一种三维空间相机及其拍照方法技术

本发明专利技术属于三维空间相机技术领域，具体公开了一种三维空间相机及其拍照方法，包括同一光学系统下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理系统，所述处理系统包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，通过对三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点同时拍摄一组或多组两幅图像（拍双照），通过计算这些物点在双照中的高度比例关系，来计算出三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点正对于相机的三维坐标。

A 3D space camera and its photographing method

【技术实现步骤摘要】
一种三维空间相机及其拍照方法
本专利技术属于三维空间相机
，尤其涉及一种三维空间相机及其拍照方法。
技术介绍
人类专利技术照相机已经有180年了，但这些相机只能记录二维世界，没有第三维度的距离深度信息，为了得到距离深度信息，我们还需要一些辅助技术，如：超声波测距、激光雷达测距、红外测距、单目结构光测距以及双目测距等；超声、激光、红外等装置通过测量发射源发射与返回之间的时间差来计算被测物体与传感器之间的距离，称之为主动法，主动法测距比较方便、迅速，计算较为简单，因此在实时控制上得到了广泛的应用，但是发射和接收设备价格昂贵，成本较高，而且反射、噪音、交叉等环境问题难于避免，实现大像素比较困难，要实现普遍应用性，还是有困难的；单目结构光测距只能用于短距的测量，如为提高人脸识别准确度而开发的人脸距离的结构光测距；双目立体视觉通过左右摄像机提供的两个图像的视差信息能够比较准确地恢复视场的三维信息，但是，双目视觉的得到空间距离信息，需要左右图像对应点的匹配分析，计算工作量大，双目视觉测量还容易受到特征点误匹配的影响，难以满足实时性要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维空间相机及其拍照方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三维空间相机，包括同一光学系统下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理系统，所述处理系统包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，所述处理系统通过信号连接与控制线与图像一摄影单元、图像二摄影单元连接。同一光学系统为共轴球面系统，所述图像一摄影单元与图像二摄影单元的光学主平面之间的距离为D，D不小于零。进一步的，所述图像一摄影单元和图像二摄影单元之间还设有图像一转换单元，所述图像一转换单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一转换单元至少为一个，图像一转换单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为E，E不小于零。进一步的，所述图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，所述图像一并行相关成像单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一并行相关成像单元的光路与图像一摄影单元的光路相同或相关，所述图像一并行相关成像单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为G，G不小于零。进一步的，所述图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关成像单元转换单元，所述图像一并行相关成像单元转换单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一相关成像单元与转换单元之间的距离为K,K不小于零。一种三维空间相机的拍照方法，当所述光学系统与光学子系统都为共轴球面系统时，物点的三维坐标表征为：H0物高、U0物距和α光学子午面夹角，包括以下步骤：1)图像一摄影单元对三维空间的物点进行拍照，感光记录一个二维的图像一，在这个二维图像一上有物点的像点一的像高与光学子午面夹角坐标；2)图像二摄影单元对图像一摄影单元光路上的像点一进行拍照，感光记录一个二维的图像二，这个二维的图像二上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标；3)图像拍摄控制单元设置一组光学系统参数，这组参数可以对某一个景深内的物点的像点一和像点二分别清晰记录在图像一与图像二上，记录存储单元将图像一摄影单元与图像二摄影单元感光器上的图像一与图像二的数据进行记录并存储，三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学系统参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标并存储；4)重复步骤3)，得到另一个景深内的三维空间物点的三维坐标信息并存储；5)对需要三维坐标测量的物点，通过划分一个到多个景深，重复步骤3)和步骤4)，得到所需的整个深度范围内物点的一组成对的图像一与图像二，以及整个深度范围内的空间三维空间物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标信息，并存储，再通过显示器或投影仪显示出物体的三维立体照片。进一步的，所述的步骤2)中：图像一摄影单元与图像二摄影单元之间设有至少一个图像一转换单元，图像一转换单元将像点一光学转换到图像一转换单元光路上的像点i，图像二摄影单元对像点i进行拍照，感光记录一个二维的图像三，这个二维图像三上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。进一步的，所述的步骤2)中：图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像二摄影单元对像点一’进行拍照，感光记录一个二维的图像四，这个二维图像四上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。进一步的，所述的步骤2)中：图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关转换单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像一并行相关转换单元将像点一’光学转换到图像一并行相关转换单元光路上的像点i’，图像二摄影单元对像点i’进行拍照，感光记录一个二维的图像五，这个二维图像五上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。进一步的，用来形成图像一与图像二或图像三或图像四或图像五的光或波为可见光，红外光，紫外光，X-光电磁波，超声波中的一种。进一步的，所述物点的发光，是物点本身的光或光源照射物点产生的光。进一步的，所述的步骤3)中：三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学系统参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标，具体计算过程如下：光学系统的全部光学系统参数集合，Oi(i＝1,…,N)；Oi为描述整个光学系统特性的最少的或独立的，N个光学系统参数的集合；像点一与像点二的光学子午面夹角，α1,α2；像点一与像点二的像高，H1,H2；也即：物点的光学子午面夹角，α0；α0＝Φ(Oi,α1,α2,H1,H2)i＝1,2,…N(公式11)物点的物距，U0；U0＝Ω(Oi,α1,α2,H1,H2)i＝1,2,…N(公式12)物点的物高，H0；H0＝Ψ(Oi,α1,α2,H1,H2)i＝1,2,…N(公式13)。本专利技术具有的优点是：由于该相机通过对三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点同时拍摄一组或多组两幅图像(拍双照)，通过计算这些物点在双照中的高度比例关系，来计算出三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点正对于相机的三维坐标(对应于立体照片的拍摄，记录与存储)，利用拍双照方法得到的这些空间物体的三维坐标，可以用计算机或其它立体显示技术显示出三维立体空间物体。附图说明图1是本专利技术三维空间立体相机的结构示意图。图2是图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维空间相机，其特征在于：包括同一光学系统下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理系统，所述处理系统包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，所述处理系统通过信号连接与控制线与图像一摄影单元、图像二摄影单元连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维空间相机，其特征在于：包括同一光学系统下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理系统，所述处理系统包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，所述处理系统通过信号连接与控制线与图像一摄影单元、图像二摄影单元连接。


