本發(fā)明涉及三維空間構(gòu)建領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法和裝置。

背景技術(shù)：

物體三維表面重建技術(shù)可以在虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型。這些模型具有十分廣泛的用途，例如，工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測(cè)、逆向工程、醫(yī)學(xué)信息、游戲創(chuàng)作素材等等。物體三維重建技術(shù)多種多樣，各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，目前還沒有通用的重建技術(shù)。目前應(yīng)用最為廣泛的物體三維表面重建設(shè)備主要是三維掃描儀，主要分為兩類，一類是接觸式三維掃描儀，另一類是非接觸式三維掃描儀。目前最常用的非接觸三維表面重建技術(shù)主體思路都是利用多臺(tái)相機(jī)來捕獲從物體表面反射光的像差信息，以及獲取物體三維表面的深度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體三維表面的重建。但是，非接觸式三維表面重建技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)透明物體三維表面進(jìn)行重建。所以，目前人們通常利用接觸式三維表面重建方法對(duì)透明物體的三維表面進(jìn)行重建，但是，在現(xiàn)有的接觸式三維表面重建方法中，測(cè)量的空間分辨率比較低，并且對(duì)于比較脆弱的待測(cè)物體測(cè)量較為困難。

因此，現(xiàn)有的三維表面重建方法中存在的測(cè)量空間分辨率低以及待測(cè)物體測(cè)量困難是一個(gè)亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法和裝置，以解決現(xiàn)有的三維表面重建方法中存在的測(cè)量的空間分辨率低以及待測(cè)物體測(cè)量困難.的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，應(yīng)用于折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)中，折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)包括依次安裝的光源、準(zhǔn)直透鏡和相機(jī)，光源用于發(fā)出光線并將發(fā)出的光線透射于背景圖像的物點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡用于匯集穿過物點(diǎn)和折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)后的光線；相機(jī)用于對(duì)準(zhǔn)直透鏡匯集后的光線形成像點(diǎn)；基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法包括步驟：

獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大??；

根據(jù)獲取的空間偏折角的角度值大小，得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量；

根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量；

基于確定的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建。

進(jìn)一步地，獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大小的步驟包括：

獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。

進(jìn)一步地，獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的步驟包括：

找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬物點(diǎn)，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際物點(diǎn)；

獲取實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量；

保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)；

獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。

進(jìn)一步地，根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小的步驟包括：

連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；

對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；

根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。

進(jìn)一步地，根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量的步驟包括：

獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)；

根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)包括依次安裝的光源、準(zhǔn)直透鏡和相機(jī)，光源用于發(fā)出光線并將發(fā)出的光線透射于背景圖像的物點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡用于匯集穿過物點(diǎn)和折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)后的光線；相機(jī)用于對(duì)準(zhǔn)直透鏡匯集后的光線形成像點(diǎn)；基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置包括：

角度獲取模塊，用于獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大?。?/p>

向量獲取模塊，用于根據(jù)獲取的空間偏折角的角度值大小，得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量；

確定模塊，用于根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量；

三維重建模塊，用于基于確定的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建。

進(jìn)一步地，角度獲取模塊包括：

物點(diǎn)獲取單元，用于獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

確定單元，用于根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。

進(jìn)一步地，物點(diǎn)獲取單元包括：

物點(diǎn)搜索子單元，用于找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬物點(diǎn)，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際物點(diǎn)；

第一相對(duì)偏移量獲取子單元，用于獲取實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量；

移動(dòng)搜索子單元，用于保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)；

第二相對(duì)偏移量獲取子單元，用于獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。

進(jìn)一步地，確定單元包括：

連接子單元，用于連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；

交匯子單元，用于對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；

角度值確定子單元，用于根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。

進(jìn)一步地，確定模塊包括：

空間坐標(biāo)確定單元，用于獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，并依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)；

計(jì)算單元，用于根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法和裝置，采用準(zhǔn)直透鏡和相機(jī)，配置簡(jiǎn)單；基于背景紋影技術(shù)，通過獲取折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量來對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建，測(cè)量的空間分辨率高；使用背景圖像作為待測(cè)透明物體，測(cè)量方便；利用單個(gè)相機(jī)即可完成相應(yīng)操作，成本低。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)的原理圖；

圖2是本發(fā)明基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法第一優(yōu)選實(shí)施例的流程示意圖；

圖3為圖2中獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大小的步驟的細(xì)化流程示意圖；

圖4為圖3中獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的步驟的細(xì)化流程示意圖；

圖5為圖3中根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小的步驟的細(xì)化流程示意圖；

圖6為圖2中根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量的步驟的細(xì)化流程示意圖；

圖7是本發(fā)明基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為圖7中角度獲取模塊的功能模塊示意圖；

