專(zhuān)利名稱(chēng)：基于空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像方法，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。
背景技術(shù)：
在基于三角法的主動(dòng)三維傳感技術(shù)中，以傳統(tǒng)的三角測(cè)量為基礎(chǔ)，由于三維物體表面形狀對(duì)結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生的的空間調(diào)制，改變了成像光束的角度，即改變了成像光點(diǎn)在探測(cè)器陣列上的位置，通過(guò)對(duì)成像光點(diǎn)位置的確定和系統(tǒng)光路的幾何參數(shù)，計(jì)算出距離?，F(xiàn)有的技術(shù)包括采用單光束點(diǎn)結(jié)構(gòu)照明的方法和采用片狀光束的線(xiàn)結(jié)構(gòu)照明的方法，以及相位測(cè)量輪廓術(shù)，包括相移輪廓術(shù)、Fourier變換輪廓術(shù)和空間相位探測(cè)輪廓術(shù)。相位測(cè)量輪廓術(shù)也最終歸結(jié)為三角測(cè)量法，只不過(guò)在不同的測(cè)量技術(shù)中采用不同的方式來(lái)從觀測(cè)光場(chǎng)中提取三角計(jì)算中所需要的幾何參數(shù)。
采用單光束點(diǎn)結(jié)構(gòu)照明的方法，由于每次只有一個(gè)點(diǎn)被測(cè)量，為了形成完整的三維物體數(shù)字像，必須附加二維掃描，這種方法采樣效率低，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，不適用于實(shí)時(shí)測(cè)量；采用片狀光束的線(xiàn)結(jié)構(gòu)照明的方法，結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)投射一個(gè)片狀光束到被測(cè)物體表面，形成線(xiàn)結(jié)構(gòu)照明，仍然需要一維掃描，才可以形成完整的三維物體數(shù)字像；相位測(cè)量輪廓術(shù)投射的是一個(gè)二維圖形到被測(cè)物體，形成面結(jié)構(gòu)照明，一次測(cè)量可以得到一個(gè)完整的三維物體數(shù)字像，相位測(cè)量輪廓術(shù)具有較高的測(cè)量速度和精度，但由于計(jì)算出的相位分布被截?cái)嘣诜慈呛瘮?shù)的主值范圍內(nèi)，如果被測(cè)物體拓?fù)鋸?fù)雜或表面起伏較大，進(jìn)行相位展開(kāi)時(shí)，存在相位模糊的問(wèn)題，這是相位展開(kāi)非常困難的一個(gè)問(wèn)題。
可對(duì)比的技術(shù)文獻(xiàn)有下以三篇[1]James S.Ellis，″Three-dimensional measuring system for animals using structured light″，US Patent 6,377,353. Richard McBain，″high speed laser triangulation measurements of shape and thickness″，USPatent 6,466,305. Paul R，Yoder JR.，″topography measuring apparatus″，US Patent 4,902,123.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于空間點(diǎn)陣投影實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字成像的方法，該方法具有較高的采樣效率，又對(duì)拓?fù)鋸?fù)雜的自由曲面具有較強(qiáng)的普適性。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的一種基于空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像方法，該方法采用包括數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器的成像裝置；偏轉(zhuǎn)圖像傳感接收器使其光軸與投影點(diǎn)陣照明視場(chǎng)中心位于同一直線(xiàn)，數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳、圖像傳感接收器的入瞳和照明場(chǎng)的中心構(gòu)成一個(gè)三角形，以數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳之間的連線(xiàn)為基線(xiàn)，它和投射在物體上點(diǎn)陣中的所有點(diǎn)的中心構(gòu)成了若干三角形，形成了三角測(cè)量系統(tǒng)，其特征是根據(jù)仿射變換的原理，分別投影在參考平面和被測(cè)物體表面的編碼點(diǎn)陣，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移和透視投影變換，可分別得到參考平面和被測(cè)物體表面上的編碼點(diǎn)陣在圖像接收傳感器平面上的空間坐標(biāo)的解析式，并可進(jìn)一步得到上述兩個(gè)點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間在成像平面x方向上的位置差與被測(cè)物體在相應(yīng)點(diǎn)處深度值之間的關(guān)系；從而數(shù)字投影照明發(fā)射器投射二維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光照明，在圖像接收傳感器得到參考平面的點(diǎn)陣圖像和投射在被測(cè)物體表面上的點(diǎn)陣圖像，椐已知系統(tǒng)光路幾何參數(shù)，圖像處理器可計(jì)算點(diǎn)陣圖像相應(yīng)點(diǎn)之間在x方向上的位置差，再根據(jù)位置差與被測(cè)物體在相應(yīng)點(diǎn)處深度值之間的關(guān)系計(jì)算出物體的深度圖像。
上述數(shù)字投影照明發(fā)射器投射的二維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光，投射不同疏密程度的二維點(diǎn)陣圖形，可實(shí)現(xiàn)多種空間分辨率的三維數(shù)字成像。
上述投影照明發(fā)射器投射二維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光，投射的二維點(diǎn)陣在垂直于光軸的平面內(nèi)做兩維數(shù)字移動(dòng)，最小移動(dòng)步長(zhǎng)為1個(gè)像素，以填補(bǔ)由于離散而丟失的其它空間點(diǎn)的深度信息，可獲得高空間分辨率。
本發(fā)明是利用投射在參考平面的點(diǎn)陣和投射在被測(cè)物體表面上的點(diǎn)陣分別在圖像接收傳感器上所成的點(diǎn)陣像，通過(guò)計(jì)算相對(duì)應(yīng)“點(diǎn)陣對(duì)”在成像平面x方向的位置差，來(lái)確定物體的深度值。與已有的方法和技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)投射二維空間點(diǎn)陣到被測(cè)物體上，一次成像即可獲得一個(gè)完整的被測(cè)物體的三維數(shù)字像，即克服了原有三角法的主動(dòng)三維傳感技術(shù)中必須逐點(diǎn)或逐行掃描的缺點(diǎn)，提高了采樣效率。與相位測(cè)量輪廓術(shù)比較，點(diǎn)陣編碼方法是直接通過(guò)對(duì)成像點(diǎn)陣的位置確定來(lái)計(jì)算物體的深度，相位測(cè)量輪廓術(shù)采用條紋圖編碼，物體的深度信息編碼在載波條紋中，通過(guò)計(jì)算折疊相位和相位展開(kāi)，以及光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)間接獲得物體的深度像，當(dāng)被測(cè)物體拓?fù)鋸?fù)雜或表面起伏較大或存在信息盲區(qū)時(shí)，相位測(cè)量輪廓術(shù)的相位展開(kāi)變成非常困難的問(wèn)題，例如會(huì)產(chǎn)生相位模糊和誤差傳播；基于空間點(diǎn)陣投影實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字成像的方法采用點(diǎn)陣作為編碼方式不存在相位模糊和誤差傳播的問(wèn)題，并可在一定程度上緩解由于信盲區(qū)造成的數(shù)據(jù)殘缺不全的問(wèn)題。因此，本發(fā)明即具有較高的采樣效率，又對(duì)拓?fù)鋸?fù)雜的自由曲面具有較強(qiáng)的普適性。
2)本發(fā)明為滿(mǎn)足不同空間分辨率的測(cè)試需要，可以投射不同疏密程度的二維點(diǎn)陣形，實(shí)現(xiàn)多種空間分辨率的三維數(shù)字成像；3)為了獲得足夠高得空間分辨率，本發(fā)明投射的二維點(diǎn)陣可以在垂直于光軸的平面內(nèi)做兩維數(shù)字移動(dòng)，最小移動(dòng)步長(zhǎng)為1個(gè)像素，以填補(bǔ)由于離散而丟失的其它空間點(diǎn)的深度信息，獲得高空間分辨率。


圖1是投影在參考平面上點(diǎn)陣成像的原理圖。
