一种三维重建系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维重建系统

【技术实现步骤摘要】
一种三维重建系统、相位计算方法和三维重建方法


[0001]本专利技术涉及计算机视觉
，尤其涉及一种三维重建系统
、
相位计算方法和三维重建方法
。

技术介绍

[0002]3D
人脸识别由于其高识别率
、
高防伪性能，在公共安全
、
智慧校园
、
科研教学等领域均有非常广阔的应用前景，是建设智能化公共服务平台
、
智慧城市和平安城市的重要核心技术之一
。
而
3D
人脸识别快速发展的前提是要拥有高精度的
3D
人脸数据库或能实现三维人脸数据的现场快速采集，因此高速高精度的
3D
人脸采集系统的研制成为了热门研究方向
。
[0003]近年来已提出多种基于非
DLP
的相移条纹投影方案：（1）基于微机电系统（
Micro Electro Mechanical Systems
，
MEMS
）振镜的条纹结构光投影技术
。MEMS
振镜作为一种典型的光学微电子机械，能使入射光束按照特定的方式与时间顺序发生反射，从而在像面上实现扫描成像
。
但其目前市面上的产品主要投影格雷码为主，投影帧数较多而不适用于动态采集；此外，受激光输出光功率低的影响，投影能量较低，噪声较大，只适合近距离测量且精度较低；（2）机械式条纹结构光投影技术
。
这种方法大多通过电机带动正弦光栅掩膜板（光栅片）进行旋转或平移，通过机械式组合结构实现相移的较准确控制
。
目前，申请号为
CN202110534572.8
的中国专利申请公开了一种光栅平动结构光三维测量系统及三维测量方法，该专利采用微型步进电机带动光栅片平动并利用位移检测器反馈步进位移量来实现较准确的相移控制，虽然该技术在电机的快速平动模式下相比于
DLP
投影有较大的速率提升，但由于步进电机存在响应延迟，使得该方法的投影帧率依然受限，即
3D
采集系统的采集帧率依然受限于投射器的投影帧率
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种三维重建系统
、
相位计算方法和三维重建方法
。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种三维重建系统，包括预配准相移条纹投影装置
、
左成像装置
、
右成像装置
、
正弦条纹结构光模板和测量控制模块，预配准相移条纹投影装置通过电子切换的方式进行分时投影，切换时间根据左成像装置或右成像装置的采集帧率确定，二者采集帧率相同，并通过正弦条纹结构光模板投影出
N
幅正弦条纹结构光图像，照射在需要三维重建的物体表面，左成像装置和右成像装置接收预配准相移条纹投影装置发出的同步控制信号，根据同步控制信号采集被正弦条纹结构光图像照射的物体表面图像作为三维重建图像传送至测量控制模块，
测量控制模块根据接收到的三维重建图像完成三维重建，
N≧3
且为整数
。
[0006]优选地，左成像装置和右成像装置安装在预配准相移条纹投影装置左右两侧，且二者在同一水平直线上
。
[0007]优选地，预配准相移条纹投影装置包括一体化光栅片
、
一体化投影基座
、N
个
LED
光源和
N
个投影镜头，一体化光栅片通过镀铬以及二值条纹编码方法预制有
N
幅正弦相移图案，预制的正弦相移图案相互平行，并且与一体化光栅片的长边平行，
N
个
LED
光源照明一体化光栅片上预制的
N
幅正弦相移图案，
N
个投影镜头将被照明的
N
幅正弦相移图案投射到需要三维重建的物体表面，一体化投影基座的长边与左成像装置和右成像装置之间的水平直线垂直
。
[0008]优选地，
N
个投影镜头的光心共线且与预制的正弦相移图案平行
。
[0009]优选地，在使用系统前，对系统进行预配准，预配准包括以下流程：
a.
通过鉴像板调整投影镜头
、
左成像装置和右成像装置的焦距；
b.
通过
PWM
调节器将每个
LED
光源的亮度调节为一致；
