專利名稱：一種拍攝三維還原重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系一種三維還原重建方法，尤其是涉及包括遠(yuǎn)距離進(jìn)行拍攝還原重建的一種方法。
背景技術(shù)：
三維重建技術(shù)是目前全球范圍最具吸引力的課題之一，世界各國(guó)投巨資在追求和提高更加逼真的還原質(zhì)量，更加快速的重建速度。所謂全息三維重建技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及光學(xué)成像原理，獲取三維空間物體圖像，數(shù)字化測(cè)量及還原重建的方法和裝置。
常規(guī)的方法是通過(guò)至少兩臺(tái)嚴(yán)格精確定位的圖像傳感器對(duì)同一物體進(jìn)行成像獲得相對(duì)應(yīng)的兩幅圖像傳送給計(jì)算機(jī)，根據(jù)光學(xué)成像原理計(jì)算確定空間物體上任一定標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)幾何參數(shù)，由計(jì)算機(jī)建立數(shù)字模型，繼而還原重建原物體。為了獲取高保真的被攝物還原體，現(xiàn)有技術(shù)要求兩臺(tái)相機(jī)精確定位，保持兩臺(tái)相機(jī)靜止不動(dòng)，嚴(yán)格測(cè)試兩者的精確距離，但是兩臺(tái)相機(jī)大量的零部件加工、組裝、裝配及拍攝等等因素，不可能沒(méi)有誤差，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力距離精度由毫米縮小至微米，至數(shù)十絲，幾近機(jī)械概念上的極限值，已難再有突破。相機(jī)間相互的絲毫誤差，導(dǎo)致測(cè)量、計(jì)算出的物體還原數(shù)據(jù)誤差被很大倍數(shù)放大，重建物體難以避免變形、失真。因此，本領(lǐng)域在努力尋找探索更好的還原重建手段和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能很大程度提高三維還原重建的精度和速度的一種方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種拍攝三維還原重建方法，其特征在于所述重建方法包括①內(nèi)部標(biāo)定、②外部標(biāo)定、③拍攝、④獲取圖像及圖像處理和⑤三維重建五部分；所述①內(nèi)部標(biāo)定測(cè)量數(shù)碼相機(jī)的像距、焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度；測(cè)量光干涉源的像距和焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度；所述內(nèi)標(biāo)定參數(shù)的取得需符合透視投影原理，光學(xué)成像原理。所述②外部標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)和絕對(duì)姿態(tài)參數(shù)，包括數(shù)碼相機(jī)與X、Y、Z軸的夾角Z X、Z Y、Z Z，光干涉源的夾角Z X、Z Y、Z Z，以及數(shù)碼相機(jī)和光干涉源之間的距離及聚焦參數(shù)；所述③拍攝設(shè)置數(shù)碼相機(jī)與光干涉源的拍攝參數(shù)，達(dá)到抑制噪聲，達(dá)到獲得高銳度圖像及真彩色還原，數(shù)碼相機(jī)在光干涉源照射下對(duì)被攝物拍攝；所述④獲取圖像及圖像處理對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取被攝物表面在光柵映射下的特征信息，包括光柵條的二值數(shù)據(jù)、邊緣和中線，實(shí)現(xiàn)多種圖像格式的輸出；所述⑤三維重建讀?、賰?nèi)部標(biāo)定中參數(shù)和②外部標(biāo)定中參數(shù)，再調(diào)用④獲取圖像及處理后的圖像，完成像素點(diǎn)對(duì)體視匹配，實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)對(duì)三維重建及色彩還原，輸出包括點(diǎn)云、三角面格式及大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)、調(diào)取、瀏覽、處理。進(jìn)一步，所述⑤三維重建，采用由浙江華震數(shù)字化工程有限公司市場(chǎng)出售的還原重建數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理。進(jìn)一步，所述④獲取圖像及圖像處理采用包括Photoshop的圖像處理軟件進(jìn)行處理。進(jìn)一步，所述①內(nèi)部標(biāo)定還包括測(cè)量數(shù)碼相機(jī)的鏡頭形變、測(cè)量光干涉源鏡頭形變、投射光的強(qiáng)度及光干涉條的精度。符合透視投影原理，以提高還原的精度。