基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法技术方案

本发明专利技术属于计算机视觉领域，具体涉及了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法，旨在解决现有的三维重建系统存在测量视场较窄

【技术实现步骤摘要】
基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉领域，具体涉及了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统及方法
。

技术介绍

[0002]基于视觉的三维重建方法可以被分为被动测量和主动测量，被动视觉测量方法由多台相机构成，通过多个相机拍摄目标成像，再经过特征点匹配，采用相机成像的立体几何约束，解算出特征点的空间位置
。
该方法对被测目标自身的纹理要求较高，若目标缺乏纹理信息，则该测量方法会失效
。
[0003]主动视觉测量方法通过向被测物体投射特定图案来实现测量，这样即使被测物体没有纹理信息，该方法也可以完成稳定和精确的测量
。
主动测量方法可以分为时间飞行法（
TOF
）和结构光法
。TOF
法通过反射投影光源的时间来计算深度信息，该方法有测量速度快
、
受环境影响小等优点，但是测量精度较低，多用于感知识别，达不到精密测量的精度要求
。
[0004]结构光法由一个相机和一个投影光源组成，可以分为点结构光
、
线结构光和面结构光，分别投影点
、
线
、
面不同形式图案，将预设好的图案投影到物体上，再由相机采集投影后的目标图像，通过三角测量法解算得到深度信息
。
其中点结构光和线结构光环境适应性强，测量精度高，但是需要扫描，速度较慢；面结构光测量精度较高，速度快，但是面结构光需要多个设备协同，成本高
、
系统复杂且灵活性差，只能测量固定的区域，将投影仪和相机固定在同一个云台上，由云台带动相机和投影仪转动扫描，云台运动缓慢，测量速度较慢
。
即现有的三维重建系统存在测量视场较窄
、
精度较低和速度较慢的问题
。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即现有的三维重建系统存在测量测量视场较窄
、
精度较低和速度较慢的问题，本专利技术提供了一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统，所述基于主动视觉的动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统
、
第二动态相机系统和动态投影系统；所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源
、
线激光光源
、
面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转
。
[0006] 在一种优选的实施方式中， 针对每一动态相机系统，基础坐标系
{G}
建立在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上，以平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴的方向为
Z
轴，平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转镜面的初始方向的任一方向为
x
轴，垂直于
x
轴和
z
轴的方向为
y
轴方向，圆心在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上；世界坐标系为标定板坐标系
{W }
；在每一动态相机系统的相机上建立相机坐标系
{C}
；建立的相机坐标系经过每一动态相机系统对应的振镜系统的两个镜面反射后的坐标系为虚拟相机坐标系
{V}。
[0007]在一种优选的实施方式中，对每一动态相机系统，根据任意一点的像素坐标（
u1，
v1）得到该点对应的世界坐标（
X1,Y1,Z1）的过程为：对每一动态相机系统，空间中任意一点
P
的世界坐标（
X1,Y1,Z1）和它的像素坐标（
u1，
v1）的关系为：；其中，
M
in
是相机内参数矩阵，
V
T
W
为虚拟相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，
V
T
W
随着振镜系统的运动不断变化；
V
T
W
=
V
T
GG
T
W
；其中，
G
T
W
是基础坐标系到世界坐标系的变化矩阵，为固定值；
V
T
G
为虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
V
T
G
与振镜系统中水平旋转镜面的旋转角度
θ1和垂直旋转镜面的旋转角度
θ2有关；
P1是振镜垂直旋转镜面的转换矩阵，
P2是振镜水平旋转镜面的转换矩阵，则；
V
T
G
=P1.P2；；其中，是每一动态相机系统中水平镜面和垂直镜面之间的距离，是每一动态相机系统相机与水平镜面之间的距离；
θ1是每一动态相机系统中水平旋转镜面的旋转角度；
θ2是每一动态相机系统中垂直旋转镜面的旋转角度
。
[0008]在一种优选的实施方式中，当每一动态相机系统的振镜系统对应的电压为 (0,0) 时，振镜的旋转角度为：
θ1=
θ2= 45
°
；；其中，
V
T
G
表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；初始虚拟相机坐标系表示振镜在初始位置时相机对应虚拟相机坐标系
。
[0009]在一种优选的实施方式中，若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源，激光点入射方向平行所述第三水平旋转镜面的旋转轴，其偏转角为 θ
pan
，光束经过所述第三水平旋转镜面反射后的偏转角为
2 θ
pan
；所述第三垂直旋转镜面的偏转角为 θ
tilt
，光束经过所述第三垂直旋转镜面后的偏转角为 2
θ
tilt
