基于多波长超表面元件的三维重建系统及三维重建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多波长超表面元件的三维重建系统及三维重建方法，三维重建系统包括光源模组、超表面元件、采集模组以及计算模组。光源模组出射多波长光束；超表面元件设置于光束的出射路径上，超表面元件用于将光源模组出射的光束投影成结构光点云，其中，不同波长的光束被投影成不同尺寸或不同位置的结构光点云单元，多个结构光点云单元相互交叠、交错或规律分布，形成结构光点云投影图案；采集模组采集结构光点云投影图案经被测物体反射后的投影图案信息；以及计算模组根据采集模组采集的投影图案信息，计算被测物体的三维信息。本发明专利技术的基于多波长超表面元件的三维重建系统，对比单波长三维重建系统，通过投影点密度的成倍增加，提高了三维重建系统分辨率和精度，并通过多个结构光点云分布方式，减少了三维信息的丢失。维信息的丢失。维信息的丢失。

【技术实现步骤摘要】
基于多波长超表面元件的三维重建系统及三维重建方法


[0001]本专利技术是关于微纳光学、光学检测、计算机图形学和机器视觉
，特别是关于一种基于多波长超表面元件光点云投影的三维重建系统及三维重建方法。

技术介绍

[0002]三维重建技术是指通过特定的装置及算法获取现实世界的三维信息，并将其转化为数字信号以便进行后续处理和计算的一种技术手段，是当今光学检测、人脸识别及机器视觉等应用中的关键技术。光学检测中主要应用在现代工业检测，例如在微电子组装行业中，应用于锡膏检测的三维检测模块精度为0.120
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0.125mm，且随着被测元件的微型化，在保持高速、高分辨率和稳定的同时，为了使三维检测模块应用场景更加灵活，三维检测模块的小型化也极为重要。人脸识别中主要应用在公共安全领域，需要具有较高的三维重建精度以保证实际应用的识别准确率和活体检测率，目前短距离三维检测精度较高的方法为结构光点云投影检测技术，如iPhone系列手机采用结构光投影模块，可在不同光照环境甚至黑暗环境下精确捕捉人脸面部信息，同时具有小型化、集成化等优势。因此，提高测量的空间精度和时间精度是三维重建技术的重中之重。
[0003]目前流行的三维重建技术分为被动式和主动式。被动式三维重建仅需要成像镜头和图像传感器，包括单目视觉法和多目视觉法。通过单枚或多枚图像传感器来采集图像、利用多视图几何关系对图像解析、从而计算物体的三维信息，这种方法受环境影响较大，三维重建结果易出现精度下降、细节丢失的问题，难以满足高精度、高安全性要求的应用需求。
[0004]而主动式三维重建除采集装置外、还包含主动发光装置，通过设备发射特定光投影到被测物体，测量物体表面反射光的变化，从而构建三维模型。确定的发射光降低了测量装置对环境的依赖性，从而可以保证在复杂环境下的三维重建精度。主动式三维重建有结构光点云和激光飞行时间法两种。激光飞行时间法通过向目标发射光脉冲、利用传感器接收回光的时间或相位差来计算距离，从而建立三维模型；激光飞行时间法的测量精度与发射的光脉冲数量成正比，但光脉冲的数量越多，则总体的测量时间越长，测量响应速度相对较慢。结构光点云法具有更快响应速度，是目前技术优势最大、应用最广泛的三维重建技术。
[0005]在结构光点云法中，三维重建精度与投影点的密度直接相关，点的密度越大，测量精度也就越高。目前的技术手段主要采用单一波长投影、通过增加点的数量提高三维重建精度。
[0006]然而，这一手段的主要问题为，单波长结构光投影中每个相邻的投影点之间都要保持一定的间距：如果投影点间距过小，经物体反射回来后两个激光点可能会出现交叠的情况，在图像传感器中无法分辨出两个点对应的位置坐标，只能将交叠的两个甚至更多的点按照一个投影点坐标进行计算，这种情况会导致三维重建信息丢失甚至重建结果发生错误；如果投影点间距过大，两个投影点中间的区域通过插值法等估计算法进行三维重建，丢失了中间区域准确的三维信息，降低了三维重建精度。除此之外，部分系统也存在着因投影
点数量过于庞大导致计算三维信息时需要较大数据存储或需要图像传感器进行多次采集导致三维重建时间增加等问题。因此，现有方案的技术特征限制了三维重建精度的提高。
[0007]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于多波长超表面元件的三维重建系统及三维重建方法，其能够基于多个单波长激光光源组合入射超表面元件，投影出多波长交错、投影点数量多、投影点密度稠密的结构光点云，填补了单波长投影点之间的空缺区域，增加了结构光点云投影点数量，减少三维信息的丢失，从而提高三维重建系统分辨率和精度。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了一种基于多波长超表面元件的三维重建系统，包括光源模组、超表面元件、采集模组以及计算模组。
[0010]所述光源模组出射多波长光束；
[0011]所述超表面元件设置于所述光束的出射路径上，所述超表面元件用于将所述光源模组出射的光束投影成结构光点云，其中，不同波长的光束被所述超表面元件投影成不同尺寸或不同位置的结构光点云单元，不同尺寸或不同位置的结构光点云单元相互交叠、交错或规律分布，以形成结构光点云投影图案；
[0012]所述采集模组采集所述结构光点云投影图案经被测物体反射后的投影图案信息；以及
[0013]所述计算模组根据所述采集模组采集的投影图案信息，计算被测物体的三维信息。
[0014]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述光源模组包括多个光源，每个所述光源出射单一波长的光束至所述超表面元件上，多个所述光源出射的光束波长均不相同；或者，
