三维重建装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三维重建装置及方法，该装置包括：图像获取单元，用于获取目标物体的图像信息；多个发光单元，设置在所述图像获取单元的周围；同步控制单元，用于控制所述多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制所述图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；重建单元，用于根据所述图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建；所述发光模型为每个发光单元主光轴上的出射光强与各个出射方向上的出射光强、出射角度的关系。本发明专利技术提供的技术方案，降低了三维重建的操作复杂度，提高三维重建的精度和效率。

Three dimensional reconstruction device and method

The invention discloses a 3D reconstruction method and device, the device comprises an image acquisition unit for obtaining image information of the object; and a plurality of light emitting units arranged around the unit in the image acquisition; synchronization control unit for controlling the light emitting element of the light out, in each of the light emitting cells when lit, synchronous control of the image acquisition unit to shoot the target object, obtain each light-emitting unit under the irradiation of the image information of the object; the reconstruction unit, according to the image information and the model of light emitting unit, a reconstruction of the object; the light emitting model for each light-emitting unit on the axis of the output intensity and the the exit direction of the emergent light intensity and output angle. The technical proposal provided by the invention reduces the operation complexity of the three-dimensional reconstruction and improves the accuracy and efficiency of the three-dimensional reconstruction.

【技术实现步骤摘要】
三维重建装置及方法
本专利技术涉及三维重建
，特别涉及一种三维重建装置及方法。
技术介绍
目前，随着各种支持三维输出和显示的终端产品的出现，对于三维内容的需求急剧增加，而现有的三维数据采集方式主要以三维扫描，如：激光扫描，结构光扫描技术为主，相关产品结构较为复杂，虽然能够得到精确的三维信息，但其硬件成本和操作方法是普通用户难以承受和不易掌握的，例如：中国专利申请第CN101383046A号公开了一种基于图像的三维重建方法，该方法首先利用SIFT特征提取算法提取每幅图像的特征点，并对每个特征点进行是三维重建。通过将特征点约束和颜色一致性相结合，利用图像点周围的特征点作为信息距离搜索约束，确定待重建点空间位置的搜索范围，并进一步获取重建点的空间位置；中国专利申请第CN104331924A公开了基于单摄像机SFS算法的三维重建方法，具体按以下步骤实施：首先标定摄像机，然后提取目标轮廓，最后采用SFS算法基于体素进行目标三维重建。现有方法中还有一种基于光度学的三维重建方法，光度学是三维视觉中的一种技术手段，其基本原理是通过不同方向的光源照射，通过相机拍摄，分析不同照射角度下物体的明暗信息变化恢复出表面的三维法向信息，进而得到表面三维形状。现有的光度学三维重建方法均采用了点光源或者平行光源的假设，即不考虑光源自身的发光特性，当物体距离光源较远或者光源本身符合平行光或者点光源特性时，现有方法可取得较好的三维重建效果，但这对光源自身要求较高，且为获得平行光，光源本身需要较大的体积，如采用LED阵列装置。