一種基于移動(dòng)稀疏相機(jī)采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維采集及重建領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于移動(dòng)稀疏相機(jī)采集陣 列的三維采集及重建系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維采集技術(shù)一般包括主動(dòng)式采集和被動(dòng)式采集兩種方式：相對(duì)于被動(dòng)式采集方 式，主動(dòng)式采集方式一般通過(guò)對(duì)被采集對(duì)象引入額外光照（結(jié)構(gòu)光）來(lái)增加或增強(qiáng)被采集 對(duì)象的表面特征，以便在被采集對(duì)象表面特征稀少時(shí)也能利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的重建 工作，同時(shí)提高了重建精度。結(jié)構(gòu)光可以以點(diǎn)陣或條紋的形式靜態(tài)地投射到被采集物體表 面上，也可以以動(dòng)態(tài)的方式在不同的時(shí)間將不同的特征投射到被采集物體的表面，動(dòng)態(tài)結(jié) 構(gòu)光可以進(jìn)一步提高重建的精度，但是要求采集裝置和結(jié)構(gòu)光同步，對(duì)采集裝置的硬件要 求和整個(gè)重建流程的時(shí)序控制有更高的要求。
[0003] 三維重建技術(shù)一般分為基于光場(chǎng)采集和基于圖像采集的三維重建技術(shù)，其中前者 通過(guò)記錄光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)被采集對(duì)象表面漫反射進(jìn)入采集裝置的方向信息（s，t)和 在采集裝置鏡頭上成像的位置信息（X，y)，以復(fù)原被采集對(duì)象表面光場(chǎng)的形式進(jìn)行重建。而 本發(fā)明中采用的重建方法屬于后者，通過(guò)每個(gè)相機(jī)在空間中的相互位置關(guān)系，將被采集對(duì) 象上相同點(diǎn)在不同相機(jī)采集到的圖像上的位置匹配起來(lái)計(jì)算出該點(diǎn)到采集單元鏡頭的距 離（Z)，再結(jié)合其在二維圖像上的位置（X，y)得到該點(diǎn)空間中的三維位置信息（x，y，z)。此 種方法下，采集單元之間的位置關(guān)系如果不準(zhǔn)確，則在后面進(jìn)行的匹配之前就會(huì)存在較大 的誤差，造成匹配失敗甚至誤匹配；而如果采集單元比較少，則重建過(guò)程中用于特征點(diǎn)匹配 的參照?qǐng)D像也少，當(dāng)其中一幅圖出現(xiàn)較大誤差無(wú)法通過(guò)其他準(zhǔn)確采集的圖像進(jìn)行糾正時(shí)， 也容易出現(xiàn)誤匹配的情況，最終造成整個(gè)重建圖像失真。針對(duì)這些情況，一般通過(guò)稠密采集 的方式降低由于少數(shù)幅圖或少數(shù)采集單元位置關(guān)系不準(zhǔn)確帶來(lái)的重建誤差。其中可以通過(guò) 稠密相機(jī)陣列對(duì)多個(gè)采集單元進(jìn)行采樣：由于稠密相機(jī)陣列中每個(gè)相機(jī)采集單元被預(yù)先固 定，因此可以在采集過(guò)程之前對(duì)稠密相機(jī)陣列中每個(gè)相機(jī)采集單元進(jìn)行靜態(tài)預(yù)標(biāo)定（如使 用特征點(diǎn)比較明顯的黑白棋盤(pán)格標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定），以便精確的獲得每個(gè)采集單元之間的 位置關(guān)系（相機(jī)外參數(shù)）和自身鏡頭的參數(shù)（相機(jī)內(nèi)參數(shù)）。但是稠密相機(jī)陣列硬件系統(tǒng) 體積龐大，多個(gè)相機(jī)采集單元采集相同場(chǎng)景時(shí)需要進(jìn)行同步，造成整個(gè)系統(tǒng)控制復(fù)雜。另 外，也可以通過(guò)單個(gè)相機(jī)在移動(dòng)中進(jìn)行多角度的采集，并通過(guò)被采集物體自身的特征點(diǎn)，以 運(yùn)動(dòng)中相機(jī)位置獲?。⊿tructurefromMotion，SfM)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方式得到單個(gè)相機(jī)在不 同位置采集圖像時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系變化和相機(jī)鏡頭自身的參數(shù)，再結(jié)合這些特征點(diǎn)進(jìn)行重 建。