[0015]所述光源模组包括宽带光源和滤波元件，所述宽带光源出射的光束经所述滤波元件干涉后形成多个单一波长的光束，入射至所述超表面元件上，其中，多个光束波长均不相同。
[0016]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述光源模组还包括光反射元件，多个单一波长的光束经所述光反射元件调节后耦合到同一光路入射所述超表面元件。
[0017]在本专利技术的一个或多个实施方式中，多个单一波长的光束经所述光反射元件调节后，耦合到同一光路垂直入射至所述超表面元件。
[0018]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述光源优选为激光器。
[0019]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述光源模组出射的光束的波长包括：可见光波段的任意两个或以上波长；或，红外波段的任意两个或以上波长；或，可见光的任意一个或以上波长和红外波段的任意一个或以上波长。
[0020]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述超表面元件包括透明衬底以及形成于所述透明衬底上的微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括多个微纳结构，每个所述微纳结构对入射至所述超表面元件的光束相位调制覆盖[0,2π]相位，每个所述微纳结构对应所述超表面元件整体相位分布中的一个像素，所述微纳结构的角度为对应像素的相位值。
[0021]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述采集模组包括图像传感器，所述图像传
感器选自彩色光谱摄像机或红外波段宽谱摄像机，以区分结构光点云投影图案中的不同结构光点云单元内的投影点。
[0022]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述超表面元件被设置为：单一波长的光束经所述超表面元件投影后形成的结构光点云单元，其投影点的尺寸的最小值大于或等于所述图像传感器的分辨率的两倍，其投影点之间的间距的最小值大于或者等于所述图像传感器的分辨率的两倍。
[0023]本专利技术一实施例还提供了上述的基于多波长超表面元件的三维重建系统的三维重建方法，包括：光源模组出射多波长光束；超表面元件将所述光源模组出射的光束投影成结构光点云，其中，不同波长的光束被所述超表面元件投影成不同尺寸或不同位置的结构光点云单元，不同尺寸或不同位置的结构光点云单元相互交叠、交错或规本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，包括：光源模组，出射多波长光束；超表面元件，设置于所述光束的出射路径上，所述超表面元件用于将所述光源模组出射的光束投影成结构光点云，其中，不同波长的光束被所述超表面元件投影成不同尺寸或不同位置的结构光点云单元，不同尺寸或不同位置的结构光点云单元相互交叠、交错或规律分布，以形成结构光点云投影图案；采集模组，采集所述结构光点云投影图案经被测物体反射后的投影图案信息；以及计算模组，根据所述采集模组采集的投影图案信息，计算被测物体的三维信息。2.如权利要求1所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，所述光源模组包括多个光源，每个所述光源出射单一波长的光束至所述超表面元件上，多个所述光源出射的光束波长均不相同；或者，所述光源模组包括宽带光源和滤波元件，所述宽带光源出射的光束经所述滤波元件干涉后形成多个单一波长的光束，入射至所述超表面元件上，其中，多个光束波长均不相同。3.如权利要求2所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，所述光源模组还包括光反射元件，多个单一波长的光束经所述光反射元件调节后耦合到同一光路入射所述超表面元件。4.如权利要求3所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，多个单一波长的光束经所述光反射元件调节后，耦合到同一光路并垂直入射至所述超表面元件。5.如权利要求1所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，所述光源模组出射的光束的波长包括：可见光波段的任意两个或以上波长；或，红外波段的任意两个或以上波长；或，可见光的任意一个或以上波长和红外波段的任意一个或以上波长。6.如权利要求1所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，所述超表面元件包括透明衬底以及形成于所述透明衬底上的微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括多个微纳结构，每个所述微纳结构对入射至所述超表面元件的光束相位调制覆盖[0,2π]相位，每个所述微纳结构对应所述超表面元件整体相位分布中的一个像素，所述微纳结构的角度为对应像素的相位值。7.如权利要求1所述的基于多波长超表面元件的三维重建系统，其特征在于，所述采集模组包括图像传感器，所述图像传感器选自彩色光谱摄像机或红外波段宽谱摄像机，以区分结构光点云投影图案中的不同结构光点云单元内的投影点。8.如权利要求7所述的基于多波长超表面元件的三维重建系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王逸群，吴东岷，陈辰，吕柏莹，张宝顺，曾中明，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：