圖9為圖8中物點(diǎn)獲取單元的功能模塊示意圖；

圖10為圖8中確定單元的功能模塊示意圖；

圖11為圖7中角度確定模塊的功能模塊示意圖。

附圖標(biāo)號(hào)說明：

10、角度獲取模塊；20、向量獲取模塊；30、確定模塊；40、三維重建模塊；11、物點(diǎn)獲取單元；12、確定單元；111、物點(diǎn)搜索子單元；112、第一相對(duì)偏移量獲取子單元；113、移動(dòng)搜索子單元；114、第二相對(duì)偏移量獲取子單元；121、連接子單元；122、交匯子單元；123、角度值確定子單元；31、空間坐標(biāo)確定單元；32、計(jì)算單元；100、光源；200、準(zhǔn)直透鏡；300、相機(jī)；400、背景圖像；500、折射率場(chǎng)。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，應(yīng)用于折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)中，折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)包括依次安裝的光源100、準(zhǔn)直透鏡200和相機(jī)300，光源100用于發(fā)出光線并將發(fā)出的光線透射于背景圖像400的物點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡200用于匯集穿過物點(diǎn)和折射率場(chǎng)500的折射點(diǎn)后的光線；相機(jī)300用于對(duì)準(zhǔn)直透鏡200匯集后的光線形成像點(diǎn)；基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法包括步驟：

步驟s100、獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大小。

如圖1所示，將光闌放置在準(zhǔn)直透鏡200的焦點(diǎn)處，保證僅有平行于光軸的光線可以穿過光闌。當(dāng)光源100透射于背景圖像400后，假設(shè)不存在折射率場(chǎng)500時(shí)，則p點(diǎn)為不存在折射率場(chǎng)時(shí)與相機(jī)300捕獲的像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的背景點(diǎn)陣中的虛擬物點(diǎn)。假設(shè)存在折射率場(chǎng)500時(shí)，當(dāng)引入折射率場(chǎng)后，受到折射率場(chǎng)影響，像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的實(shí)際物點(diǎn)移動(dòng)到p'點(diǎn)。請(qǐng)見圖1，a點(diǎn)表示光線在折射率場(chǎng)處的折射點(diǎn)，q點(diǎn)表示光線在等效相機(jī)鏡頭上的入射點(diǎn)，r點(diǎn)表示光線在準(zhǔn)直透鏡上的入射點(diǎn)。通過獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的虛擬物點(diǎn)p及存在折射率場(chǎng)時(shí)的實(shí)際物點(diǎn)p'之間的偏移量，繪制出存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；其中，存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩者之間所形成的空間偏折角為θi,j，θi,j的角度值大小可通過實(shí)際測(cè)量即可得出。

步驟s200、根據(jù)獲取的空間偏折角的角度值大小，得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量。

根據(jù)測(cè)量得出的空間偏折角θi,j的角度值大小和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的虛擬物點(diǎn)p及存在折射率場(chǎng)時(shí)的實(shí)際物點(diǎn)p'之間的偏移量，計(jì)算得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量

步驟s300、根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量。

根據(jù)計(jì)算得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量獲取折射點(diǎn)a(查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i，j)對(duì)應(yīng)的z軸物理坐標(biāo)hij，，基于查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與物理坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)。并根據(jù)snell(斯涅爾)定律的空間形式，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量

步驟s400、基于確定的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建。

基于獲取的折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)和折射點(diǎn)處切平面的法向量采用gaussiankernel(高斯核函數(shù))方法實(shí)現(xiàn)折射率場(chǎng)三維表面重建。在本實(shí)施例中，通過依次獲取折射率場(chǎng)各個(gè)折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量來對(duì)折射率場(chǎng)的三維表面進(jìn)行重建。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，采用準(zhǔn)直透鏡和相機(jī)，配置簡(jiǎn)單；基于背景紋影技術(shù)，通過獲取折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量來對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建，測(cè)量的空間分辨率高；使用背景圖像作為待測(cè)透明物體，測(cè)量方便；利用單個(gè)相機(jī)即可完成相應(yīng)操作，成本低。

優(yōu)選地，如圖3所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，步驟s100包括：

步驟s110、獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

獲取像點(diǎn)c與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)c與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如，利用相機(jī)捕獲與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p以及與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'的物理坐標(biāo)位置。