所述上述內(nèi)容和步驟，可以由以下操作來(lái)實(shí)現(xiàn)所述①內(nèi)部標(biāo)定即，在一個(gè)直線上，不斷改變數(shù)碼相機(jī)與測(cè)試校正目標(biāo)板之間的 距離，可以測(cè)試和取得所述基本參數(shù)，目標(biāo)板可以是帶光源光柵的光干涉源。所述②外部標(biāo)定S卩，一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)和一臺(tái)設(shè)置在數(shù)碼相機(jī)側(cè)部的光干涉源，根據(jù)被攝物或被攝物欲重建部位的大小和距離，以及還原的精度，選擇數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼后背(CCD)密度和數(shù)碼相機(jī)鏡頭焦距，配置數(shù)碼相機(jī)和光干涉源相互的間距和夾角，達(dá)到數(shù)碼相機(jī)和光干涉源拍攝圖像存在共面，達(dá)到被還原對(duì)象部位成像面積最大程度占有數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼后背(CCD)；在光干涉源的光柵片上含有多條已知相互間距的光柵條和多個(gè)已知相互間距及特征的定標(biāo)點(diǎn)；在保持被攝物相對(duì)于數(shù)碼相機(jī)和光干涉源三者相互的位置和角度不變的情況下，在被攝物的位置放置一塊標(biāo)定板，標(biāo)定板上投影光干涉源的光柵條和定標(biāo)點(diǎn)；數(shù)碼相機(jī)對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行拍攝成像；用光學(xué)成像原理、三角函數(shù)、各定標(biāo)點(diǎn)的物距和像距值計(jì)算出數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背(CCD)和光干涉源的實(shí)際間隔距離以及相互的夾角；即所述測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)和絕對(duì)姿態(tài)參數(shù)，包括數(shù)碼相機(jī)與Χ、γ、ζ軸的夾角Z X、Z Y、Z Ζ，光干涉源的夾角Z X、Z Y、Z Ζ，以及數(shù)碼相機(jī)和光干涉源之間的距離及聚焦參數(shù)。所述③拍攝設(shè)置數(shù)碼相機(jī)與光干涉源的拍攝參數(shù)，達(dá)到抑制噪聲，達(dá)到獲得高銳度圖像及真彩色還原，數(shù)碼相機(jī)在光干涉源照射下對(duì)被攝物拍攝；所述④獲取圖像及圖像處理對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取被攝物表面在光柵映射下的特征信息，包括光柵條的二值數(shù)據(jù)、邊緣和中線，實(shí)現(xiàn)多種圖像格式的輸出；所述⑤三維重建讀?、賰?nèi)部標(biāo)定中參數(shù)和②外部標(biāo)定中參數(shù)，再調(diào)用④獲取圖像及處理后的圖像，完成像素點(diǎn)對(duì)體視匹配，實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)對(duì)三維重建及色彩還原，輸出包括點(diǎn)云、三角面格式及大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)、調(diào)取、瀏覽、處理。根據(jù)被攝物表面在光柵映射下的特征信息和光干涉源光柵條及定標(biāo)點(diǎn)的物理信息，用光學(xué)成像原理、三角函數(shù)，利用前述計(jì)算的數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背(CCD)和光干涉源的實(shí)際間隔距離以及相互的夾角，計(jì)算出被攝物表面共面像素的物理三維坐標(biāo)值，取得被攝物表面全套全息成像的信息數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果①本發(fā)明采用內(nèi)部標(biāo)定、外部標(biāo)定，提前取得相機(jī)的內(nèi)方位元素和外方位元素，便可通過(guò)反推法精確取得數(shù)碼相機(jī)和光干涉源之間的距離，為實(shí)際拍攝，還原重建提供了基礎(chǔ)，而摒棄了現(xiàn)有技術(shù)必須將兩臺(tái)相機(jī)固定，精確實(shí)際測(cè)量出相互距離為拍攝還原基礎(chǔ)的方法。②采用數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背來(lái)計(jì)算數(shù)碼相機(jī)的距離，還原精度可以精確至I個(gè)像素級(jí)，目前通用數(shù)碼相機(jī)可以達(dá)到百萬(wàn)、千萬(wàn)，上億級(jí)像素，因此，其還原數(shù)度和速度較現(xiàn)有技術(shù)采用幾何長(zhǎng)度測(cè)量、計(jì)算幾乎無(wú)可比擬。