一种高性价比的3D实景复制装置制造方法及图纸

高性价比的3D实景复制装置，包括用于拍摄被重构物体的单目多视角立体视觉传感器，用于对被重构物体进行图像处理和3D实景复制的微处理器；单目多视角立体视觉传感器包括：斗型镜腔、外壳、载物台、高清摄像机和半球形LED光源；所述的微处理器包括：用于读取包含5个不同视角的被重构物体图像的图像读取模块，用于从5个不同视角的图像中分割出被重构物体前景并利用传感器的标定结果对不同视角图像进行旋转变换及畸变校正的图像处理模块，用于将各视图中被重构物体的图像亮度均匀化的图像增强模块，用于提取被重构物体表面点的真实三维坐标值及颜色值的三维点云获取模块，用于将点云数据进行三维重构的点云重构模块。

【技术实现步骤摘要】
一种高性价比的3D实景复制装置（一）
本专利技术属于立体成像技术、光学技术和计算机视觉技术在三维重构方面的应用。（二）
技术介绍
基于计算机视觉的空间三维信息获取与立体重构技术，是一门极具发展潜力和实用价值的应用技术。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，反向工程技术、实景复制技术的发展推动着测绘技术由二维平面向三维立体，由模拟测绘向数字测绘的演进。尤其是3D打印机的出现，迫切需要一种与其配套的3D实景复制技术。3D实景复制技术的核心是对被重构物体的三维重建。三维重建是要研究三维空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系。实景复制技术是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型的一种三维重建技术，它可以被广泛的应用于工业、医学、安防、考古及游戏等领域。三维重建技术包括了三维测量与立体重构。就目前而言，三维测量技术被分为两大类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量的原理是利用探针接触被重构物体表面来获取其三维坐标数据，典型的代表有坐标测量机、接触式影像测量仪等等，这种测量技术虽然对被重构物体表面三维坐标测量精度很高，但本身存在着很多缺点：1.由于收到扫描速度与机械运动的限制，其测量速度慢且测量前需要进行路径规划；2.对软质材料测量效果不好，对一些边缘、尖角等区域也无法测量；3.测量仪器复杂，对环境要求高，必须防震，防尘，恒温等；4.价格昂贵。作为非接触式三维测量技术，又可以分成光学式与非光学式两大类。随着计算机视觉与数字图像检测这一新兴学科的兴起与发展，近年来对物体表面的三维测量技术的研究集中于非接触式的光学三维测量方面。其中，研究最多、应用最广的便是双目立体视觉的三维测量与立体重构技术。双目立体视觉的测量原理是：从两个视点观察同一景物，获取被重构物体在不同视角下的图像，通过三角测量的方法将匹配点的视差信息转换为深度信息。一般的，基于双目立体视觉的三维重建分为以下几个步骤：1）图像的获取，由不同位置的多台(包括两台)摄像机或者一台摄像机移动或旋转拍摄同一景物，获得立体图像对。2）摄像机标定，通常先对单摄像机进行标定，分别获得每台摄像机的内外参数；再通过同一世界坐标系中的一组或多组标定点来建立两个摄像机之间的位置关系。3）特征提取与匹配，提取图像对中被重构物体表面的特征点并对其进行匹配，一般的，特征点的选取需要满足以下要求：具有足够的鲁棒性和一致性，不会因为视角、光线等外界因素的变化而改变；具有足够明显的特征可以被摄像机检测到。4）立体图像匹配，根据匹配基元的不同，可以分为区域匹配、特征匹配和相位匹配，通过立体图像匹配可以计算出视差图。5）三维重建，利用视差计算点的深度值，获得图像对中所有前景的深度点云，对点云进行插值或网格化就可以得到物体的三维模型。从上面这五个步骤依次分析整个三维重建过程的实现难度：首先是图像获取，图像获取的方式有两种，一是采用多台摄像机拍摄同一景物获得图像对；二是采用单个摄像机平移或旋转拍摄同一景物获得图像对。前者需要保证多台摄像机具有相同的角距和内部参数，且光轴互相平行，后者则需摄像机每次旋转角度或平移的距离能保持一致。在一般情况下，上述条件都很难严格满足，因而这也制约了三维重建的精度。其次是摄像机标定，在多摄像机标定中，需要得到精确的外部参数。由于结构配置上的误差，多台摄像机的距离和视角受到限制，一般需要6个以上的已知世界坐标点才能得到比较满意的参数矩阵。因此，整个标定过程不但复杂，而且标定结果并不一定理想。此外，多摄像机的标定还需考虑镜头的非线性校正、测量范围等问题。然后是特征提取与立体图像匹配，关于图像对的特征匹配主要存在以下两个问题：一是对于一些形状规则，表面纹理均匀的被重构物体很难提取理想的特征点；二是无论那种匹配算法都需要耗费很多的计算资源。最后是三维重建，对被测景物表面的任意点，它的世界坐标是通过该点在两幅图像中的对应坐标和两摄像机的参数矩阵联合计算得到的，其计算量大且受标定误差与匹配误差影响较大。一种理想的立体视觉系统希望拍摄的硬件装置简单可靠、成本低廉，进行三维重构的软件算法准确率高、实时性强和计算量小。（三）