；激光束射到任意平面上的任一点 (x
，
y ) 时，可以得出光束在所述任意平面上的扫描轨迹：；其中，
d1是第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面之间的距离，
e
为第三垂直旋转镜面的轴线到标定板的
XOY
平面坐标原点的距离
。
[0010]在一种优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，所述动态投影三维重建系统包括第一动态相机系统
、
第二动态相机系统和动态投影系统；所述第一动态相机系统包括第一振镜系统和第一相机；所述第一振镜系统包括第一水平旋转镜面和第一垂直旋转镜面；所述第一水平旋转镜面围绕所述第一振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第一垂直旋转镜面围绕所述第一振镜系统的垂直旋转轴上旋转；所述第二动态相机系统包括第二振镜系统和第二相机；所述第二振镜系统包括第二水平旋转镜面和第二垂直旋转镜面；所述第二水平旋转镜面围绕所述第二振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第二垂直旋转镜面围绕所述第二振镜系统的垂直旋转轴旋转；所述动态投影系统包括第三振镜系统和投影光源；所述投影光源包括点激光光源
、
线激光光源
、
面光源；所述第三振镜系统包括第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面；所述第三水平旋转镜面围绕所述第三振镜系统的水平旋转轴旋转，所述第三垂直旋转镜面围绕所述第三振镜系统的垂直旋转轴旋转
。2.
根据权利要求1所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，针对每一动态相机系统，基础坐标系
{G}
建立在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上，以平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴的方向为
Z
轴，平行每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转镜面的初始方向的任一方向为
x
轴，垂直于
x
轴和
z
轴的方向为
y
轴方向，圆心在每一动态相机系统对应的振镜系统的垂直旋转轴上；世界坐标系为标定板坐标系
{W }
；在每一动态相机系统的相机上建立相机坐标系
{C}
，建立的相机坐标系经过每一动态相机系统对应的振镜系统的两个镜面反射后的坐标系为虚拟相机坐标系
{V}。3.
根据权利要求2所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，对每一动态相机系统，根据任意一点的像素坐标（
u1，
v1）得到该点对应的世界坐标（
X1,Y1,Z1）的过程为：对每一动态相机系统，空间中任意一点
P
的世界坐标（
X
1,
Y1,Z1）和它的像素坐标（
u1，
v1）的关系为： ；其中，
M
in
是相机内参数矩阵，
V
T
W
为虚拟相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，
V
T
W
随着振镜系统的运动不断变化；
V
T
W
= V
T
G G
T
W
；其中，
G
T
W
是基础坐标系到世界坐标系的变化矩阵，为固定值；
V
T
G
为虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；
V
T
G
与振镜系统中水平旋转镜面的旋转角度
θ1和垂直旋转镜面的旋转角度
θ2有关；
P1是振镜垂直旋转镜面的转换矩阵，
P2是振镜水平旋转镜面的转换矩阵，
则；
V
T
G
=P1.P2；；其中，是每一动态相机系统中水平镜面和垂直镜面之间的距离，是每一动态相机系统种相机与水平镜面之间的距离；
θ1是每一动态相机系统中水平旋转镜面的旋转角度；
θ2是每一动态相机系统中垂直旋转镜面的旋转角度
。4.
根据权利要求3所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，当每一动态相机系统对应的振镜系统的电压为 (0,0) 时，振镜的旋转角度为：
θ
1 =
θ
2 = 45
°
；；其中，
V
T
G
表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到基础坐标系的变化矩阵；表示每一动态相机系统中虚拟相机坐标系到初始虚拟相机坐标系的变化矩阵；初始虚拟相机坐标系表示振镜在初始位置时相机对应的虚拟相机坐标系
。5.
根据权利要求2所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，若所述动态投影系统的投影光源为点激光光源，激光点入射方向平行所述第三水平旋转镜面的旋转轴，其偏转角为 θ
pan ，光束经过所述第三水平旋转镜面反射后的偏转角为
2 θ
pan ；所述第三垂直旋转镜面的偏转角为 θ
tilt ，光束经过所述第三垂直旋转镜面后的偏转角为 2
θ
tilt
；激光束射到任意平面上的任一点 (x
，
y ) 时，可以得出光束在任意平面上的扫描轨迹：；其中，
d1是第三水平旋转镜面和第三垂直旋转镜面之间的距离，
e 为第三垂直旋转镜面的轴线到标定板的
XOY
平面坐标原点的距离
。6.
根据权利要求2所述的基于主动视觉的动态投影三维重建系统，其特征在于，若所述动态投影系统的投影光源为线激光光源，所述线激光光源所投射出来的光经过所述第三水平旋转镜面和所述第三垂直旋转镜面，分别形成第一激光平面和第二激光平面；空间中任意一点
P
（
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈梦娟，顾庆毅，颜廷钰，李志凯，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：