一种基于全景结构光的三维重构系统和方法技术方案

本发明专利技术属于三维重构相关技术领域，具体为一种基于全景结构光的三维重构系统和方法。本发明专利技术的基于全景结构光的三维重构系统，包括全景相机、全景投影仪、两个多维调节架及计算机处理系统；全景相机和全景投影仪的光学系统均采用二次折反射式全景镜头，根据二次折反射式全景镜头的成像关系，建立平面

【技术实现步骤摘要】
一种基于全景结构光的三维重构系统和方法


[0001]本专利技术属于三维重构相关
，具体涉及一种基于全景结构光的三维重构系统和方法。

技术介绍

[0002]光学三维重构技术具有非接触、高精度、高效率等优点，在工件检测、医疗建模、逆向工程、自主导航等领域具有广泛的应用。光学三维重构技术主要分为两类：主动式三维重构技术和被动式三维重构技术。两种技术都是将被测物体、图像传感器和另一个位置的图像传感器或光源组成三角关系进行三维重构。主动式三维重构技术通过外加激光或投影仪等光源解决被测物表面颜色变化或无明显纹理特征的问题，相比被动式三维重构技术具有更高的重构精度和效率。
[0003]主动式三维重构技术可以分为时间调制法和空间调制法。时间调制法的主要代表为飞行时间法，飞行时间法检测发射器发射光脉冲到被测物表面然后返回接收器所经过的时间，利用时间差解调物体的深度信息，但是重构速度较慢，不适用于大视场场景三维重构。空间调制法主要包括光学干涉法、莫尔条纹法和条纹投影法等。光学干涉法将一束相干光分成的测量光和参考光进行相干叠加，利用两束光的相位差得到物体表面的深度信息，该方法重构精度高，但受到光波波长限制无法对大视场场景三维重构；莫尔条纹法将光栅投影到物体表面，采用基准光栅和包含物体表面信息的像栅叠合形成莫尔条纹，提取莫尔条纹的等高线恢复物体表面的三维信息，但重构范围有限，不适合大视场场景的三维重构；条纹投影法采用投影仪等数字设备将条纹图像投影到被测物体表面，投射出的条纹图像在被测物体表面发生漫反射，携带着物体表面信息的漫反射光线被相机接收，再经过图像处理技术解调出物体的三维数据，实现被测场景的稠密三维重构，该方法产生的条纹精度高，通过投射面条纹图像可以高效、高精度的对三维场景进行稠密重构。
[0004]传统的条纹投影技术采用普通相机成像，受到视场角限制难以快速恢复出360
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环式场景的三维模型。因此人们考虑将大视场相机引入条纹投影技术的应用中。鱼眼成像系统的畸变很难校正，视场边缘图像质量很差；拼接式全景成像系统通过单相机旋转或多相机同时捕获图像来合成全景图像，但旋转拼接系统成像速度缓慢，多相机拼接系统不仅具有更高的成本，还容易产生拼接误差，使全景图像质量较差；单次反射式全景成像系统使用反射镜获得大视场，但反射镜尺寸很大，不利于系统集成，并且它的焦距短，空间分辨力低，杂散光严重。
[0005]相比之下，二次折反射式全景成像系统利用全景环形透镜将折射、反射面集成在一起，增加了光学设计的自由度，可以实现全景镜头长焦距、大视场、大相对口径的设计要求，结构紧凑，易集成，可以快速获得360
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环式场景的全景图像。因此本专利技术将二次折反射式全景成像系统应用于条纹投影技术中，设计了一种基于全景结构光的三维重构系统和方法，可以简单、高效、高精度的实现360
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环式场景的稠密三维重构，在工件检测、医疗建模、逆向工程、自主导航等领域具有广泛的应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于全景结构光的三维重构系统和方法，以避免现有三维重构技术对弱纹理场景特征匹配困难的问题，并且采用二次折反射式全景成像系统，无需拼接或扫描就可以快速、高效、高精度的实现360
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环式场景的稠密三维重构。
[0007]本专利技术提供的基于全景结构光的三维重构系统，包括：全景投影仪、全景相机、2个多维调节架及计算机处理系统；其中：
[0008]所述全景相机和全景投影仪分别固定在各自的多维调节架上，调节多维调节架使全景相机和全景投影仪同光轴，且全景投影仪投影区域与全景相机的视场区域重合；
[0009]所述全景投影仪由微显示器和二次折反射式全景镜头组成，两者通过螺纹调节和固定，使微显示器处于全景镜头的焦面上；所述全景投影仪用于投影计算机处理系统生成的圆条纹组和放射条纹组；
[0010]所述全景相机由图像传感器和二次折反射式全景镜头组成，两者通过螺纹调节和固定，使全景镜头成像在图像传感器上；所述全景相机用于采集由全景投影仪投影出的圆条纹组和放射条纹组，将采集到图像信息传到计算机处理系统；
[0011]所述的计算机处理系统用于生成圆条纹组和放射条纹组，驱动全景投影仪进行条纹组的投影和驱动全景相机进行全景图像的采集，计算全景相机和全景投影仪的标定参数，实现360
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环式场景的三维重构。
[0012]本专利技术中，所述的二次折反射式全景镜头的光学系统，由全景环形透镜、孔径光阑及中继透镜组沿光轴依次排列组成；其成像关系采用基于泰勒级数展开的平面
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柱面投影模型，可以使360
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环式场景的三维空间与二维像平面互为共轭关系；
[0013]计算机处理系统生成的条纹图像经全景投影仪投射到360
