鏡像式三維信息採集裝置及方法
2023-06-26 23:09:41
鏡像式三維信息採集裝置及方法
【專利摘要】本申請實施例公開了一種鏡像式三維信息採集裝置及方法，所述裝置包括：一光源，用於對待測物體進行投影照明及掃描；一基準參考單元，設置於所述待測物體遠離所述光源的一側，朝向所述光源一側為一測量基準面；一圖像採集單元和一反射鏡；所述圖像採集單元設置於所述光源與所述待測物體之間的光路的一側；所述反射鏡設置於所述光路的另一側，開且反射面朝向所述待測物體；所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。本發明的優勢在於一方面不存在雙相機同步問題從而降低了採集裝置的複雜性，另一方面大大降低了三維信息採集系統的成本。
【專利說明】鏡像式三維信息採集裝置及方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及表面識別技術，尤其涉及一種基於鏡像式三維信息的採集方法及裝置。
【背景技術】
[0002]物體的三維信息採集技術在當前社會的各個領域中已經有著極為廣泛的應用。在建築行業中，可通過點狀雷射掃描的方式將掃描儀所處一定空間範圍內的所有建築物和植被的三維信息採集起來，用於風景復原以及新建築設計。在3D列印領域中，3D印表機須要先獲取物體或人的三維點雲數據才能完成列印，而三維點雲數據則須要通過三維信息採集技術來實現。在人臉識別領域中，目前最常用的人臉識別方法是通過分析人臉的二維數碼照片找出其中的特徵，再與人臉庫中現有人臉特徵匹配以識別人的身份；但這一方法受光照、臉色、遠近等因素影響，精度難以提高；因而，研究轉向通過人臉的三維信息提取特徵用於人臉識別，其前提必須通過三維信息採集技術獲取人臉三維信息。在機械加工領域，包括汽車生產行業，廣泛的應用三維信息採集系統採集所生產出的零件(尤其是非規則形零件)的三維信息，利用計算機分析其尺寸，最終確定產品是否合格。因此，研究開發更好、更廉價的三維信息採集系統有著極為廣泛的實用性。
[0003]已有的三維信息採集方法可以分為兩大類:接觸式測量和非接觸式測量。I)接觸式測量主要指機械測量方式:用一根探針與物體表面接觸；當探針在物體表面遍歷時，通過高度調節使探針與物體表面保持相同的接觸壓力；記錄下探針在物體表面每一個位置的高度即可獲取物體表面的三維信息。這種方式測量速度慢、只適用於表面堅硬的物體，故而實用性差。2)非接觸式測量主要指光學測量方法。
[0004]已有的基於光學的三維信息採集方法也可分為兩大類:三角坐標法和結構光投影法。I)三角坐標法通常將點狀雷射或線狀雷射掃描物體表面實現遍歷(這種掃描可通過移動雷射源、轉折光路或移動待測物體來實現)，再通過相機採集物體表面雷射點或雷射線的圖像分析其在圖像中的位置變化利用三角坐標計算公式分析物體表面高度信息；2)結構光投影法則是將某一特殊線條圖案的光投影到物體表面，通過相機採集物體表面投影光的圖像，計算由物體高度引起的圖案相位變化來獲取物體表面高度信息。
[0005]由於三角坐標法通常須要雷射掃描，故而也可稱為掃描式三維信息採集法。無論是何種光學三維信息採集方法，通常將光垂直入射到物體的表面，相機則在斜向採集物體表面的信息，在物體表面突出處與相機成像方向相對區域的光無法被相機採集到，會產生測量盲點，為了解決這一問題，當前採用的方式為雙目視覺法。雙雙目視覺三維信息採集法是用兩臺相機從物體的對側採集物體表面的圖像，再將兩側獲取的三維信息匹配合成以獲取物體的完整三維信息，從而解決測量盲區的問題。利用雙目視覺法測量時，兩臺相機必須同時採集圖像才能保證各自所得的三維信息能夠相互匹配，以得到物體完整的三維信息。另一方面，在三維信息採集裝置中，相機的成本在整體正本中所佔比例通常超過半數。
【發明內容】
[0006]本申請的實施例的目的是:提供一種鏡像式三維信息的採集方法及裝置，以解決現有三維信息採集系統中兩臺相機同步造成的系統複雜問題，同時降低三維信息採集裝置的成本。
[0007]第一方面，本申請的一可能的實施方案提供了一種三維信息採集裝置，包括:
[0008]一光源，用於對待測物體進行掃描；
[0009]一基準參考單元，設置於所述待測物體遠離所述光源的一側，朝向所述光源一側為一測量基準面；
[0010]一圖像採集單元和一反射鏡；
[0011]所述圖像採集單元設置於所述光源與所述待測物體之間的光路的一側；所述反射鏡設置於所述光路的另一側，並且反射面朝向所述待測物體；所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
[0012]第二方面，本申請的一可能的實施方案提供了一種鏡像式三維信息採集方法，包括:
[0013]通過光源對待側物體進行掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息；
[0014]在所述光源與所述待測物體之間的一光路的一側設置一圖像採集單元，在所述光路的另一側設置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像；
[0015]分析所述圖像，得到與所述掃描對應的所述待測物體表面的三維信息。
[0016]本申請實施例的至少一個實施方案與現有技術相比，其顯著優點為:1)單相機採集圖像不存在雙相機同步問題從而降低了採集裝置的複雜性，2)與雙目視覺相比減少了一個相機，大大降低了三維信息採集系統的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本申請實施例一種鏡像式三維信息採集裝置的結構示意框圖；
