩個(gè)傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片302中，用于計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)，圖像處理芯片計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機(jī)作進(jìn)一步處理。基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法，采用手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標(biāo)物體上形成空間曲線；使空間曲線透過光學(xué)鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時(shí)鐘和必要的控制信號，并將兩個(gè)傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片中，用于計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)，圖像處理芯片計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機(jī)作進(jìn)一步處理；計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)包括如下步驟光學(xué)鏡頭組有效焦距為f，設(shè)在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為
a = f+p(I)b = f+q(2)又由光路中的三角相似關(guān)系及式⑴(2)整理得到1/f = l/a+1/b(3)以安裝在一個(gè)可調(diào)直角支架上的兩片圖像傳感器、光學(xué)鏡頭組、被測物體建立一個(gè)笛卡爾空間坐標(biāo)系，原點(diǎn)為O;—個(gè)傳感器與光學(xué)鏡頭組在Y軸上，坐標(biāo)為(0，a, O)并且軸線與Y軸重合；另一個(gè)傳感器與光學(xué)鏡頭組在X軸上，坐標(biāo)為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；光學(xué)鏡頭組的焦距為f，則由式(3)可計(jì)算得到b的值；手持探測器發(fā)出帶狀激光射向目標(biāo)，在某一時(shí)刻目標(biāo)表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器捕獲到，采用專用圖像處理芯片將依靠存儲(chǔ)在外存中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條 空間曲線，步驟如下I)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標(biāo)，每個(gè)坐標(biāo)對應(yīng)物體表面的一個(gè)興趣點(diǎn)；2)對于一個(gè)傳感器捕獲的任意興趣點(diǎn)的投影(Xl，yi)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(diǎn)(0，a,O)確定了一條空間直線V，該直線在另一個(gè)傳感器上的投影與其捕獲曲線的交點(diǎn)(x2，y2)為當(dāng)前興趣點(diǎn)在另一個(gè)傳感器上的投影，(x2，y2)的值由另一個(gè)傳感器捕獲的興趣點(diǎn)集中與ν最近的兩個(gè)點(diǎn)插補(bǔ)得到；3)設(shè)物體表面當(dāng)前興趣點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(X，y, z)，由空間幾何關(guān)系得到χ : X1 = (a-y) : b(4)y ； X2 = (a_x) : b(5)z ； Y1 = (a-y) : b(6)整理得χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7)y = a OdX2-X1X2) / (Id2-X1X2)(8)z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9)4)對一個(gè)傳感器捕獲的所有投影點(diǎn)進(jìn)行以上操作，得到一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)；5)對于另一個(gè)傳感器捕獲的任意投影點(diǎn)(x2，y2)，同樣有χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10)y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11)z = a ^y2-Y2X1) / (Id2-X1X2)(12)重復(fù)I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)；6)對4)和5)的結(jié)果進(jìn)行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)；兩個(gè)圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片重構(gòu)出一組空間曲線點(diǎn)云，用戶通過揮動(dòng)手持探測器描過目標(biāo)，可重構(gòu)出目標(biāo)表面的點(diǎn)云坐標(biāo)，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度；點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過接口控制器上傳至計(jì)算機(jī)可作進(jìn)一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果本發(fā)明使用2個(gè)圖像傳感器和定制的專用圖像處理芯片完成空間曲面的掃描與重構(gòu)，目標(biāo)物體、傳感器支架與探測器的相對位置可以不固定，掃描區(qū)域與采樣密度可人為控制，具有靈活性和便攜性；并且單次采樣即可重構(gòu)出一條空間曲線，相對于傳統(tǒng)的方法提高了效率。本技術(shù)可直接應(yīng)用于影視娛樂的3D掃描系統(tǒng)中，適合對于便攜及興趣區(qū)域可控性有特殊要求的應(yīng)用場合。