步驟s120、根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。

根據(jù)獲取的像點(diǎn)c與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)c與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線，得出存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩條光線所形成的空間偏折角θi,j，并通過測(cè)量確定空間偏折角θi,j的角度值大小。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，通過獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。在本實(shí)施例中，利用單個(gè)相機(jī)即可完成相應(yīng)操作，成本低；通過與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)的物點(diǎn)及不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的關(guān)系獲得空間偏折角，并測(cè)量出空間偏折角的大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

進(jìn)一步地，如圖4所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，步驟s110包括：

步驟s111、找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬物點(diǎn)，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際物點(diǎn)。

利用相機(jī)捕獲與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p以及與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'，在本實(shí)施例中，與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p被定義為虛擬物點(diǎn)。與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'被定義為實(shí)際物點(diǎn)。

步驟s112、獲取實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。

獲取實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p的物理坐標(biāo)位置，基于bos(backgroundorientedschlieren，紋影模式背景紋影)方法獲得實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p之間的相對(duì)偏移量(δxpi,δypj)。

步驟s113、保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)。

在保持折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)中各元件以及像點(diǎn)c的位置不變的情形下，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離d移動(dòng)距離d應(yīng)在相機(jī)的景深范圍內(nèi)，以保重不能離焦過于嚴(yán)重，請(qǐng)見圖1，背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離d后，與像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)變?yōu)閟；與像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)變?yōu)閟'，在本實(shí)施例中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)s被定義為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)。移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)s'被定義為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)。

步驟s114、獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。

獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s的物理坐標(biāo)位置，基于bos方法獲得實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s之間的相對(duì)偏移量(δxsi,δysj)。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，通過找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)；獲取與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量；保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)；獲取移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。在本實(shí)施例中，通過將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，從而確定空間偏折角的大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

可選地，如圖5所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，步驟s120包括：

步驟s121、連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線。

在本實(shí)施例中，通過直線將實(shí)際物點(diǎn)p'和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'連接在一起，獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線。通過直線將虛擬物點(diǎn)p和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s連接在一起，獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線。

步驟s122、對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；

請(qǐng)見圖1，對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線以及不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯，在兩條光線的交匯處形成交匯點(diǎn)a，此處形成的交匯點(diǎn)a即為折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)。

步驟s123、根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。

根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量(δxpi,δypj)、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量(δxsi,δysj)以及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)a，通過實(shí)際測(cè)值，確定存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩條光線所形成的空間偏折角θi,j的角度值大小。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，通過連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。在本實(shí)施例中，通過獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)來確定空間偏折角的角度值大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

優(yōu)選地，如圖6所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，步驟s300包括：

步驟s310、獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

根據(jù)確定的空間偏折角θi,j的角度值大小，計(jì)算出折射點(diǎn)a的物理坐標(biāo)，其中，折射點(diǎn)a的z軸物理坐標(biāo)hij為：

||p'-p||＝(u0-hi,j)tanθi,j(1)

其中，表示實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p兩點(diǎn)之間的距離；u0表示背景圖像距離準(zhǔn)直透鏡的距離；θi,j為空間偏折角。

從公式1中獲取折射點(diǎn)a(查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i，j)對(duì)應(yīng)的z軸物理坐標(biāo)hij，，基于查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與物理坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)。

步驟s320、根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。

根據(jù)光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量及光線從折射點(diǎn)a到準(zhǔn)直透鏡的方向向量基于snell定律的空間形式，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量

其中，為光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的空間方向向量；為光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量；n代表折射率場(chǎng)的折射率，空氣的折射率近似為1。

由于空間方向向量平行于主光軸z軸，為已知量，故可以從公式2中確定折射點(diǎn)處切平面的法向量

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建方法，通過獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)；根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。在本實(shí)施例中，能自動(dòng)計(jì)算出折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，自動(dòng)化程度高，對(duì)透明物體溫的三維表面重建速度快。

如圖1和圖7所示，本實(shí)施例還提供一種基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)包括依次安裝的光源100、準(zhǔn)直透鏡200和相機(jī)300，光源100用于發(fā)出光線并將發(fā)出的光線透射于背景圖像400的物點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡200用于匯集穿過物點(diǎn)和折射率場(chǎng)500的折射點(diǎn)后的光線；相機(jī)300用于對(duì)準(zhǔn)直透鏡200匯集后的光線形成像點(diǎn)；基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置包括：角度獲取模塊10，用于獲取光源透射于背景圖像后所射出的存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線所形成的空間偏折角的角度值大小；向量獲取模塊20，用于根據(jù)獲取的空間偏折角的角度值大小，得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量；確定模塊30，用于根據(jù)得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量；三維重建模塊40，用于基于確定的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建。