[0018]圖2為應用本申請實施例一種鏡像式三維信息採集方法進行的人臉三維信息採集系統不意圖；
[0019]圖3為本申請實施例一種鏡像式三維信息採集方法獲取的圖像示意圖；
[0020]圖4為本申請實施例一種鏡像式三維信息採集方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖(若干附圖中相同的標號表示相同的元素)和實施例，對本申請的【具體實施方式】作進一步詳細說明。以下實施例用於說明本申請，但不用來限制本申請的範圍。
[0022]如圖1所示，本申請實施例提供了一種鏡像式三維信息採集裝置，包括:
[0023]一光源，用於對待測物體進行投影照明及掃描；
[0024]一基準參考單元，設置於所述待測物體遠離所述光源的一側，朝向所述光源一側為一測量基準面；
[0025]其特徵在於，所述裝置還包括:一圖像採集單元和一反射鏡；
[0026]所述圖像採集單元設置於所述光源與所述待測物體之間的光路的一側；所述反射鏡設置於所述光路的另一側，並且反射面朝向所述待測物體；所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
[0027]本申請實施例通過設置反射鏡並通過一圖像採集單元同時採集待測物體一側以及反射鏡中所述待測物體另一側的圖像，來獲得完整的所述光源在所述待測物體上的光斑圖案，與現有雙目視覺技術相比，不存在雙相機同步問題從而降低了採集裝置的複雜性；減少了一個相機，大大降低了三維信息米集系統的成本。
[0028]通過下面的實施例進一步說明本申請實施例的裝置。
[0029]附圖1示例性的示出了本發明第一實施例的鏡像式三維信息採集裝置的原理圖，包括:
[0030]光源101,為一雷射器；
[0031]出光形狀調整裝置102，在一種可能的實施方式中可以為一凸透鏡，其可設置於光源101與待測物體103之間，用於減小雷射的發散角；在另一種可能的實施方式中可以為一柱透鏡，用於將雷射束轉變為線狀雷射；在又一種可能的實施方式中可以為一光柵掩模板，用於將雷射束轉變為幹涉條紋光；
[0032]待測物體103，例如，可以為一人臉；
[0033]圖像採集單元104，在一種可能的實施方式中可以為一 CXD相機或CMOS相機；
[0034]反射鏡105，在一種可能的實施方式中可以為平面鏡或反射稜鏡，其反射面朝向所述待測物體103 ；
[0035]基準參考單兀106,該基準參考單兀具有待測物體的聞度基準面,在一種可能的實施方式中可以為一黑色橡膠板或牆面，其朝向所述雷射器的一面為平面。
[0036]實現雷射掃描的裝置可以在基準參考單元106上加裝帶動所述待測物體103兩維平面移動的平臺，也可以在出光形狀調整裝置102中加裝帶動光源和透鏡兩維平面移動的平臺，還可以在出光形狀調整裝置102中加裝可旋轉的稜鏡偏光系統。
[0037]其中，在一種可能的實施方式中，當所述出光形狀調整裝置102為所述凸透鏡時，出射的雷射在所述待測物體103上形成雷射點圖案。當雷射點照射在基準參考單元106上某一點時，其在圖像中的位置為高度零點。根據三角坐標法的原理，若光點從這一點開始，沿著圖像中長度或者寬度的方向穿過物體進行掃描，則光點在圖像中掃描方向上的位置代表了其在基準參考單元106上的位置，其在垂直於掃描方向上的位置變化則代表了該點的高度。
[0038]在本實施方式中，對於物體表面突出部周邊的三維數據，則根據相機採集的圖像中，在待測物體部分或是鏡像部分可以看到的光點來選取數據來源。經過對物體表面的遍歷後即可獲取物體表面完整的三維數據。
[0039]其中，在一種可能的實施方式中，在所述出光形狀調整裝置102為柱透鏡時，出射的雷射束在所述待測物體103上形成雷射線。當雷射束照射在待測物體103和基準參考單元106上時，其在CCD相機採集的圖像中線狀雷射本身分布的方向上各個像素點代表了物體表面各點的空間位置；在圖像中雷射線的變形程度代表了該點的高度信息。根據三角坐標法的原理，若雷射線沿著垂直於雷射線分布的方向移動，遍歷物體表面後即可獲取物體完整二維彳目息。
[0040]在本實施方式中，對於物體表面突出部周邊的三維數據，則根據相機採集的圖像中，在物體部分或是鏡像部分可以看到完整的雷射線來選取數據來源。
[0041]附圖2為採用本實施方式描述的鏡像式三維信息採集方法進行人臉三維信息採集時的系統示意圖。包括:201為一線狀雷射器、202為一雷射掃描裝置、203為待測人臉、204為一 (XD相機、205為一平面鏡、206為一牆面。
[0042]附圖3為採集到的包含待測物體和鏡像的圖像。由於人臉上鼻子(圖中未示出)具有一定的高度，位於人臉一側的CCD相機所採集的圖像中，部分雷射線由於被鼻子遮擋而缺失，此時，由於反射鏡的存在，鏡像中前面所述被遮擋的一側的雷射線是完整，故而被遮擋的部分高度應由鏡像數據給出。
[0043]其中，在一種可能的實施方式中，在所述出光形狀調整裝置102為光柵掩模板，其將雷射束轉變為幹涉條紋光。當雷射束照射在待測物體103和基準參考單元106上時，在相機採集的圖像中幹涉條紋光的相位隨著物體表面高度不同發生變化，計算出物體表面不同位置光的相位變化即可獲取物體完整三維信息。
[0044]在本實施方式中，對丁物體表面突出部周邊的三維數據，則根據相機採集的圖像中，在物體部分或是鏡像部分可以看到完整的幹涉條紋光來選取數據來源。
