基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統的製作方法

2023-05-17 08:21:31

專利名稱：基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於精密測量領域，具體涉及一種基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，此系統可以使用同一個黑白數字相機同時獲取被測物體表面的密集三維數據和逼真彩色紋理。
背景技術：
結構光三維測量技術目前已在多個領域得到廣泛應用，現有的研究工作主要集中在三維物體的形貌測量上，很少有研究機構和學者重視物體的彩色紋理獲取。隨著三維測量技術在文物複製、人體測量、醫學圖像、虛擬實境等領域的推廣應用，要求三維測量技術在測量被測物體三維形貌的同時還要獲取物體表面的彩色紋理。比如，在醫學圖像中彩色紋理包含了非常重要的信息，對醫生進行醫療診斷具有非常重要的作用；在文物數位化中彩色紋理往往包含有比三維信息更為重要的信息。在結構光測量技術中，使用較多的紋理獲取方法是使用一個專用的彩色相機拍攝被測物體的彩色照片，然後再將彩色照片與三維點雲一一對應起來。然而要精確建立兩者的映射關係非常困難。為了解決這一問題，zhang等在他們的系統中使用一個分光鏡來簡化上述對應問題，因為，從理論上講，兩個相機拍攝的是同一場景，可以直接對應起來。但是這種物理方法的對應精度仍存在問題。最近，英國利茲大學的^iang和Towers提出了一種使用3CXD彩色相機的三維形貌與彩色紋理同時獲取方法。該方法使用DLP投影儀向被測物體投射紅綠藍三組光柵圖像，同時由3CCD彩色相機拍攝經被測物體調製而變形的光柵圖像，然後根據拍攝的光柵圖像可以分別計算出被測物體的三維形貌和彩色紋理。這種方法由於3D和紋理均來自同一相機拍攝的圖片，兩者可以直接對應，而且由於3CCD彩色相機的使用，可以得到質量很高的彩色紋理。但是，由於該方法是用彩色光柵圖像進行3D測量，受到被測物體顏色變化的影響，測量精度低。此外，3CCD彩色相機成本較高，增加了系統的成本。美國愛荷華州立大學的Song Zhang教授提出了一種使用單晶片彩色相機同時獲取被測物體的三維幾何形貌和彩色紋理的新方法，該方法利用相機拍攝圖像Bayer變換的特性，使用變換前的黑白圖像重建被測物體的三維信息，而變換後的彩色圖像即為被測物體的彩色紋理，且由於兩者均來自同一相機，無需建立映射關係。該方法簡單有效，且成本與使用黑白相機的系統相當。但是該文也指出由於該算法受限於Bayer變換的影響，無法得到每個像素點的彩色紋理，系統解析度相對較低。綜上所述，現有的三維數據和彩色紋理同時獲取系統在對應精度、系統成本或測量解析度上還存在一定的缺陷。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，此系統可以使用同一個黑白相機同時獲取被測物體表面的密集三維數據和逼真彩色紋理。為解決以上技術問題，本實用新型提供以下技術方案基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，其不同之處在於其包括計算機、一臺數字投影儀、一臺黑白數字相機，數字投影儀與計算機的VGA接口相連，黑白數字相機與計算機的1394接口或 USB接口相連，三維形貌和彩色紋理均由黑白數字相機拍攝的圖像獲取。按以上方案，所述數字投影儀的光心軸、黑白數字相機的光心軸的夾角為20至45 度之間，數字投影儀與黑白數字相機兩者投影中心之間的距離為200mm至500mm之間。按以上方案，所述數字投影儀為DLP投影儀。本系統由計算機軟體控制數字投影儀向被測物體投射一系列不同頻率的正弦光柵圖像和紅、綠、藍三幅彩色圖像，同時由黑白數字相機以與數字投影儀相同的速度進行同步拍攝，並將拍攝的圖像傳送給計算機，計算機快速的對圖像進行處理，計算出被測物體表面的三維形貌和彩色紋理。該系統最顯著的特徵是三維形貌和彩色紋理均由同一個黑白數字相機拍攝的圖像獲取，因此由圖像的每個像素計算出的三維形貌和彩色紋理可直接一一對應，對應精度高。

圖1為結構光三維測量系統的結構圖；圖2為結構光三維測量系統原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型做進一步詳細的說明。如圖1，本實用新型基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統包括計算機103、一臺數字投影儀101、一臺黑白數字相機102，數字投影儀101與計算機103的 VGA接口相連，黑白數字相機102與計算機103的1394接口或USB接口相連，三維形貌和彩色紋理均由黑白數字相機102拍攝的圖像獲取。其中數字投影儀101的光心軸與黑白數字相機102的光心軸的夾角為20至45度之間，測量時嚴格保持數字投影儀101與黑白數字相機102的相對位置不變，兩者的投影中心的距離為200mm至500mm之間。優選的，所述數字投影儀選用DLP投影儀。測量過程中，首先由計算機103向數字投影儀101順序發送三種不同頻率的四步相位移圖像(共12幅)和紅、綠、藍三幅彩色圖像，數字投影儀101順序投影上述圖像；每幅圖像投影后暫停一段時間(約200ms，與相機拍攝速度相關)，黑白數字相機102拍攝數字投影儀投射到被測物體表面的圖像，並傳送給計算機101 ；計算機101對採集的一組圖像進行處理，計算出被測物體表面的三維數據和彩色紋理。三維數據和彩色紋理的詳細計算過程如下重建三維數據四步相移算法是面結構光三維測量中的常見算法，本專利使用相位移為π/2的四步相移算法。拍攝得到的四幅光柵圖像的光強分布函數為Ii (χ, y) = a (χ, y) +b (χ, y) cos (2 π f0x+ Φ (χ, y) + δ》， (1)[0023] 其中(X，y)為圖像的像素坐標，a(x, y)和b(x，y)為與背景相關的光波振幅，f0 和S 光柵圖像的空間載波頻率和相位移量，樹^>0為待求的(X，y)處的相位值。由四步相移算法可得
權利要求1.基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，其特徵在於其包括計算機、一臺數字投影儀、一臺黑白數字相機，數字投影儀與計算機的VGA接口相連，黑白數字相機與計算機的1394接口或USB接口相連，三維形貌和彩色紋理均由黑白數字相機拍攝的圖像獲取。
2.如權利要求1所述的基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，其特徵在於所述數字投影儀的光心軸、黑白數字相機的光心軸的夾角為20至45度之間，數字投影儀與黑白數字相機兩者投影中心之間的距離為200mm至500mm之間。
3.如權利要求1或2所述的基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統， 其特徵在於所述數字投影儀為DLP投影儀。
專利摘要本實用新型提供一種基於單相機-單投影儀的三維形貌和彩色紋理獲取系統，其包括計算機、一臺數字投影儀、一臺黑白數字相機，數字投影儀與計算機的VGA接口相連，黑白數字相機與計算機的1394接口或USB接口相連，三維形貌和彩色紋理均由黑白數字相機拍攝的圖像獲取。此系統可以使用同一個黑白數字相機同時獲取被測物體表面的密集三維數據和逼真彩色紋理，由圖像的每個像素計算出的三維形貌和彩色紋理可直接一一對應，對應精度高。
文檔編號G03B17/54GK202074952SQ20112013681
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者李中偉 申請人:李中偉