如圖1所示，將光闌放置在準(zhǔn)直透鏡200的焦點(diǎn)處，保證僅有平行于光軸的光線可以穿過光闌。當(dāng)光源100透射于背景圖像400后，假設(shè)不存在折射率場(chǎng)500時(shí)，則p點(diǎn)為不存在折射率場(chǎng)時(shí)與相機(jī)300捕獲的像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的背景點(diǎn)陣中的虛擬物點(diǎn)。假設(shè)存在折射率場(chǎng)500時(shí)，當(dāng)引入折射率場(chǎng)后，受到折射率場(chǎng)影響，像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的實(shí)際物點(diǎn)移動(dòng)到p'點(diǎn)。請(qǐng)見圖1，a點(diǎn)表示光線在折射率場(chǎng)處的折射點(diǎn)，q點(diǎn)表示光線在等效相機(jī)鏡頭上的入射點(diǎn)，r點(diǎn)表示光線在準(zhǔn)直透鏡上的入射點(diǎn)。

角度獲取模塊10通過獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的虛擬物點(diǎn)p及存在折射率場(chǎng)時(shí)的實(shí)際物點(diǎn)p'之間的偏移量，繪制出存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；其中，存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩者之間所形成的空間偏折角為θi,j，θi,j的角度值大小可通過實(shí)際測(cè)量即可得出。

向量獲取模塊20根據(jù)測(cè)量得出的空間偏折角θi,j的角度值大小和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的虛擬物點(diǎn)p及存在折射率場(chǎng)時(shí)的實(shí)際物點(diǎn)p'之間的偏移量，計(jì)算得出光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量

確定模塊30根據(jù)計(jì)算得出的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量獲取折射點(diǎn)a查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i，j對(duì)應(yīng)的z軸物理坐標(biāo)hij，，基于查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與物理坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)。并根據(jù)snell(斯涅爾)定律的空間形式，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量

三維重建模塊40基于獲取的折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)和折射點(diǎn)處切平面的法向量采用gaussiankernel(高斯核函數(shù))方法實(shí)現(xiàn)折射率場(chǎng)三維表面重建。在本實(shí)施例中，通過依次獲取折射率場(chǎng)各個(gè)折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量來對(duì)折射率場(chǎng)的三維表面進(jìn)行重建。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，采用準(zhǔn)直透鏡和相機(jī)，配置簡(jiǎn)單；基于背景紋影技術(shù)，通過獲取折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量來對(duì)折射率場(chǎng)進(jìn)行三維表面重建，測(cè)量的空間分辨率高；使用背景圖像作為待測(cè)透明物體，測(cè)量方便；利用單個(gè)相機(jī)即可完成相應(yīng)操作，成本低。

優(yōu)選地，如圖8所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，角度獲取模塊10包括：物點(diǎn)獲取單元11，用于獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；確定單元12，用于根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。

物點(diǎn)獲取單元11獲取像點(diǎn)c與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)c與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如，利用相機(jī)捕獲與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p以及與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'的物理坐標(biāo)位置。

確定單元12根據(jù)獲取的像點(diǎn)c與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)c與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線，得出存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩條光線所形成的空間偏折角θi,j，并通過測(cè)量確定空間偏折角θi,j的角度值大小。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，通過獲取像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)獲取的像點(diǎn)與不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及像點(diǎn)與存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間偏折角的角度值大小。在本實(shí)施例中，利用單個(gè)相機(jī)即可完成相應(yīng)操作，成本低；通過與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)的物點(diǎn)及不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的關(guān)系獲得空間偏折角，并測(cè)量出空間偏折角的大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

優(yōu)選地，如圖9所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，物點(diǎn)獲取單元11包括：物點(diǎn)搜索子單元111，用于找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬物點(diǎn)，與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際物點(diǎn)；第一相對(duì)偏移量獲取子單元112，用于獲取實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量；移動(dòng)搜索子單元113，用于保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，其中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)稱為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)；第二相對(duì)偏移量獲取子單元114，用于獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。

物點(diǎn)搜索子單元111利用相機(jī)捕獲與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p以及與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'，在本實(shí)施例中，與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p被定義為虛擬物點(diǎn)。與像點(diǎn)c相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)p'被定義為實(shí)際物點(diǎn)。

第一相對(duì)偏移量獲取子單元112獲取實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p的物理坐標(biāo)位置，基于bos(backgroundorientedschlieren，紋影模式背景紋影)方法獲得實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p之間的相對(duì)偏移量(δxpi,δypj)。