[0045]圖4公開了本發明一種鏡像式三維信息採集方法的步驟流程圖，所述方法包括如下步驟:
[0046]步驟S210，通過光源對待側物體進行投影照明及掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息；表面光斑信息包括雷射點、雷射線或光柵圖案在所述待測物體表面投影。
[0047]步驟S220，在所述光源與所述待測物體之間的光路的一側設置一圖像採集單元，在所述光路的另一側設置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像；
[0048]步驟S230，分析所述圖像，得到與所述掃描對應的所述待測物體表面的三維信息。即通過分析基於所述待測物體的高度變化引起的所述表面光斑信息在所述圖像中的相位變化獲取所述待測物體的三維信息。
[0049]本發明實施例中各步驟的具體實現方式參見上述裝置實施例中對應模塊中的對應描述，這裡不再贅述。
[0050]本領域技術人員可以理解，在本申請【具體實施方式】的上述方法中，各步驟的序號大小並不意味著執行順序的先後，各步驟的執行順序應以其功能和內在邏輯確定，而不應對本申請【具體實施方式】的實施過程構成任何限定。
[0051]本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及方法步驟，能夠以電子硬體、或者計算機軟體和電子硬體的結合來實現。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本申請的範圍。
[0052]所述功能如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本申請的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本申請各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括:U盤、移動硬碟、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM, Random Access Memory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0053]以上實施方式僅用於說明本申請，而並非對本申請的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本申請的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本申請的範疇，本申請的專利保護範圍應由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種鏡像式三維信息採集裝置，包括: 一光源，用於對待測物體進行投影照明及掃描； 一基準參考單元，設置於所述待測物體遠離所述光源的一側，朝向所述光源一側為一測量基準面； 其特徵在於，所述裝置還包括:一圖像採集單元和一反射鏡； 所述圖像採集單元設置於所述光源與所述待測物體之間的光路的一側；所述反射鏡設置於所述光路的另一側，並且反射面朝向所述待測物體；所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
2.如權利要求1所述的三維信息採集裝置，其特徵在於:所述裝置還包括: 一出光形狀調整單元，用於對所述光源的出射光形狀進行調整。
3.如權利要求1所述的三維信息採集裝置，其特徵在於:所述光源為一雷射器。
4.如權利要求2所述的三維信息採集裝置，其特徵在於:所述出光形狀調整單元:包括以下的至少一種: 凸透鏡、柱透鏡、以及光柵掩模板。
5.如權利要求1所述的三維信息採集裝置，其特徵在於:所述圖像採集單元包括以下的一種: 一 CCD相機和一 CMOS相機。
6.一種鏡像式三維信息採集方法，其特徵在於包括: 通過光源對待側物體進行投影照明及掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息； 在所述光源與所述待測物體之間的光路的一側設置一圖像採集單元，在所述光路的另一側設置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像採集單元用於採集同時包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像； 分析所述圖像，得到與所述掃描對應的所述待測物體表面的三維信息。
7.如權利要求6所述的鏡像式三維信息採集方法，其特徵在於:所述表面光斑信息包括:雷射點、雷射線。
8.如權利要求7所述的鏡像式三維信息採集方法，其特徵在於:通過分析基於所述待測物體的表面變化引起的所述表面光斑信息在所述圖像中的位置變化獲取所述待測物體的二維信息。
9.如權利要求6所述的鏡像式三維信息採集方法，其特徵在於:所述表面光斑信息包括:光柵掩模板在所述待測物體表面的投影。
10.如權利要求9所述的鏡像式三維信息採集方法，其特徵在於:通過分析基於所述待測物體的表面變化引起的所述特定圖案在所述待測物體表面投影在所述圖像中的相位變化獲取所述待測物體的三維信息。
【文檔編號】G01B11/24GK104296679SQ201410530827
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】唐春曉 申請人:唐春曉