這樣做簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，但是相機(jī)采集位置之間的外參數(shù)和相機(jī)內(nèi)參數(shù)并非事先通過(guò)標(biāo)定 板上準(zhǔn)確的特征點(diǎn)精確標(biāo)定，而是依賴(lài)被拍攝物體上的特征點(diǎn)獲取，因而重建的準(zhǔn)確程度 沒(méi)有之前的方法高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要針對(duì)上述基于圖像三維重建方法的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于移動(dòng)稀疏相 機(jī)采集陣列的三維采集和重建系統(tǒng)，通過(guò)若干個(gè)（最多不超過(guò)8個(gè)）在空間中以合適的間 距（采集單元之間距離不大于1000mm)任意排布的相機(jī)采集單元，對(duì)相機(jī)采集單元視場(chǎng)內(nèi) 的被采集對(duì)象表面進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)傳回圖形工作站后進(jìn)行基于圖像的三維重建，得到與 被采集對(duì)象真實(shí)物理尺寸一致的數(shù)字模型。
[0005] 本發(fā)明提出的基于移動(dòng)稀疏相機(jī)采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)具體包括稀疏 相機(jī)采集陣列、剛性相機(jī)陣列固定裝、置數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖形工作站和數(shù)據(jù)總線(xiàn)；其中，
[0006] 稀疏相機(jī)采集陣列，包括多個(gè)相機(jī)采集單元，所述相機(jī)采集單元包括相機(jī)鏡頭和 用于記錄被采集對(duì)象表面經(jīng)過(guò)相機(jī)鏡頭所成圖像的相機(jī)傳感器，所述稀疏相機(jī)采集陣列被 所述剛性相機(jī)陣列固定裝置固定，保證整個(gè)稀疏相機(jī)采集陣列在移動(dòng)時(shí)每個(gè)采集單元之間 相對(duì)位置固定；
[0007] 所述相機(jī)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將圖像數(shù)據(jù)傳輸給所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述傳輸系 統(tǒng)將接收到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸給圖形工作站；
[0008] 在所述圖形工作站上運(yùn)行的三維重建系統(tǒng)，利用稀疏相機(jī)采集陣列采集到的被采 集對(duì)象表面的多幅圖像數(shù)據(jù)計(jì)算出其表面的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化算法得到被采集物體的深 度信息，繼而計(jì)算出采集到的圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最終得到符合被采集對(duì)象 真實(shí)物理尺寸的數(shù)字模型。
[0009] 本發(fā)明中相機(jī)采集單元之間的位置相對(duì)固定，因此可以通過(guò)準(zhǔn)確度比較高的靜態(tài) 預(yù)標(biāo)定法獲取這些相機(jī)采集單元鏡頭的內(nèi)參數(shù)以及它們之間的外參數(shù)；雖然整個(gè)系統(tǒng)包含 的相機(jī)采集單元數(shù)目不多，但可以方便地移動(dòng)整個(gè)稀疏相機(jī)采集陣列來(lái)進(jìn)行多次采集，相 當(dāng)于通過(guò)稀疏相機(jī)采集陣列的移動(dòng)構(gòu)建出一個(gè)稠密相機(jī)采集陣列，并且只需要通過(guò)SfM的 方法獲得整個(gè)稀疏相機(jī)采集陣列中任意一個(gè)相機(jī)采集單元相對(duì)于其前一次采集時(shí)的位置 變化，就可以根據(jù)之前已經(jīng)求得的稀疏相機(jī)采集陣列之間每個(gè)采集單元的外參數(shù)計(jì)算出構(gòu) 建的稠密相機(jī)采集陣列中所有采集單元之間的外參數(shù)，這樣既簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)，又減少了 采集過(guò)程中求取內(nèi)、外參數(shù)時(shí)引入誤差的環(huán)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種基于稀疏相機(jī)采集陣列的采集裝置示意圖（正視圖和俯 視圖）；