移動(dòng)搜索子單元113在保持折射率場(chǎng)三維表面重建系統(tǒng)中各元件以及像點(diǎn)c的位置不變的情形下，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離d移動(dòng)距離d應(yīng)在相機(jī)的景深范圍內(nèi)，以保重不能離焦過于嚴(yán)重，請(qǐng)見圖1，背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離d后，與像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)變?yōu)閟；與像點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)變?yōu)閟'，在本實(shí)施例中，移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)s被定義為虛擬移動(dòng)物點(diǎn)。移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)s'被定義為實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)。

第二相對(duì)偏移量獲取子單元114獲取實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s的物理坐標(biāo)位置，基于bos方法獲得實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s之間的相對(duì)偏移量(δxsi,δysj)。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，通過找出與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)；獲取與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量；保持像點(diǎn)的位置不變，將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)；獲取移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量。在本實(shí)施例中，通過將背景圖像沿準(zhǔn)直透鏡的主光軸方向移動(dòng)設(shè)定距離，找出移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且不存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)及移動(dòng)背景圖像后的與像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的且存在折射率場(chǎng)時(shí)的物點(diǎn)，從而確定空間偏折角的大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

進(jìn)一步地，如圖10所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，確定單元12包括：連接子單元121，用于連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；交匯子單元122，用于對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；角度值確定子單元123，用于根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。

在本實(shí)施例中，連接子單元121通過直線將實(shí)際物點(diǎn)p'和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)s'連接在一起，獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線。通過直線將虛擬物點(diǎn)p和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)s連接在一起，獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線。

請(qǐng)見圖1，交匯子單元122對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線以及不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯，在兩條光線的交匯處形成交匯點(diǎn)a，此處形成的交匯點(diǎn)a即為折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)。

角度值確定子單元123根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量(δxpi,δypj)、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量(δxsi,δysj)以及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)a，通過實(shí)際測(cè)值，確定存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線兩條光線所形成的空間偏折角θi,j的角度值大小。

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，通過連接實(shí)際物點(diǎn)和實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)獲取存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；以及連接虛擬物點(diǎn)和虛擬移動(dòng)物點(diǎn)獲取不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線；對(duì)存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線和不存在折射率場(chǎng)時(shí)的光線進(jìn)行交匯并形成交匯點(diǎn)，其中，形成的交匯點(diǎn)構(gòu)成折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)；根據(jù)獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)，確定空間偏折角的角度值大小。在本實(shí)施例中，通過獲取的實(shí)際物點(diǎn)與虛擬物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量、實(shí)際移動(dòng)物點(diǎn)與虛擬移動(dòng)物點(diǎn)之間的相對(duì)偏移量及折射率場(chǎng)的折射點(diǎn)來確定空間偏折角的角度值大小，獲取方式簡(jiǎn)單方便。

可選地，如圖11所示，本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，確定模塊30包括：空間坐標(biāo)確定單元31，用于獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，并依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)；計(jì)算單元32，用于根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。

根據(jù)確定的空間偏折角θi,j的角度值大小，計(jì)算出折射點(diǎn)a的物理坐標(biāo)，其中，折射點(diǎn)a的z軸物理坐標(biāo)hij為：

||p'-p||＝(u0-hi,j)tanθi,j(3)

其中，表示實(shí)際物點(diǎn)p'與虛擬物點(diǎn)p兩點(diǎn)之間的距離；u0表示背景圖像距離準(zhǔn)直透鏡的距離；θi,j為空間偏折角。

從公式1中獲取折射點(diǎn)a(查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i，j)對(duì)應(yīng)的z軸物理坐標(biāo)hij，，基于查問區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與物理坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)a的空間坐標(biāo)(xpi,ypj,l+hi,j)。

根據(jù)光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量及光線從折射點(diǎn)a到準(zhǔn)直透鏡的方向向量基于snell定律的空間形式，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量

其中，為光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的空間方向向量；為光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)a的方向向量；n代表折射率場(chǎng)的折射率，空氣的折射率近似為1。

由于空間方向向量平行于主光軸z軸，為已知量，故可以從公式2中確定折射點(diǎn)處切平面的法向量

本實(shí)施例提供的基于背景紋影技術(shù)的透明物體三維表面重建裝置，通過獲取折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)，依據(jù)折射點(diǎn)的物理坐標(biāo)以及物理坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)；根據(jù)獲取的光線從背景圖像照射至折射點(diǎn)的方向向量及光線從折射點(diǎn)到準(zhǔn)直透鏡的方向向量，計(jì)算出折射點(diǎn)處切平面的法向量。在本實(shí)施例中，能自動(dòng)計(jì)算出折射點(diǎn)的空間坐標(biāo)和折射點(diǎn)處切平面的法向量，自動(dòng)化程度高，對(duì)透明物體溫的三維表面重建速度快。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。