基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其包括计算机、一台数字投影仪、一台黑白数字相机，数字投影仪与计算机的VGA接口相连，黑白数字相机与计算机的1394接口或USB接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机拍摄的图像获取。此系统可以使用同一个黑白数字相机同时获取被测物体表面的密集三维数据和逼真彩色纹理，由图像的每个像素计算出的三维形貌和彩色纹理可直接一一对应，对应精度高。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于精密测量领域，具体涉及一种基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，此系统可以使用同一个黑白数字相机同时获取被测物体表面的密集三维数据和逼真彩色纹理。
技术介绍
结构光三维测量技术目前已在多个领域得到广泛应用，现有的研究工作主要集中在三维物体的形貌测量上，很少有研究机构和学者重视物体的彩色纹理获取。随着三维测量技术在文物复制、人体测量、医学图像、虚拟现实等领域的推广应用，要求三维测量技术在测量被测物体三维形貌的同时还要获取物体表面的彩色纹理。比如，在医学图像中彩色纹理包含了非常重要的信息，对医生进行医疗诊断具有非常重要的作用；在文物数字化中彩色纹理往往包含有比三维信息更为重要的信息。在结构光测量技术中，使用较多的纹理获取方法是使用一个专用的彩色相机拍摄被测物体的彩色照片，然后再将彩色照片与三维点云一一对应起来。然而要精确建立两者的映射关系非常困难。为了解决这一问题，zhang等在他们的系统中使用一个分光镜来简化上述对应问题，因为，从理论上讲，两个相机拍摄的是同一场景，可以直接对应起来。但是这种物理方法的对应精度仍存在问题。最近，英国利兹大学的^iang和Towers提出了一种使用3CXD彩色相机的三维形貌与彩色纹理同时获取方法。该方法使用DLP投影仪向被测物体投射红绿蓝三组光栅图像，同时由3CCD彩色相机拍摄经被测物体调制而变形的光栅图像，然后根据拍摄的光栅图像可以分别计算出被测物体的三维形貌和彩色纹理。这种方法由于3D和纹理均来自同一相机拍摄的图片，两者可以直接对应，而且由于3CCD彩色相机的使用，可以得到质量很高的彩色纹理。但是，由于该方法是用彩色光栅图像进行3D测量，受到被测物体颜色变化的影响，测量精度低。此外，3CCD彩色相机成本较高，增加了系统的成本。美国爱荷华州立大学的Song Zhang教授提出了一种使用单芯片彩色相机同时获取被测物体的三维几何形貌和彩色纹理的新方法，该方法利用相机拍摄图像Bayer变换的特性，使用变换前的黑白图像重建被测物体的三维信息，而变换后的彩色图像即为被测物体的彩色纹理，且由于两者均来自同一相机，无需建立映射关系。该方法简单有效，且成本与使用黑白相机的系统相当。但是该文也指出由于该算法受限于Bayer变换的影响，无法得到每个像素点的彩色纹理，系统分辨率相对较低。综上所述，现有的三维数据和彩色纹理同时获取系统在对应精度、系统成本或测量分辨率上还存在一定的缺陷。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，此系统可以使用同一个黑白相机同时获取被测物体表面的密集三维数据和逼真彩色纹理。为解决以上技术问题，本技术提供以下技术方案基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其不同之处在于其包括计算机、一台数字投影仪、一台黑白数字相机，数字投影仪与计算机的VGA接口相连，黑白数字相机与计算机的1394接口或 USB接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机拍摄的图像获取。按以上方案，所述数字投影仪的光心轴、黑白数字相机的光心轴的夹角为20至45 度之间，数字投影仪与黑白数字相机两者投影中心之间的距离为200mm至500mm之间。按以上方案，所述数字投影仪为DLP投影仪。本系统由计算机软件控制数字投影仪向被测物体投射一系列不同频率的正弦光栅图像和红、绿、蓝三幅彩色图像，同时由黑白数字相机以与数字投影仪相同的速度进行同步拍摄，并将拍摄的图像传送给计算机，计算机快速的对图像进行处理，计算出被测物体表面的三维形貌和彩色纹理。该系统最显著的特征是三维形貌和彩色纹理均由同一个黑白数字相机拍摄的图像获取，因此由图像的每个像素计算出的三维形貌和彩色纹理可直接一一对应，对应精度高。附图说明图1为结构光三维测量系统的结构图；图2为结构光三维测量系统原理示意图。具体实施方式以下结合附图和实例对本技术做进一步详细的说明。如图1，本技术基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统包括计算机103、一台数字投影仪101、一台黑白数字相机102，数字投影仪101与计算机103的 VGA接口相连，黑白数字相机102与计算机103的1394接口或USB接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机102拍摄的图像获取。其中数字投影仪101的光心轴与黑白数字相机102的光心轴的夹角为20至45度之间，测量时严格保持数字投影仪101与黑白数字相机102的相对位置不变，两者的投影中心的距离为200mm至500mm之间。优选的，所述数字投影仪选用DLP投影仪。测量过程中，首先由计算机103向数字投影仪101顺序发送三种不同频率的四步相位移图像(共12幅)和红、绿、蓝三幅彩色图像，数字投影仪101顺序投影上述图像；每幅图像投影后暂停一段时间(约200ms，与相机拍摄速度相关)，黑白数字相机102拍摄数字投影仪投射到被测物体表面的图像，并传送给计算机101 ；计算机101对采集的一组图像进行处理，计算出被测物体表面的三维数据和彩色纹理。三维数据和彩色纹理的详细计算过程如下重建三维数据四步相移算法是面结构光三维测量中的常见算法，本专利使用相位移为π/2的四步相移算法。拍摄得到的四幅光栅图像的光强分布函数为Ii (χ, y) = a (χ, y) +b (χ, y) cos (2 π f0x+ Φ (χ, y) + δ》， (1) 其中(X，y)为图像的像素坐标，a(x, y)和b(x，y)为与背景相关的光波振幅，f0 和S 光栅图像的空间载波频率和相位移量，树^>0为待求的(X，y)处的相位值。由四步相移算法可得权利要求1.基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其特征在于其包括计算机、一台数字投影仪、一台黑白数字相机，数字投影仪与计算机的VGA接口相连，黑白数字相机与计算机的1394接口或USB接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机拍摄的图像获取。2.如权利要求1所述的基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其特征在于所述数字投影仪的光心轴、黑白数字相机的光心轴的夹角为20至45度之间，数字投影仪与黑白数字相机两者投影中心之间的距离为200mm至500mm之间。3.如权利要求1或2所述的基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统， 其特征在于所述数字投影仪为DLP投影仪。专利摘要本技术提供一种基于单相机-单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其包括计算机、一台数字投影仪、一台黑白数字相机，数字投影仪与计算机的VGA接口相连，黑白数字相机与计算机的1394接口或USB接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机拍摄的图像获取。此系统可以使用同一个黑白数字相机同时获取被测物体表面的密集三维数据和逼真彩色纹理，由图像的每个像素计算出的三维形貌和彩色纹理可直接一一对应，对应精度高。文档编号G03B17/54GK202074952SQ20112013681公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日专利技术者李中伟 申请人:李中伟本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于单相机－单投影仪的三维形貌和彩色纹理获取系统，其特征在于：其包括计算机、一台数字投影仪、一台黑白数字相机，数字投影仪与计算机的ＶＧＡ接口相连，黑白数字相机与计算机的１３９４接口或ＵＳＢ接口相连，三维形貌和彩色纹理均由黑白数字相机拍摄的图像获取。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李中伟，
申请(专利权)人：李中伟，
类型：实用新型
国别省市：83