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环式场景中；投射出的条纹图像在被测物体表面发生漫反射，携带着物体表面信息的漫反射光线由全景相机接收，最终在图像传感器上生成全景条纹图像；所述的图像传感器把全景条纹图像输出到计算机处理系统中，进行360
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环式场景的三维重构。
[0014]基于上述三维重构系统，本专利技术还提供基于全景结构光的三维重构方法，具体步骤为：
[0015]步骤1，全景条纹图像的生成和采集。利用计算机处理系统生成3种不同频率的相位沿径向正弦变化的圆条纹组，和沿切向正弦变化的放射条纹组；每种频率的条纹组包含4幅条纹，彼此间有相移。
[0016]使用计算机处理系统驱动全景投影仪，先后投射所述的圆条纹组和放射条纹组以及一幅白光图像到圆斑标定板上，同时驱动全景相机拍摄不同位姿下的圆斑标定板全景条纹图像序列以及一幅白光图像下的纹理图，用于系统标定；
[0017]将全景结构光系统置于场景中，使用计算机处理系统再次驱动全景投影仪将所述的圆条纹组投射到360
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环式场景中，圆条纹组在360
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环式场景中的物体表面发生漫反射，同时驱动全景相机采集携带360
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环式场景的全景条纹图像序列，用于三维重构。
[0018]步骤2，全景相机标定。所述的全景相机成像模型是基于泰勒级数展开的平面
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柱面投影模型，包括正向投影模型和反向投影模型，通过此投影模型确定空间某物点的三维点坐标与其在全景环式图像中的投影点坐标之间的关系；通过圆斑标定板得到所有圆斑中心点对应的世界坐标系下的三维点坐标和在像素坐标系下的二维点坐标；采用最小二乘法
得到全景相机标定参数，包括内参、外参以及畸变参数，这些参数将用于全景投影仪的标定和360
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环式场景的三维重构；
[0019]步骤3，采用多频外差相移法进行相位展开。采用4步相移法([1]Niu Z,Xu X,Zhang X，et al.Efficient phase retrieval of two
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directional phase
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全景结构光的三维重构系统，其特征在于，包括：全景投影仪、全景相机、2个多维调节架及计算机处理系统；其中：所述全景相机和全景投影仪分别固定在各自的多维调节架上，调节多维调节架使全景相机和全景投影仪同光轴，且全景投影仪投影区域与全景相机的视场区域重合；所述全景投影仪由微显示器和二次折反射式全景镜头组成，两者通过螺纹调节和固定，使微显示器处于全景镜头的焦面上；所述全景投影仪用于投影计算机处理系统生成的圆条纹组和放射条纹组；所述全景相机由图像传感器和二次折反射式全景镜头组成，两者通过螺纹调节和固定，使全景镜头成像在图像传感器上；所述全景相机用于采集由全景投影仪投影出的圆条纹组和放射条纹组，将采集到图像信息传到计算机处理系统；所述的计算机处理系统用于生成圆条纹组和放射条纹组，驱动全景投影仪进行条纹组的投影和驱动全景相机进行全景图像的采集，计算全景相机和全景投影仪的标定参数，实现360
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环式场景的三维重构；其中，所述二次折反射式全景镜头的光学系统，由全景环形透镜、孔径光阑及中继透镜组沿光轴依次排列组成；其成像关系采用基于泰勒级数展开的平面
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柱面投影模型，可以使360
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环式场景的三维空间与二维像平面互为共轭关系；计算机处理系统生成的条纹图像经全景投影仪投射到360
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环式场景中；投射出的条纹图像在被测物体表面发生漫反射，携带着物体表面信息的漫反射光线由全景相机接收，最终在图像传感器上生成全景条纹图像；所述图像传感器把全景条纹图像输出到计算机处理系统中，进行360
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环式场景的三维重构。2.一种基于权利要求1所述三维重构系统的基于全景结构光的三维重构方法，其特征在于，具体步骤为：步骤1，全景条纹图像的生成和采集；利用计算机处理系统生成3种不同频率的相位沿径向正弦变化的圆条纹组，和沿切向正弦变化的放射条纹组；每种频率的条纹组包含4幅条纹，彼此间有相移；使用计算机处理系统驱动全景投影仪，先后投射所述的圆条纹组和放射条纹组以及一幅白光图像到圆斑标定板上，同时驱动全景相机拍摄不同位姿下的圆斑标定板全景条纹图像序列以及一幅白光图像下的纹理图，用于系统标定；将全景结构光系统置于场景中，使用计算机处理系统再次驱动全景投影仪将...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军华，田雨涵，王鼎，徐敏，李旭锋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：