由上述可知，现有的三维重建技术主要存在以下缺点：1)、采用激光或结构光方法，虽然精度较高，但价格昂贵，操作复杂，普通用户难以承受和熟练掌握；2)、基于光度学的三维重建方法结构简单，硬件成本低，但现有方法均假设所采用光源为平行光或者理想点光源，需要均匀性较高的专业光源产品才能获得较好的三维重建效果，难以在近距离上工作；3)、现有的基于单个光源的近距离光度学三维重建技术，只是在图像处理阶段对图像的照度均匀性做了校正，用于改善三维重建效果，并未考虑到光源自身的发光特性以及入射角度、照射距离等因素，因此也难以取得较好的三维重建效果。综上所述，现有三维重建方案，操作复杂，重建效率和精度低。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种三维重建装置，用以降低三维重建的操作复杂度，提高三维重建的精度和效率，该装置包括：图像获取单元，用于获取目标物体的图像信息；多个发光单元，设置在所述图像获取单元的周围；同步控制单元，用于控制所述多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制所述图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；重建单元，用于根据所述图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建；所述发光模型为每个发光单元主光轴上的出射光强与各个出射方向上的出射光强、出射角度的关系。与现有技术中的激光扫描和结构光扫描重建装置相比较，本专利技术实施例提供的三维重建装置，具有如下有益技术效果：首先，由于专利技术提供的三维重建装置包括一个图像获取单元和多个发光单元构成，系统结构简单，成本低，通过同步控制单元，控制每个发光单元照射的时候，控制图像获取单元同步拍摄目标物体，采用发光单元与图像获取单元的同步控制策略，可以实现快速的扫描过程，可在近距离上完成精确的三维重建，降低了三维重建的操作复杂度。其次，本专利技术提供的三维重建装置考虑了发光单元距离目标较近时，光源照射到物体表面是不均匀的，其不可以假设为平行光或者点光源，且物体上每个点的入射光方向也是不同的问题，通过重建单元，根据发光单元的发光模型和图像获取单元获取的图像信息，对目标物体进行重建，考虑了发光单元的发光模型，提高了三维重建的精度和效率。另一方面，基于同一专利技术构思，本专利技术实施例还提供了一种三维重建方法，用以降低三维重建的操作复杂度，提高三维重建的精度和效率，该方法包括：控制多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；多个发光单元设置在图像获取单元的周围；根据图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建；所述发光模型为每个发光单元主光轴上的出射光强与各个出射方向上的出射光强、出射角度的关系。与现有技术相比较，本专利技术实施例提供的三维重建方法，首先，通过控制多个发光单元的依次亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下的图像信息；多个发光单元均匀地设置在所述图像获取单元的周围，可以实现快速的扫描过程，可在近距离上完成精确的三维重建，降低了三维重建的操作复杂度；其次，本专利技术实施例提供的三维重建方法考虑了发光单元距离目标较近时，光源照射到物体表面是不均匀的，其不可以假设为平行光或者点光源，且物体上每个点的入射光方向也是不同的问题，通过重建单元，根据发光单元的发光模型和相机获取的图像信息，对目标物体进行重建，考虑了发光单元的发光模型，提高了三维重建的精度和效率。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中：图1是本专利技术实施例中三维重建装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例的发光模型中g随LED有效半角的变化而变化的示意图；图3是本专利技术实施例中三维重建过程中各参数的示意图；图4是本专利技术实施例中三维重建过程中重建所得坐标与实际坐标转换示意图；图5是本专利技术实施例中三维重建方法的流程示意图；图6是本专利技术实施例中三维重建方法中标定方法的流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本专利技术做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施方式及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。专利技术人发现：现有的光度学三维重建技术均采用了点光源或者平行光源的假设，即不考虑光源自身的发光特性，当物体距离光源较远或者光源本身符合平行光或者点光源特性时，现有方法可取得较好的三维重建效果，但这对光源自身要求较高，且为获得平行光，光源本身需要较大的体积，如采用LED阵列装置；当LED距离目标较近时，此时的LED光源照射到物体表面是不均匀的，因此就不能假设为平行光源，且物体上每个点的入射光方向也是不同的。因此，采用现有基于光度学的三维重建装置，难以取得良好的三维重建效果。