圖2是投影在任意曲面的三維物體上點(diǎn)陣成像的原理圖。
圖3是本發(fā)明的點(diǎn)陣成像結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明所投射的二維空間點(diǎn)陣示意圖。
圖5對(duì)一個(gè)人頭部模型實(shí)際測(cè)量時(shí)點(diǎn)陣投射照明的圖像。圖中的方框?yàn)橛?jì)算深度時(shí)選擇的范圍。
圖6是對(duì)圖5中人頭部模型所選范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)量的三維數(shù)字像。
圖7是一個(gè)臺(tái)階狀物體實(shí)際測(cè)量時(shí)點(diǎn)陣投射照明的圖像。
圖8是對(duì)圖7中臺(tái)階狀物體實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。
下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
附圖1是投影在參考平面上點(diǎn)陣成像的結(jié)構(gòu)示意圖。點(diǎn)P是數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳，Po為投影光軸，投影光線(xiàn)PP1、PP2和PP3與參考平面R的交點(diǎn)確定了投射的二維空間點(diǎn)陣在參考平面上的位置。點(diǎn)I是圖像傳感接收器的入瞳，Io為成像光軸，它與投影光軸的夾角為α，Ip是圖像傳感接收器平面相對(duì)于點(diǎn)I的對(duì)稱(chēng)平面，根據(jù)透視投影的原理，點(diǎn)陣在圖像傳感接收器上成像的位置可以通過(guò)計(jì)算成像光線(xiàn)與平面Ip的交點(diǎn)的位置得到。
在此成像系統(tǒng)中，投射在參考平面上的點(diǎn)陣的成像過(guò)程可以分為三個(gè)步驟首先，把物坐標(biāo)系xyz繞y軸正向旋轉(zhuǎn)α角，變換為坐標(biāo)系x′y′z′，使新坐標(biāo)系的z′o′軸與成像光軸Io重合；然后，把坐標(biāo)系x′y′z′沿z′軸負(fù)向平移L，使圖像傳感接收器的入瞳I(xiàn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，變換后的坐標(biāo)系為xpypzp；最后，在坐標(biāo)系xpypzp下做透視投影，透視投影平面Ip與zp軸垂直，在距原點(diǎn)F(焦距)的位置上，它與圖像傳感接收器平面相對(duì)于xpopyp對(duì)稱(chēng)。
那么，經(jīng)過(guò)上述步驟一和二后，可得到參考平面R(z＝0)在xpypzp坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為
其中α為投影光軸Po和成像光軸Io之間的夾角；L為圖像傳感接收器的入瞳I(xiàn)與照明場(chǎng)的中心o之間的距離；Δx為投影在參考平面R上的點(diǎn)陣沿x方向的間距；kx取整數(shù)，為Δx所乘系數(shù)，用來(lái)表示不同點(diǎn)在物坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)值。
然后在坐標(biāo)系xpypzp下做透視投影，即可確定該點(diǎn)陣在平面Ip上的位置xszs=xp0F⇒xp0=kxΔxcosαL-kxΔxsinαF---(2)]]>其中F為成像系統(tǒng)的焦距。
對(duì)于一個(gè)三維被測(cè)物體，如圖2所示，是投影在任意曲面的三維物體上點(diǎn)陣成像的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1中相同的投射光線(xiàn)PP1、PP2和PP3與被測(cè)物體表面的相交與點(diǎn)B1、B2和B3，這些交點(diǎn)確定了投射的二維空間點(diǎn)陣在物體表面S上的空間位置。投射在物體表面S的點(diǎn)陣同樣經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，成像在圖像傳感接收器上。此時(shí)可以得到S上的點(diǎn)陣在xpypzp坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 那么在坐標(biāo)系xpypzp下做透視投影，可得出物體表面上的點(diǎn)陣在透視投影平面Ip上的位置xp=xbzbzp=xcosα+zsinαL-xsinα+zcosαF---(4)]]>根據(jù)式(2)、(4)可得到兩個(gè)點(diǎn)陣中相對(duì)應(yīng)點(diǎn)形成的“點(diǎn)陣對(duì)”之間在x方向的位置差ΔxpΔxp＝xp-xp0(5)其中Δxp的計(jì)算表達(dá)式中包含有它與物體在該點(diǎn)深度值之間的關(guān)系，從而得到物體深度值的計(jì)算表達(dá)式。在光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)為已知的情況下，所有“點(diǎn)陣對(duì)”之間在x方向的位移可結(jié)合參考平面的點(diǎn)陣圖像和被測(cè)物體表面上的點(diǎn)陣圖像計(jì)算得到，計(jì)算出物體表面上所有離散點(diǎn)的深度值，從而獲得物體的深度像。