圖I為現(xiàn)有激光三角法重構(gòu)物體表面的原理示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施辦法的示意圖；圖3為本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖4為本發(fā)明中單個(gè)傳感器等效光路的示意圖；圖5為本發(fā)明在圖像處理中使用的坐標(biāo)系示意圖； 圖6為本發(fā)明中兩個(gè)圖像傳感器在某一時(shí)刻捕獲的圖像數(shù)據(jù)及計(jì)算原理示意圖；圖7為本發(fā)明對物體表面重構(gòu)后的3D多邊形示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施辦法如圖2所示，由激光二極管與光學(xué)鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置201產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標(biāo)物體上形成一條空間曲線202，空間曲線透過光學(xué)鏡頭組203和204在圖像傳感器205和206上形成不同的像，并捕獲。用戶通過揮動(dòng)手持探測裝置201描過感興趣的區(qū)域，捕獲足夠多的準(zhǔn)連續(xù)的空間曲線，從而重構(gòu)出空間曲面。本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩片圖像傳感器在定制的專用圖像處理芯片301的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集。上述專用圖像處理芯片可以是專門設(shè)計(jì)的集成電路芯片，也可以是用通用的FPGA芯片進(jìn)行編程得到的。圖像處理芯片在本發(fā)明中采用FPGA編程得到，這個(gè)FPGA芯片在本例中選用xilinx公司的virtex_5芯片。圖像處理芯片301為圖像傳感器提供參考時(shí)鐘和必要的控制信號，并將兩個(gè)傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片302中，用于計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)，計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器303中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機(jī)作進(jìn)一步處理。下面介紹分立空間曲線上采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算。首先考慮單個(gè)傳感器的光路圖，如圖4所示，鏡頭組203和204可等效為一片凸透鏡，其有效焦距為f，設(shè)在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為a = f+p(I)b = f+q(2)又由光路圖中的三角相似關(guān)系及式⑴(2)整理得到1/f = l/a+1/b(3)傳感器205和206安裝在一個(gè)可調(diào)直角支架上，建立一個(gè)笛卡爾空間坐標(biāo)系，如圖5所示，原點(diǎn)為O ;傳感器205與鏡頭組203在Y軸上，坐標(biāo)為(0，a, O)并且軸線與Y軸重合；傳感器206與鏡頭組204在X軸上，坐標(biāo)為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；設(shè)兩組鏡頭203和204的焦距f已知，則由式(3)可計(jì)算得到b的值。手持探測器201發(fā)出帶狀激光射向目標(biāo)，在某一時(shí)刻目標(biāo)表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器205和206捕獲到，如圖6所示。專用圖像處理芯片301將依靠存儲(chǔ)在外存302中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條空間曲線，原理如下7)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標(biāo)，每個(gè)坐標(biāo)對應(yīng)物體表面的一個(gè)興趣點(diǎn)；8)對于傳感器205捕獲的任意興趣點(diǎn)的投影(Xl，yi)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(diǎn)(0，a,O)確定了一條空間直線V，該直線在傳感器206上的投影與其捕獲曲線的交點(diǎn)(x2, I2)為當(dāng)前興趣點(diǎn)在傳感器206上的投影，(x2，y2) 的值由傳感器206捕獲的興趣點(diǎn)集中與ν最近的兩個(gè)點(diǎn)插補(bǔ)得到。9)設(shè)物體表面當(dāng)前興趣點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(X，y, z)，由空間幾何關(guān)系得到χ : X1 = (a-y) : b(4)y ； X2 = (a_x) : b(5)z ； Y1 = (a-y) : b(6)整理得χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7)y = a OdX2-X1X2) / (Id2-X1X2)(8)z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9)10)對傳感器205捕獲的所有投影點(diǎn)進(jìn)行以上操作，得到一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)；11)對于傳感器206捕獲的任意投影點(diǎn)(x2，y2)，同樣有χ = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10)y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11)z = a ^y2-Y2X1) / (Id2-X1X2)(12)重復(fù)I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)；12)對4)和5)的結(jié)果進(jìn)行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)；兩個(gè)圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片301重構(gòu)出一組空間曲線點(diǎn)云，用戶通過揮動(dòng)手持探測器201描過目標(biāo)，可重構(gòu)出目標(biāo)表面的點(diǎn)云坐標(biāo)，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過接口控制器303上傳至計(jì)算機(jī)可作進(jìn)一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，保存為通用的OBJ格式，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面，效果如圖7所示。本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施方式如圖2與圖3所示，由激光二極管與光學(xué)鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置201產(chǎn)生帶狀激光投射向目標(biāo)物體上形成空間曲線202，反射被兩片互相垂直的面陣圖像傳感器205和206與光學(xué)鏡頭203和204構(gòu)成采集裝置所接收，數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片302中，經(jīng)圖像處理芯片301作重構(gòu)計(jì)算后，得到的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器303中發(fā)送。本發(fā)明應(yīng)用于三維表面掃描中，可實(shí)現(xiàn)興趣區(qū)域的三維多邊形重構(gòu)，特別適合于可移動(dòng)的三維掃描系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，其特征是，由激光二極管與光學(xué)鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學(xué)鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、外部存儲(chǔ)芯片、接口控制器組成；手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標(biāo)物體上形成空間曲線，空間曲線透過光學(xué)鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時(shí)鐘和必要的控制信號，并將兩個(gè)傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片302中，用于計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)，圖像處理芯片計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機(jī)作進(jìn)一步處理。