现有的基于单个光源的近距离光度学三维重建技术，只是在图像处理阶段对图像的照度均匀性做了校正，用于改善三维重建效果，并未考虑到光源自身的发光模型以及入射角度、照射距离等因素，因此也难以取得较好的三维重建效果。由于专利技术人发现了上述问题，专利技术人通过本专利技术提出了一种三维重建装置、方法及标定方法，其中，该重建装置可以采用单个发光单元(例如：单个LED灯珠(而不是阵列，阵列体积大，不易集成))作为光度学单方向光源的方法，进而实现近距离上的精确三维重建。由于单个发光单元(LED光源)的特性，单个发光单元(LED光源)很难获得较大面积的均匀照度场，其照度分布和单个发光单元(LED光源)自身的发光模型是相关的，而这一因素在现有的光度学三维重建方法中并未考虑到，因而导致难以取得较好的三维重建效果。本专利技术则将这一因素融入到了整个光度学三维重建框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维重建装置，其特征在于，包括：图像获取单元，用于获取目标物体的图像信息；多个发光单元，设置在所述图像获取单元的周围；同步控制单元，用于控制所述多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制所述图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；重建单元，用于根据所述图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建；所述发光模型为每个发光单元主光轴上的出射光强与各个出射方向上的出射光强、出射角度的关系。

【技术特征摘要】
1.一种三维重建装置，其特征在于，包括：图像获取单元，用于获取目标物体的图像信息；多个发光单元，设置在所述图像获取单元的周围；同步控制单元，用于控制所述多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制所述图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；重建单元，用于根据所述图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建；所述发光模型为每个发光单元主光轴上的出射光强与各个出射方向上的出射光强、出射角度的关系。2.如权利要求1所述的三维重建装置，其特征在于，所述重建单元具体用于：根据所述图像信息，估计目标物体表面每个重建点的初始三维法向值；基于发光单元的发光模型和反射模型，以所述初始三维法向值为初值，根据每个重建点的光源入射光强和入射方向，找到每个重建点的最优三维法向值；根据所述最优三维法向值，对目标物体进行三维重建；所述反射模型为反射光强与光源出射光强、光源出射方向、出射点到入射点的距离、目标物体表面法向值的关系。3.如权利要求2所述的三维重建装置，其特征在于，基于发光单元的发光模型和反射模型，以所述初始三维法向值为初值，根据每个重建点的光源入射光强和入射方向，找到每个重建点的最优三维法向值，包括：基于光源复合模型，以所述初始三维法向值为初值，迭代找到最优三维法向值，对于每个迭代周期均执行以下操作：根据每个重建点的三维法向值、每个发光单元的空间坐标和主光轴方向，计算每个重建点的光源入射方向和该重建点到每个发光单元的距离；基于光源复合模型，根据每个重建点的光源入射方向和该重建点到每个发光单元的距离，计算每个重建点的三维法向值，直到找到每个重建点的深度信息变化在预设范围内时，对应的三维法向值，作为最优三维法向值；所述光源复合模型根据发光单元的发光模型和反射模型建立，所述光源复合模型为反射光强与每个发光单元主光轴上的出射光强、主光轴上的出射方向、各个出射方向、目标物体表面法向值、出射点到入射点的距离的关系。4.如权利要求1至3任一所述的三维重建装置，其特征在于，所述图像获取单元为相机，所述相机在获取目标物体的图像信息时，采用离线存储的方式进行存储。5.如权利要求1至3任一所述的三维重建装置，其特征在于，所述发光单元为LED灯珠，所述LED灯珠均匀地设置在所述图像获取单元的周围，所述LED灯珠的个数不少于4个。6.如权利要求5所述的三维重建装置，其特征在于，所述发光模型为LED发光模型，所述光源复合模型为LED光源复合模型，所述LED光源复合模型为：其中，Ir为LED灯珠光源反射光强，I0为LED灯珠主光轴上的出射光强，lmain为LED灯珠主光轴方向，l为LED灯珠光源出射方向，g随LED发光模型的有效半角θharf的变化而变化，n为目标物体表面重建点的三维法向值，d为重建点到每个发光单元的距离。7.如权利要求5所述的三维重建装置，其特征在于，所述LED灯珠为红外LED灯珠；所述图像获取单元采用红外滤光片。8.一种三维重建方法，其特征在于，包括：控制多个发光单元的亮灭，在每个发光单元点亮时，同步控制图像获取单元拍摄目标物体，获取每个发光单元照射下目标物体的图像信息；所述多个发光单元设置在所述图像获取单元的周围；根据所述图像信息和发光单元的发光模型，对目标物体进行重建...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋展，聂颖，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44