[0011] 圖2為本發(fā)明中的采集裝置和傳輸重建裝置的連接示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明中的稀疏相機(jī)采集陣列中相機(jī)采集單元間距說(shuō)明示意圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明中的稀疏相機(jī)采集陣列的移動(dòng)采集過(guò)程的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)地說(shuō)明，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的計(jì)算流 程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0015] 1.三維采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
[0016] 本發(fā)明中設(shè)計(jì)的一種包含5個(gè)相機(jī)采集單元的三維采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所 示。圖1中最左邊的相機(jī)采集單元101包括相機(jī)鏡頭102和用于記錄被采集對(duì)象表面經(jīng)過(guò) 相機(jī)鏡頭102所成圖像的相機(jī)傳感器103,相機(jī)傳感器103通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)104將圖像數(shù)據(jù) 傳輸出去。每個(gè)相機(jī)采集單元可以互不相同（相機(jī)采集單元101旁邊的相機(jī)采集單元105 可能和相機(jī)采集單元101使用完全不同的鏡頭106和相機(jī)傳感器107,只要相機(jī)傳感器103 和相機(jī)傳感器107可以被數(shù)據(jù)總線(xiàn)104同時(shí)連接，并向外傳輸數(shù)據(jù)即可，否則需要為每個(gè)相 機(jī)單獨(dú)準(zhǔn)備一條數(shù)據(jù)線(xiàn)，這里為了討論方便，假設(shè)相機(jī)傳感器103和相機(jī)傳感器107在這方 面完全相同），整個(gè)相機(jī)陣列被剛性相機(jī)陣列固定裝置108固定，保證整個(gè)稀疏相機(jī)采集陣 列109在移動(dòng)時(shí)每個(gè)采集單元之間相對(duì)位置固定。圖2中將稀疏相機(jī)采集陣列109看成一 個(gè)整體，稀疏相機(jī)采集陣列109通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)201，利用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的形式，將圖像數(shù) 據(jù)和必要的控制信息通過(guò)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（TCP/IP，UDP，USB，1394等）傳到圖形工作 站202上，以便三維重建軟件系統(tǒng)可以通過(guò)稀疏相機(jī)采集陣列109采集到的被采集對(duì)象203 表面的多幅圖像數(shù)據(jù)計(jì)算出其表面的三維數(shù)據(jù)。
[0017] 為了方便說(shuō)明，將稀疏相機(jī)采集陣列109中稀疏相機(jī)采集單元101在某一個(gè)位置 采集到的圖像為參考圖像（將處于該位置的稀疏相機(jī)采集單元101視為參考相機(jī)采集單 元，其采集到的圖像為參考圖像），稀疏相機(jī)采集陣列109中除了稀疏相機(jī)采集單元101以 外其他稀疏相機(jī)采集單元視為其他相機(jī)采集單元，參考相機(jī)采集單元在其他位置采集到的 圖像和其他相機(jī)采集單元在所有位置采集到的圖像相對(duì)于參考圖像都視為比較圖像。
[0018] 相鄰相機(jī)采集單元的最大間隔和最小間隔如圖3所示。以參考相機(jī)采集單元101 和與其相鄰的其他相機(jī)采集單元105為例進(jìn)行說(shuō)明：兩者鏡頭中心之間最大間隔L_為 1000mm，即其他相機(jī)采集單元105的鏡頭106的中心位置應(yīng)該放置在以參考相機(jī)采集單元 101的鏡頭102的中心為中心，L_為半徑的圓周內(nèi)部；最小間隔L_為兩個(gè)采集單元能以 最緊密的方式擺列在一起時(shí)其鏡頭中心之間的間距。
[0019] 本發(fā)明中設(shè)計(jì)的三維采集系統(tǒng)可以通過(guò)整體移動(dòng)稀疏相機(jī)采集陣列109進(jìn)行采 集。如圖4所示，稀疏相機(jī)采集陣列109經(jīng)過(guò)3次移動(dòng)，一共對(duì)被采集物體203表面進(jìn)行了 15次采集；其中稀疏相機(jī)采集陣列109中5個(gè)相機(jī)采集單元在3次移動(dòng)（每次移動(dòng)采集5 組圖像）中采集的圖像分別為：在采集位置401采集的404、405、406、407、408這5幅圖，在 采集位置40