2.一種基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)方法，其特征是，采用手持探測裝置產(chǎn)生低功率的帶狀激光，投射在目標(biāo)物體上形成空間曲線；使空間曲線透過光學(xué)鏡頭組在圖像傳感器上成像，兩片圖像傳感器在專用圖像處理芯片的控制下，以相同的采樣率作連續(xù)采集，圖像處理芯片為圖像傳感器提供參考時(shí)鐘和必要的控制信號，并將兩個(gè)傳感器捕獲到的圖像數(shù)據(jù)暫存于外部存儲(chǔ)芯片中，用于計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)，圖像處理芯片計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入到接口控制器中，并通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送到上位機(jī)作進(jìn)一步處理；計(jì)算空間點(diǎn)云坐標(biāo)包括如下步驟 光學(xué)鏡頭組有效焦距為f，設(shè)在焦前有限距離P的物體，于焦后距離為q的平面成像，物體與鏡頭組的距離a和鏡頭組與圖像傳感器的距離b表示為a = f+p(I) b = f+q(2) 又由光路中的三角相似關(guān)系及式(I) (2)整理得到 I/f = l/a+1/b(3) 以安裝在一個(gè)可調(diào)直角支架上的兩片圖像傳感器、光學(xué)鏡頭組、被測物體建立一個(gè)笛卡爾空間坐標(biāo)系，原點(diǎn)為O ;—個(gè)傳感器與光學(xué)鏡頭組在Y軸上,坐標(biāo)為(0, a,0)并且軸線與Y軸重合；另一個(gè)傳感器與光學(xué)鏡頭組在X軸上，坐標(biāo)為(a，0，0)并且軸線與X軸重合；光學(xué)鏡頭組的焦距為f，則由式(3)可計(jì)算得到b的值； 手持探測器發(fā)出帶狀激光射向目標(biāo)，在某一時(shí)刻目標(biāo)表面反射激光形成的曲線被圖像傳感器捕獲到，采用專用圖像處理芯片將依靠存儲(chǔ)在外存中的這兩幀圖像重構(gòu)出一條空間曲線，步驟如下 1)通過加權(quán)平均法得到曲線在每行像素上的坐標(biāo),每個(gè)坐標(biāo)對應(yīng)物體表面的一個(gè)興趣占. 2)對于一個(gè)傳感器捕獲的任意興趣點(diǎn)的投影(U1)與垂直距離為b處的鏡頭中心點(diǎn)(0，a，0)確定了一條空間直線V，該直線在另一個(gè)傳感器上的投影與其捕獲曲線的交點(diǎn)(x2，I2)為當(dāng)前興趣點(diǎn)在另一個(gè)傳感器上的投影，(x2，y2)的值由另一個(gè)傳感器捕獲的興趣點(diǎn)集中與V最近的兩個(gè)點(diǎn)插補(bǔ)得到； 3)設(shè)物體表面當(dāng)前興趣點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(x，y，z)，由空間幾何關(guān)系得到 X : X1 = (a-y) b(4) y : X2 = (a-x) b(5) z Y1 = (a-y) b(6) 整理得X = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(7) y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(8) z = B^y1-Y1X2)/ (Id2-X1X2)(9) 4)對一個(gè)傳感器捕獲的所有投影點(diǎn)進(jìn)行以上操作，得到一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)； 5)對于另一個(gè)傳感器捕獲的任意投影點(diǎn)(x2，y2)，同樣有 X = B^X1-X1X2)/ ^2-X1X2)(10) y = B^X2-X1X2)/ ^2-X1X2)(11) z = B^y2-Y2X1)/ (Id2-X1X2)(12) 重復(fù)I)至4)提及的處理，得到另一組空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)； 6)對4)和5)的結(jié)果進(jìn)行誤差消除處理，得到最終的空間曲線點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)； 兩個(gè)圖像傳感器205和206作同步的連續(xù)采樣，每采樣一次，圖像處理芯片重構(gòu)出一組空間曲線點(diǎn)云，用戶通過揮動(dòng)手持探測器描過目標(biāo)，可重構(gòu)出目標(biāo)表面的點(diǎn)云坐標(biāo)，對于興趣區(qū)域可作多次掃描以產(chǎn)生出更密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以提高重構(gòu)精度；點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過接口控制器上傳至計(jì)算機(jī)可作進(jìn)一步誤差和冗余數(shù)據(jù)消除并連接成多邊形，得到的多邊形在用戶軟件的協(xié)助下可重構(gòu)出更理想的曲面。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。為提供一種彩色圖像采集裝置，采集到更加真實(shí)的彩色圖像，解決探測器與傳感器空間位置相對固定的限制，實(shí)現(xiàn)便攜手持掃描；并且解決點(diǎn)掃描的效率問題，每一次采樣可重構(gòu)出一條空間曲線的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速掃描。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于雙圖像傳感器的空間曲面掃描與重構(gòu)裝置，由激光二極管與光學(xué)鏡片組構(gòu)成的手持探測裝置、光學(xué)鏡頭組、圖像傳感器、專用圖像處理芯片、外部存儲(chǔ)芯片、接口控制器組成。本發(fā)明主要應(yīng)用于數(shù)字圖像處理、便攜手持掃描。
文檔編號G01B11/25GK102706275SQ201210146138
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者史再峰, 葉穎聰, 姚素英, 徐江濤, 聶凱明, 高志遠(yuǎn), 高靜 申請人:天津大學(xué)