技术实现思路
为了克服已有三维重构技术中存在的实时性差、计算复杂度高、硬件成本高、维护和使用困难等不足，本专利技术提供一种实时性好、计算简单、硬件成本低廉、便于维护和使用的3D实景复制技术。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性价比的3D实景复制技术，其核心是能高效、快速、准确、简单地重构出被重构物体的三维立体大小、形状及纹理。本专利技术首先利用了机械制图中视图中长对正，高平齐，宽相等的几何投影原理，利用这种几何关系作为实现对被重构物体的三维测量与重构时的几何约束条件；但是这里要注意到利用长对正，高平齐，宽相等的几何投影原理只是在投影视图情况下才能满足三维几何约束条件，而在非投影视图情况下只能提供二维几何约束条件。因此，如何简单高效准确地获得从不同视角方向的视图是本专利技术的一个关键技术。首先本专利技术提出了一种以物为中心的单目多视角立体视觉传感器来获取被重构物体的俯视图、主视图、左视图、后视图以及右视图，如附图1所示；所述的单目多视角立体视觉传感器由1个高清摄像机和1个平面镜斗型腔构成，通过高清摄像机的一次成像来获取被重构物体在5个不同视角上的图像。所述的平面镜斗型腔由尺寸相同的4面等腰梯形镜面组成，镜腔呈上大下小且镜面朝向腔体内侧，同时，腔体的中轴线重合于摄像机的主光轴。高清摄像机放置于平面镜腔正上方，镜头的入射光线由腔体内的直射光线和镜面反射光线组成。其中，通过腔体的直射光线投射在摄像机成像平面的中央区域，通过镜面反射的光线投射在摄像机成像平面的周边区域，根据镜面的折反射原理就可以得到被重构物体多个视角的影像。所述的单目多视角立体视觉传感器中共有5个不同的透视投影点，分别为真实摄像机的透视投影点以及4个平面镜中虚拟摄像机的透视投影点，成像的图像分别对应于俯视图、主视图、左视图、后视图以及右视图。因此，从成像的效果来说，所述的单目多视角立体视觉传感器相当于配置了5台内部参数和颜色系统严格一致的高清摄像机。各个摄像机，包括真实摄像机和4个虚拟摄像机，它们坐标系之间的空间位置保持固定不变，并且两两之间成90°关系。在从不同视角分别获得俯视图、主视图、左视图、后视图以及右视图后，下一步工作是如何从各视图中分割出被重构物体图像；由于主视图、左视图、后视图以及右视图是通过折反射原理最终在真实摄像机成像的，与俯视图不同是直接透视成像的。因此，首先要对主视图、左视图、后视图以及右视图进行180°的旋转变换，旋转变换后的各视图符合透视成像原理；接着对旋转变换后的各视图进行阈值分割，分割出从不同特定视角情况下获得的被重构物体表面形状；最后要对不同特定视角情况下获得的被重构物体表面形状进行三维测量；要强调的是这里所述的不同特定视角是指俯视图、主视图、左视图、后视图以及右视图；本专利技术中将世界坐标系的坐标原点设置在5个摄像机的光轴线的交点处，本专利技术将世界坐标系的Z轴与真实摄像机的光轴重合，X轴和Y轴与4个虚拟摄像机中的2个虚拟摄像机的光轴重合；通过这样的设置就决定了被重构物体在俯视图、主视图、左视图、后视图以及右视图的成像范围；为了准确地对被重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性价比的3D实景复制装置，其特征在于：包括用于拍摄被重构物体的单目多视角立体视觉传感器，用于对被重构物体进行图像处理和3D复制的微处理器；所述的微处理器还包括：图像读取模块，用于从所述的视觉传感器中读取包含5个不同视角的被重构物体图像；传感器标定模块，用于对高清摄像机进行标定以及镜头的畸变校正；图像处理模块，用于从5个不同视角的图像中分割出被重构物体前景并利用传感器的标定结果对不同视角图像进行旋转变换及畸变校正，得到被重构物体的俯视图、主视图、左视图、后视图及右视图五种基本视图；图像增强模块，用于对主视图、左视图、后视图及右视图中由于折反射成像及照明不充分的像素进行亮度分量进行调整，使得各视图中被重构物体的图像亮度均匀化；三维点云获取模块，依据基本视图之间的长对正、高平齐、宽相等原则对被重构物体表面点的区域进行几何约束，然后以颜色一致性准则判定被重构物体表面的体素，并以该体素的真实三维坐标值及颜色值按照3D重构的数据格式要求保存点云数据；点云重构模块，用于将在所述的三维点云获取模块中获取的点云数据进行三维重构，实现被重构物体的三维实景复制。