具體實(shí)施例方式
按照上述方法，實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像的裝置，主要包括數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器。所說(shuō)的數(shù)字投影照明發(fā)射器可以是數(shù)字液晶投影裝置(LCD投影儀)，數(shù)字微鏡投影裝置(DMD投影儀)或硅基片液晶投影裝置(LCOS投影儀)，可用計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)方便地生成不同疏密程度的二維點(diǎn)陣圖形并寫(xiě)入數(shù)字投影裝置；所說(shuō)的圖像傳感接收器包括光學(xué)成像透鏡與光電探測(cè)器構(gòu)成，光學(xué)成像透鏡可以是定焦距或變焦距的成像透鏡或透鏡組，二元光學(xué)成像系統(tǒng)，衍射元件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所說(shuō)的光電探測(cè)器件可以是電荷耦合器件，液晶器件，空間光調(diào)制器件，CMOS器件或數(shù)碼相機(jī)。所說(shuō)的圖像處理器是數(shù)字信號(hào)處理器與可編程專(zhuān)用集成電路的組合，也可以是通用圖像處理卡和計(jì)算機(jī)組合構(gòu)成。其特征在于，數(shù)字投影照明發(fā)射器投射二維空間點(diǎn)陣，圖像傳感接收器放置在點(diǎn)陣照明場(chǎng)的中心所處的水平面內(nèi)，并偏轉(zhuǎn)一定的角度，使它的光軸與點(diǎn)陣照明場(chǎng)的中心處于一條直線(xiàn)。
下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。
如附圖3所示，數(shù)字投影照明發(fā)射器101的投影鏡102的出瞳P、圖像傳感接收器103的成像透鏡104的入瞳I(xiàn)和照明場(chǎng)的中心o位于同一平面內(nèi)，并構(gòu)成一個(gè)三角形，投影光軸Po與成像光軸之Io間的夾角為α，以PI之間的連線(xiàn)為基線(xiàn)，它和投射在物體的所有點(diǎn)陣的中心構(gòu)成了若干三角形，形成了三角測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)字投影照明發(fā)射器101所需的二維空間點(diǎn)陣圖由圖像處理器105的計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生，二維點(diǎn)陣分別投射在參考平面106和物體107的表面S，參考平面上的規(guī)則點(diǎn)陣和表征任意自由表面物體形貌的深度信息的變形點(diǎn)陣，分別通過(guò)圖像傳感接收器103接收，并傳送到圖像處理器107，通過(guò)比較參考平面和被測(cè)物體表面上點(diǎn)陣分別在圖像傳感接收器上形成的點(diǎn)陣像相對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣的位置差異，計(jì)算被測(cè)物體的深度值。
圖4是本發(fā)明所投射的一個(gè)二維空間點(diǎn)陣示例，點(diǎn)陣的疏密程度，根據(jù)被測(cè)物體表面的復(fù)雜程度調(diào)整，可以投射多種疏密程度的點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)多種空間分辨率的三維數(shù)字成像。
圖5對(duì)一個(gè)人頭部模型實(shí)際測(cè)量時(shí)點(diǎn)陣投射照明的圖像。圖中的方框?yàn)橛?jì)算深度時(shí)選擇的范圍。
圖6是對(duì)圖5中人頭部模型所選范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)量的三維數(shù)字像。
圖7是一個(gè)臺(tái)階狀物體實(shí)際測(cè)量時(shí)點(diǎn)陣投射照明的圖像。