2.如权利要求1所述的三维空间相机，其特征在于：同一光学系统为共轴球面系统，所述图像一摄影单元与图像二摄影单元的光学主平面之间的距离为D，D不小于零。


3.如权利要求2所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一摄影单元和图像二摄影单元之间还设有图像一转换单元，所述图像一转换单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一转换单元至少为一个，图像一转换单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为E，E不小于零。


4.如权利要求2所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，所述图像一并行相关成像单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一并行相关成像单元的光路与图像一摄影单元的光路相同或相关，所述图像一并行相关成像单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为G，G不小于零。


5.如权利要求4所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关成像单元转换单元，所述图像一并行相关成像单元转换单元通过信号连接与控制线与处理系统连接，所述图像一相关成像单元与转换单元之间的距离为K,K不小于零。


6.一种如权利要求1所述的三维空间相机的拍照方法，当所述光学系统与光学子系统都为共轴球面系统时，物点的三维坐标表征为：H0物高、U0物距和a光学子午面夹角，其特征在于，包括以下步骤：
1）图像一摄影单元对三维空间的物点进行拍照，感光记录一个二维的图像一，在这个二维图像一上有物点的像点一的像高与光学子午面夹角坐标；
2）图像二摄影单元对图像一摄影单元光路上的像点一进行拍照，感光记录一个二维的图像二，这个二维的图像二上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标；
3）图像拍摄控制单元设置一组光学系统参数，这组参数可以对某一个景深内的物点的像点一和像点二分别清晰记录在图像一与图像二上，记录存储单元将图像一摄影单元与图像二摄影单元感光器上的图像一与图像二的数据进行记录并存储，三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学系统参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标并存储；
4）重复步骤3），得到另一个景深内的三维空间物点的三维坐标信息并存储；
5）对需要三维坐标测量的物点，通过划分一个到多个景深，重复步骤3）和步骤4），得到所需的整个深度范围内物点...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁勇，丁大威，丁大路，江蓉芝，江小海，寄勤福，
申请(专利权)人：上海爱德赞医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31