【技术特征摘要】
1.一种高性价比的3D实景复制装置，其特征在于：包括用于拍摄被重构物体的单目多视角立体视觉传感器，用于对被重构物体进行图像处理和3D复制的微处理器；所述的微处理器还包括：图像读取模块，用于从所述的视觉传感器中读取包含5个不同视角的被重构物体图像；传感器标定模块，用于对高清摄像机进行标定以及镜头的畸变校正；图像处理模块，用于从5个不同视角的图像中分割出被重构物体前景并利用传感器的标定结果对不同视角图像进行旋转变换及畸变校正，得到被重构物体的俯视图、主视图、左视图、后视图及右视图五种基本视图；图像增强模块，用于对主视图、左视图、后视图及右视图中由于折反射成像及照明不充分的像素进行亮度分量进行调整，使得各视图中被重构物体的图像亮度均匀化；三维点云获取模块，依据基本视图之间的长对正、高平齐、宽相等原则对被重构物体表面点的区域进行几何约束，然后以颜色一致性准则判定被重构物体表面的体素，并以该体素的真实三维坐标值及颜色值按照3D重构的数据格式要求保存点云数据；点云重构模块，用于将在所述的三维点云获取模块中获取的点云数据进行三维重构，实现被重构物体的三维实景复制；所述的单目多视角立体视觉传感器包括：用于从不同视角反射被重构物体外形的斗型镜腔，用于固定摄像机和LED光源以及密闭整个检测空间的装置外壳，用于放置被重构物体的载物台，用于拍摄被重构物体外形的高清摄像机，用于为装置提供照明的白色半球形LED光源；所述的斗型镜腔由4面尺寸相同的等腰梯形镜面构成，镜腔呈上大下小且镜面朝向腔体内侧，同时，腔体的中轴线重合于摄像机的主光轴；所述的装置外壳上部中心处用于固定所述高清摄像机与LED光源，底部用于固定所述斗型镜腔；所述的白色半球形LED光源由环状LED点光源和粗糙半球形内壁构成，从LED点光源发出的光线经过半球形内壁反射后照射到被重构物体表面，从而保证了被重构物体表面均匀的受光；所述的图像读取模块，用于从所述的高清摄像机中读取包含5个不同视角的被重构物体图像；所述的图像处理模块用于从5个不同视角的图像中分割出被重构物体前景并利用传感器的标定结果对不同视角图像进行旋转变换及畸变校正，得到被重构物体的俯视图、主视图、左视图、后视图及右视图五种基本视图；具体做法是用所述的图像处理模块中的全局Ostu算法对5幅从不同视角的图像进行分割，在提取被重构物体前景后，利用标定结果参数对所有视角的被重构物体图像进行归一化处理，归一化处理中采用了大小变换、平移变换、旋转变换及畸变校正算法，使得5幅从不同视角的图像符合基本视图之间的长对正、高平齐、宽相等原则；所述的图像增强模块，用于对主视图、左视图、后视图及右视图中由于折反射成像及照明不充分的像素进行亮度分量进行调整，使得各视图中被重构物体的图像亮度均匀化；具体做法是：首先，用公式(1)将左、主、右、后视图的图像转换到HSI颜色空间上，式中，R,G,B分别为左、主、右、后视图的图像在RGB颜色空间上的分量，H、S、I分别为左、主、右、后视图的图像在HSI颜色空间上的分量，然后，根据镜面制造商提供的镜面反射率并考虑照明光源在不同视角上的照明强度，用公式(2)对亮度分量进行调整，I'＝I×ΔI(2)式中，ΔI为大于1的亮度调整系数，I'为亮度调整后的亮度分量；然后用公式(3)将亮度增强后的左、主、右、后视图的图像再变换到RGB颜色空间上，使得各视图上的被重构物体图像具有相同的颜色纹理特性；公式(3)计算出来的r、g、b是归一化的RGB颜色空间的颜色分量，要转换成标准的RGB颜色空间还需要对r、g、b的值乘上255，得到亮度增强后R',G',B'值。2.如权利要求1所述的高性价比的3D实景复制装置，其特征在于：所述的三维点云获取模块，依据基本视图之间的长对正、高平齐、宽相等原则提取出被重构物体表面点的真实三维坐标值及颜色值，并按照3D重构的数据格式要求保存点云数据；首先建立高斯坐标系，坐标系的原点设定在5个摄像机的光轴线的交点处，主视图和后视图中为XOZ平面，左视图和右视图中为YOZ平面，俯视图中为XOY平面，以XOZ平面和YOZ平面将被重构物体切分为四个体，即以方位角α相隔90°进行切分；进行这样切分后得到在不同方位角α情况下遍历视图的范围，如表1所示；表1显示了方位角α的范围与遍历的视图范围的关系，这里使用离散的体素来表示被重构物体的几何...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤一平，杨瑞达，夏少杰，徐邦振，杨昭，刘森森，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33