圖8是對(duì)圖7中臺(tái)階狀物體實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像方法，該方法采用包括數(shù)字投影照明發(fā)器、圖像傳感接收器和圖像處理器的成像裝置；偏轉(zhuǎn)圖像傳感接收器使其光軸與投影點(diǎn)陣照明視場(chǎng)中心位于同一直線(xiàn)，數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳、圖像傳感接收器的入瞳和照明場(chǎng)的中心構(gòu)成一個(gè)三角形，以數(shù)字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳之間的連線(xiàn)為基線(xiàn)，它和投射在物體上點(diǎn)陣中的所有點(diǎn)的中心構(gòu)成了若干三角形，形成了三角測(cè)量系統(tǒng)，其特征是根據(jù)仿射變換的原理，分別投影在參考平面和被測(cè)物體表面的編碼點(diǎn)陣，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移和透視投影變換，可分別得到參考平面和被測(cè)物體表面上的編碼點(diǎn)陣在圖像接收傳感器平面上的空間坐標(biāo)的解析式，并可進(jìn)一步得到上述兩個(gè)點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間在成像平面x方向上的位置差與被測(cè)物體在相應(yīng)點(diǎn)處深度值之間的關(guān)系；從而數(shù)字投影照明發(fā)射器投射二維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光照明，在圖像接收傳感器得到參考平面的點(diǎn)陣圖像和投射在被測(cè)物體表面上的點(diǎn)陣圖像，椐已知系統(tǒng)光路幾何參數(shù)，圖像處理器可計(jì)算點(diǎn)陣圖像相應(yīng)點(diǎn)之間在x方向上的位置差，再根據(jù)位置差與被測(cè)物體在相應(yīng)點(diǎn)處深度值之間的關(guān)系計(jì)算出物體的深度圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是二維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光投射不同疏密程度的二維點(diǎn)陣圖形，可實(shí)現(xiàn)多種空間分辨率的三維數(shù)字成像。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是投射的二維點(diǎn)陣在垂直于光軸的平面內(nèi)做兩維數(shù)字移動(dòng)，最小移動(dòng)步長(zhǎng)為1個(gè)像素，以填補(bǔ)由于離散而丟失的其它空間點(diǎn)的深度信息，可獲得高空間分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間點(diǎn)陣投影的三維數(shù)字成像方法，屬于三維數(shù)字成像技術(shù)。該方法采用數(shù)字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構(gòu)成的成像裝置。數(shù)字投影照明發(fā)射器對(duì)物體表面投射二維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光，以發(fā)射器出瞳與圖像傳感接收器入瞳之間的連線(xiàn)為基線(xiàn)，它和投射在物體上點(diǎn)陣中的所有點(diǎn)的中心構(gòu)成了若干三角形，形成三角測(cè)量系統(tǒng)；圖像接收傳感器得到投射在參考平面和被測(cè)物體表面上的點(diǎn)陣的圖像，通過(guò)比較被測(cè)物體表面和參考平面上的“點(diǎn)陣對(duì)”的位置變化，計(jì)算相對(duì)應(yīng)“點(diǎn)陣對(duì)”在成像平面x方向的位置差，來(lái)計(jì)算物體的深度圖像。本發(fā)明具有較高的采樣效率，對(duì)拓?fù)鋸?fù)雜的自由曲面具有較強(qiáng)的普適性。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1617009SQ20041007198
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者彭翔, 田頸東, 牛憨笨 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)