③本發(fā)明首次提出了由標(biāo)定板的標(biāo)定反推兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)距離的測(cè)試還原方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十、上百甚至更高級(jí)別的精度提高，由于采用的瞬間拍攝方法，因此可以應(yīng)用于移動(dòng)航空拍攝取樣，在三維還原領(lǐng)域中具有革命性的成果。④由本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)與一光干涉源在拍攝中出現(xiàn)共面的條件下自由擺放不受約束。


圖I是本發(fā)明拍攝三維還原重建方法的一實(shí)施方式，采用的標(biāo)定板部件的主視 圖；圖2是本發(fā)明拍攝三維還原重建方法的一實(shí)施方式，進(jìn)行標(biāo)定操作的配置示意圖；圖3是本發(fā)明拍攝三維還原重建方法的物距和數(shù)碼相機(jī)焦距的關(guān)系圖；圖4是本發(fā)明拍攝三維還原重建方法中矩形邊框?qū)嵨镌谝慌_(tái)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系圖；圖5是圖4矩形邊框的垂直線在一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系圖；圖6是圖4矩形邊框的水平線在一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系圖；圖7是兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)對(duì)目標(biāo)物在數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系圖；圖8是本發(fā)明拍攝三維還原重建方法的主要技術(shù)內(nèi)容。圖中，I為標(biāo)定板、Ia為定標(biāo)點(diǎn)、2為數(shù)碼相機(jī)、3為機(jī)架；A為左定標(biāo)點(diǎn)、B為右定標(biāo)點(diǎn)、C為右數(shù)碼相機(jī)、D為左數(shù)碼相機(jī)；al為左數(shù)碼相機(jī)至左定標(biāo)點(diǎn)距離、al'為左數(shù)碼相機(jī)至右定標(biāo)點(diǎn)距離、m為兩定標(biāo)點(diǎn)距離、a2為右數(shù)碼相機(jī)至左定標(biāo)點(diǎn)距離、a2'為右數(shù)碼相機(jī)至右定標(biāo)點(diǎn)距離、η為兩數(shù)碼相機(jī)距離；a為定標(biāo)點(diǎn)至數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背的距離(物距)、b為數(shù)碼相機(jī)的焦距；X是矩形邊框?qū)嵨锼骄€長(zhǎng)度、Y是矩形邊框?qū)嵨锎怪本€長(zhǎng)度、Z是矩形邊框?qū)嵨镯旤c(diǎn)至數(shù)碼相機(jī)鏡頭原點(diǎn)的距離；X是矩形邊框在數(shù)碼后背上成形的水平線長(zhǎng)度、y是矩形邊框在數(shù)碼后背上成形的垂直線長(zhǎng)度、z是矩形邊框在數(shù)碼后背上成形的頂點(diǎn)至數(shù)碼相機(jī)鏡頭原點(diǎn)的距離；OL是左側(cè)數(shù)碼相機(jī)，OR是右側(cè)數(shù)碼相機(jī)，P是矩形邊框?qū)嵨镯旤c(diǎn)，P’是矩形邊框在數(shù)碼后背上成形的頂點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一種拍攝三維還原重建方法數(shù)碼相機(jī)2和光干涉源固定在一定間隔距離的一個(gè)機(jī)架3上；只須固定即可，不必測(cè)量?jī)烧唛g距。在被攝物的附近放置一個(gè)標(biāo)定板1，標(biāo)定板I上配置兩個(gè)經(jīng)過(guò)測(cè)定距離的定標(biāo)點(diǎn)Ia以及至少三個(gè)不在一條直線上的黑點(diǎn)；兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)可以測(cè)定距離，至少三個(gè)點(diǎn)可以決定一個(gè)面，由面可以測(cè)定形成的夾角。數(shù)碼相機(jī)2在光干涉源照映下對(duì)標(biāo)定板I上兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)Ia及至少三個(gè)黑點(diǎn)進(jìn)行拍攝成像；通過(guò)兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)和至少不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)，可以對(duì)數(shù)碼相機(jī)2和光干涉源的距離，以及相互角度，即姿態(tài)角進(jìn)行了反向計(jì)算標(biāo)定。 