2采集的409、410、411、412、413這5幅圖以及在采集位置403采集的414、415、 416、417、418這5幅圖。這些圖像通過數(shù)據(jù)總線104經(jīng)過傳輸系統(tǒng)201以USB方式傳輸?shù)?圖形工作站202上，稀疏相機采集陣列109同時還可以傳回一些圖像識別信息，使電腦能夠 將接收的圖像與采集該圖像的相機采集單元及采集位置對應(yīng)起來。
[0020] 2.三維重建系統(tǒng)軟件設(shè)計
[0021] 本發(fā)明中設(shè)計的三維重建系統(tǒng)以軟件的形式運行在圖形工作站202上，主要包括 對稀疏相機采集陣列109上每個預(yù)先固定好的相機采集單元進行標(biāo)定。本發(fā)明中采用張正 友標(biāo)定法進行預(yù)先的靜態(tài)標(biāo)定，以黑白棋盤格標(biāo)定板為采集目標(biāo)，可以同時得到5個相機 采集單元鏡頭的內(nèi)、外參數(shù)。其中內(nèi)參數(shù)I通過以下方式表示：
[0022]
本發(fā)明中稀疏相機采集陣列109上每個相機采集單元的鏡頭都是基于小孔模 型的，故第i個相機采集單元的鏡頭的水平和垂直方向的焦距分別為/、、./i,，鏡頭中心 相對于相機采集單元的傳感器中心（即采集得到的圖像中心）的偏移為仏。為了 方便討論，在鏡頭畸變對圖像影響可以忽略的情況下，假設(shè)稀疏相機采集陣列109在第1 次采集時，其中的相機采集單元101為參考位置采集單元，即圖4中的404為參考圖像， 其他為比較圖像，則被拍攝物體203表面某點在相機采集單元101坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo) 和在參考圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)（uTOf，vraf，1廣可以通過相機采集單元 101的鏡頭102的內(nèi)參數(shù)聯(lián)系起來：
[0024]
[0025] 對于其他的相機采集單元，可以通過同樣的方法將其采集圖像上的像素齊次坐標(biāo) 和相機齊次坐標(biāo)聯(lián)系起來。稀疏相機采集陣列109上的5個相機采集單元，也可以通過相 同的標(biāo)定方法預(yù)先得到其相對于參考相機采集單元位置的外參數(shù)矩陣rti(參考相機采集 單元相對于自己也存在外參數(shù)矩陣，即單位矩陣）：
[0026]
[0027] 其中Γι、&分別表示第i個相機坐標(biāo)系相對于參考位置相機坐標(biāo)系的x、y、z方向 上的旋轉(zhuǎn)和平移程度，這樣對于被拍攝物體203表面的某點，其在參考位相機采集單元采 集的圖像上的坐標(biāo)可以通過上面的外參數(shù)用世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)（XW，YW，ZW，1)T表示：
[0028]
[0029] 對于點（Xw，Yw，ZW，1)T，如果被其他相機采集單元采集到，那么該點在這些比較圖 像上的齊次坐標(biāo)亦可以通過和上面步驟相似的方法表示出來：
[0030]
[0031] 將上面兩式聯(lián)立后可以得到該點在兩幅圖像上坐標(biāo)點之間的關(guān)系：
[0032]
[0033] 再考慮稀疏相機采集陣列109帶著所有相機采集單元整體移動的情況，即在上式 中增加通過SfM計算出的外參數(shù)RTj:
[0034]
[0035] 最終得到被采集物體203表面同一點在參考圖像上的齊次坐標(biāo)與在其
[0036] 他對比圖像上的齊次坐標(biāo)之間的關(guān)系：
[0037]
[0038] 整理上式即得到被采集物體203表面某點的深度值的計算公式（其中又％可 以用表示）：
[0039]
[0040] 但是在求取相機采集單元的鏡頭的內(nèi)參數(shù)Κ、外參數(shù)RT和rt的步驟中會不可避免 的引入誤差；同時存在被采集物體表面203上某個點由于噪聲或者遮擋無法在所有采集圖 像中出現(xiàn)等情況，這樣無法通過上面的等式直接求出深度值2^y J ο
[0041] 根據(jù)圖像全局優(yōu)化相關(guān)理論，我們可以把上式轉(zhuǎn)化為： 「00421
[0043] 在給定的深度范圍（dmin，dmax)內(nèi)按照一定的步長窮舉該點每個可能的深度值 d，這樣雖然每個d都可能無法使等式成立，但最接近真實深度的d會使等式兩邊值最 接近^卩通過優(yōu)化找到使目標(biāo)函數(shù)以訂"扒心^^^奶以"山八…的值最小的d，此時(d)即被認定為該點的深度值，利用該深度值繼而計算出該點的三維坐標(biāo) ，完成重建。其中g(shù)(Au，Δν)為參考位置相機采集單元和其他位置相機 采集單元對應(yīng)點之間的差異程度，其具體衡量方式可以是像素值的絕對值差，方差或是零 均值差等。從這里也可以看出，用于比較的圖越多，得到的結(jié)果越準(zhǔn)確，容錯率也越高；而目 標(biāo)函數(shù)中的參數(shù)RT、rt以及Κ的準(zhǔn)確程度都對重建圖像的深度值有影響，因此本發(fā)明采用 這種采集和重建方式既能夠通過移動采集的方式提供更多的圖像，并帶入目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu) 化，又能通過移動各個采集單元內(nèi)、外參數(shù)已知的稀疏采集陣列的方式，減少基于被拍攝物 特征點而非標(biāo)定板角點這種容易產(chǎn)生誤差的自標(biāo)定方式的使用次數(shù)，把由此方法計算內(nèi)、 外參數(shù)引入誤差對重建結(jié)果的影響盡可能的降低，從而提供了一種更準(zhǔn)確的三維采集和重 建的方法。