在計(jì)算機(jī)中將數(shù)碼相機(jī)2的成像圖形測(cè)出各測(cè)量點(diǎn)的像距。用光學(xué)成像原理、三角函數(shù)、各定標(biāo)點(diǎn)的物距和像距值計(jì)算出數(shù)碼相機(jī)2和光干涉源的實(shí)際間隔距離以及相互的夾角。本實(shí)施例，如圖2所示，由三條邊al、a廣、m組成的Λ ADB和由a2、a2^、m組成的Λ ACB，根據(jù)三角函數(shù)等運(yùn)算，可以算出數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼后背(CCD)和光干涉源的實(shí)際間隔距離X值。根據(jù)至少三個(gè)點(diǎn)，可以是明顯的三個(gè)黑色點(diǎn)決定的一個(gè)面，從取得的拍攝數(shù)據(jù)，反向計(jì)算出數(shù)碼相機(jī)2和光干涉源相互的夾角。去除標(biāo)定板1，數(shù)碼相機(jī)2在光干涉源照映下拍攝被攝物。 將數(shù)碼相機(jī)的數(shù)碼后背(CCD)和光干涉源的實(shí)際間隔距離、姿態(tài)角作為已知值，計(jì)算出被攝物表面所有點(diǎn)的實(shí)際物距，取得全套全息成像的信息數(shù)據(jù)。關(guān)于本發(fā)明中的計(jì)算，在本領(lǐng)域中，利用兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)和利用一數(shù)碼相機(jī)加光干涉源的原理是一樣的，根據(jù)兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)2數(shù)碼后背(CCD)上的長(zhǎng)度信息可以計(jì)算還原出物體在平行于數(shù)碼后背(CCD)方向上的物距，根據(jù)兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)2數(shù)碼后背(CCD)已知的夾角，對(duì)同一點(diǎn)取得的不同的像距數(shù)值，解方程組可取得物體在垂直于數(shù)碼后背(CXD)方向上的物距突起高度或凹入深度，由此取得完整的物距數(shù)據(jù)。本發(fā)明中的一些運(yùn)算，包括所述⑤三維重建，采用由浙江華震數(shù)字化工程有限公司市場(chǎng)出售的還原重建數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理。所述市售的數(shù)據(jù)處理器，已經(jīng)完全按本發(fā)明所述方法進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算、校核，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試，便能取得完整的全套數(shù)據(jù)，直接應(yīng)用于對(duì)物體的重建還原。如圖3所示，根據(jù)物距和數(shù)碼相機(jī)焦距的關(guān)系圖，數(shù)碼相機(jī)焦距b為已知，依據(jù)對(duì)攝物的實(shí)際長(zhǎng)度和在相機(jī)的數(shù)碼后背上測(cè)得的長(zhǎng)度，可以計(jì)算出物距a的長(zhǎng)度，由此，可以測(cè)得被攝物在高度方向(即相機(jī)與被攝物連線方向)的凹凸高度或深度。如圖4所示，顯示了本發(fā)明主動(dòng)拍攝三維還原重建方法中矩形邊框?qū)嵨镌谝慌_(tái)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系，連接兩者的相應(yīng)點(diǎn)，并且延長(zhǎng)，可以相聚為一點(diǎn)，命名為原點(diǎn)。如圖5、6所示，顯示了矩形邊框的垂直線、水平線在一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼后背上成形的幾何關(guān)系，根據(jù)相似三角形邊長(zhǎng)成比例的關(guān)系式，依據(jù)X、Y、Z和x、y可以計(jì)算出z。，同理，通過(guò)一個(gè)平面上的至少三個(gè)點(diǎn)，也能拍攝和經(jīng)計(jì)算測(cè)得數(shù)碼相機(jī)的原點(diǎn)與該平面之間相對(duì)X、Y和Z的夾角。如圖7所示，由兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)拍攝同一平面和平面上的一個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，依據(jù)圖3、4、5和6可分別測(cè)得實(shí)物點(diǎn)與兩臺(tái)相機(jī)原點(diǎn)的長(zhǎng)度，以及與該平面之間相應(yīng)的夾角。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算求得原點(diǎn)OL和OR之間的距離長(zhǎng)度以及兩原點(diǎn)與定標(biāo)點(diǎn)連線形成的夾角。通過(guò)對(duì)大量定標(biāo)點(diǎn)的拍攝，取得“點(diǎn)云”數(shù)據(jù) ，可以進(jìn)行還原重建。
權(quán)利要求
1.一種拍攝三維還原重建方法，其特征在于所述重建方法包括①內(nèi)部標(biāo)定、②外部標(biāo)定、③拍攝、④獲取圖像及圖像處理和⑤三維重建五部分； 所述①內(nèi)部標(biāo)定測(cè)量數(shù)碼相機(jī)(2)的像距、焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度；測(cè)量光干涉源的像距和焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度； 所述②外部標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)和絕對(duì)姿態(tài)參數(shù)，包括數(shù)碼相機(jī)(2)與X、Y、Z軸的夾角Z X、Z Y、Z Ζ，光干涉源的夾角Z X、Z Y、Z Ζ，以及數(shù)碼相機(jī)(2)和光干涉源之間的距離及聚焦參數(shù)； 所述③拍攝設(shè)置數(shù)碼相機(jī)(2)與光干涉源的拍攝參數(shù)，達(dá)到抑制噪聲，達(dá)到獲得高銳 度圖像及真彩色還原，數(shù)碼相機(jī)(2)在光干涉源照射下對(duì)被攝物拍攝； 所述④獲取圖像及圖像處理對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取被攝物表面在光柵映射下的特征信息，包括光柵條的二值數(shù)據(jù)、邊緣和中線，實(shí)現(xiàn)多種圖像格式的輸出； 所述⑤三維重建讀取①內(nèi)部標(biāo)定中參數(shù)和②外部標(biāo)定中參數(shù)，再調(diào)用④獲取圖像及處理后的圖像，完成像素點(diǎn)對(duì)體視匹配，實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)對(duì)三維重建還原，輸出包括點(diǎn)云、三角面格式及大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)、調(diào)取、瀏覽、處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述拍攝三維還原重建方法，其特征在于所述⑤三維重建，采用由浙江華震數(shù)字化工程有限公司市場(chǎng)出售的還原重建數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述拍攝三維還原重建方法，其特征在于所述④獲取圖像及圖像處理采用包括Photoshop的圖像處理軟件進(jìn)行處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述拍攝三維還原重建方法，其特征在于所述①內(nèi)部標(biāo)定還包括 測(cè)量數(shù)碼相機(jī)(2)的鏡頭形變、測(cè)量光干涉源鏡頭形變、投射光的強(qiáng)度及光干涉條的精度。
全文摘要
一種拍攝三維還原重建方法，包括①內(nèi)部標(biāo)定測(cè)量數(shù)碼相機(jī)(2)的像距、焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度；測(cè)量光干涉源的像距和焦距、光軸與機(jī)械軸的平行度；②外部標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)和絕對(duì)姿態(tài)參數(shù)，包括與X、Y、Z軸的夾角∠X、∠Y、∠Z，以及數(shù)碼相機(jī)(2)和光干涉源之間的距離及聚焦參數(shù)；③拍攝數(shù)碼相機(jī)(2)在光干涉源照射下對(duì)被攝物拍攝；④獲取圖像及圖像處理提取被攝物表面在光柵映射下的特征信息，實(shí)現(xiàn)多種圖像格式的輸出；所述⑤三維重建讀?、賰?nèi)部標(biāo)定中參數(shù)和②外部標(biāo)定中參數(shù)，再調(diào)用④獲取圖像及處理后的圖像，完成像素點(diǎn)對(duì)體視匹配，實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)對(duì)三維重建還原。很大程度提高了三維還原重建的精度和速度。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102831641SQ20121028041
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者梁震華 申請(qǐng)人:浙江華震數(shù)字化工程有限公司