[0044] 上述實施例詳細闡述了本發(fā)明的一種基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及 重建系統(tǒng)，相對于相機陣列和單相機移動三維采集重建方式，本發(fā)明中設(shè)計的方法在降低 求取相機采集單元的鏡頭內(nèi)、外參數(shù)誤差的同時，增加參與深度計算的圖像數(shù)目，從而提高 了三維重建的精度。
[0045] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包 括稀疏相機采集陣列、剛性相機陣列固定裝置、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖形工作站和數(shù)據(jù)總線；其 中， 稀疏相機采集陣列，包括多個相機采集單元，所述相機采集單元包括相機鏡頭和用于 記錄被采集對象表面經(jīng)過相機鏡頭所成圖像的相機傳感器，所述稀疏相機采集陣列被所述 剛性相機陣列固定裝置固定，保證整個稀疏相機采集陣列在移動時每個采集單元之間相對 位置固定； 所述相機傳感器通過數(shù)據(jù)總線將圖像數(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)通過常見的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸給圖形工作站； 在所述圖形工作站上運行的三維重建系統(tǒng)，利用稀疏相機采集陣列采集到的被采集對 象表面的多幅圖像數(shù)據(jù)計算出其表面的三維數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化算法得到被采集物體的深度信 息，繼而計算出采集到的圖像中的每個像素點的三維坐標(biāo)，最終得到符合被采集對象真實 物理尺寸的數(shù)字模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)，其特征 在于： 所述相機采集單元的個數(shù)不超過8個，多個相機采集單元可以被規(guī)則或不規(guī)則地固 定，相機采集單元的鏡頭之間的最大間隔1_為1000mm，最小間隔1^_為兩個采集單元能以 最緊密的方式擺列在一起時其鏡頭中心之間的間距。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)，其特征 在于： 利用靜態(tài)預(yù)標(biāo)定法獲取所述相機采集單元的鏡頭的內(nèi)參數(shù)以及他們之間的外參數(shù)；通 過移動整個稀疏相機采集陣列來進行多次采集，相當(dāng)于通過稀疏相機采集陣列的移動構(gòu)建 出一個稠密相機采集陣列，從而利用動態(tài)標(biāo)定法SfM(StructurefromMotion)獲得整個稀 疏相機采集陣列中任意一個相機采集單元相對于其前一次采集時的位置變化，然后根據(jù)之 前已經(jīng)求得的稀疏相機采集陣列中的每個相機采集單元之間的外參數(shù)計算出構(gòu)建的稠密 相機采集陣列中所有采集單元之間的外參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)，其特征 在于： 所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過有線或無線的形式將多個相機采集單元采集到的圖像數(shù)據(jù)和 必要的控制信息傳輸給圖形工作站，從而進行重建處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)，通過在一定范圍內(nèi)任意排列的若干(最多不超過8個)相機采集單元的同時移動，對被采集物體進行三維表面信息的采集，將所有采集到的圖像中的每個像素點進行比較，通過優(yōu)化算法得到被采集物體的深度信息，繼而計算出該點的三維坐標(biāo)，最終得到符合被采集對象真實物理尺寸的數(shù)字模型。本發(fā)明中的基于移動稀疏相機采集陣列的三維采集及重建系統(tǒng)既簡化了整個系統(tǒng)，又減少了采集過程中求取內(nèi)、外參數(shù)時引入誤差的環(huán)節(jié)。
【IPC分類】G06T7/00
【公開號】CN105427302
【申請?zhí)枴緾N201510789627
【發(fā)明人】張趙行, 耿征, 曹煊, 張驍, 張梅
【申請人】中國科學(xué)院自動化研究所
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月17日