c.
调整投影镜头与一体化光栅片的横向位置，将不同的正弦相移条纹图像之间的相位差调整为2π
/N。
[0010]一种相位计算方法，包括以下步骤：
Sa1.
计算左成像装置和右成像装置采集的正弦相移条纹图像之间的差分图，计算公式如下：其中，
l、k
为正弦相移条纹图像的序列号，
k=0,1,....N
‑
2, l=1,2,....N
‑1，
l
＞
k
，第一幅正弦相移条纹图像的序列号为0，
p
为正弦相移条纹图像的像素位置，
p = 1, 2,..., P
，
P
为正弦相移条纹图像的总像素，
P
为正整数，
a
p
、b
p
和
φ
p
分别表示背景强度
、
调制振幅和待测相位，
δ
l
和
δ
k
分别表示第
l+1
幅和第
k+1
幅正弦相移条纹图像的相移量，定义
δ0=0
为0；
Sa2.
使用欧几里德矩阵范数方程对进行简化，简化结果如下：其中，其中
|| ||2为欧几里德矩阵范数方程算子，
R
为常数项；
Sa3.
根据
E
kl
的表达式构建最小二乘方程组，确定
δ
l
和
δ
k
的值；
Sa4.
使用最小二乘法并基于已确定的
δ
l
和
δ
k
进行相位提取
。
[0011]优选地，在步骤
Sa3
中，根据
E
kl
的表达式构建最小二乘方程组，确定
δ
l
和
δ
k
的值，包括以下步骤：
Sa31.
在
N=3
时，
δ
l
和
δ
k
的确定包括以下步骤：
Sa311.
在
N=3
时，最小二乘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三维重建系统，其特征在于，包括预配准相移条纹投影装置
、
左成像装置
、
右成像装置
、
正弦条纹结构光模板和测量控制模块，预配准相移条纹投影装置通过电子切换的方式进行分时投影，切换时间为左成像装置或右成像装置图像采集帧率倒数的数值部分，并通过正弦条纹结构光模板投影出
N
幅正弦条纹结构光图像，照射在需要三维重建的物体表面，左成像装置和右成像装置接收预配准相移条纹投影装置发出的同步控制信号，根据同步控制信号采集被正弦条纹结构光图像照射的物体表面图像作为三维重建图像传送至测量控制模块，测量控制模块根据接收到的三维重建图像完成三维重建，
N≧3
且为整数
。2.
根据权利要求1所述的一种三维重建系统，其特征在于，左成像装置和右成像装置安装在预配准相移条纹投影装置左右两侧，且二者在同一水平直线上
。3.
根据权利要求2所述的一种三维重建系统，其特征在于，预配准相移条纹投影装置包括一体化光栅片
、
一体化投影基座
、N
个
LED
光源和
N
个投影镜头，一体化光栅片通过镀铬以及二值条纹编码方法预制有
N
幅正弦相移图案，预制的正弦相移图案相互平行，并且与一体化光栅片的长边平行，
N
个
LED
光源照明一体化光栅片上预制的
N
幅正弦相移图案，
N
个投影镜头将被照明的
N
幅正弦相移图案投射到需要三维重建的物体表面，一体化投影基座的长边与左成像装置和右成像装置之间的水平直线垂直
。4.
根据权利要求3所述的一种三维重建系统，其特征在于，
N
个投影镜头的光心共线且与预制的正弦相移图案平行
。5.
根据权利要求4所述的一种三维重建系统，其特征在于，在使用系统前，对系统进行预配准，预配准包括以下流程：
a.
通过鉴像板调整投影镜头
、
左成像装置和右成像装置的焦距；
b.
通过
PWM
调节器将每个
LED
光源的亮度调节为一致；
c.
调整投影镜头与一体化光栅片的横向位置，将不同的正弦相移条纹图像之间的相位差调整为2π
/N。6.
一种相位计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
Sa1.
计算左成像装置和右成像装置采集的正弦相移条纹图像之间的差分图，计算公式如下：其中，为序列号为
k
，像素位置为
p
的正弦相移条纹图像序列，为序列号为
l
，像素位置为
p
的正弦相移条纹图像序列，
l、k
为正弦相移条纹图像的序列号，
k=0,1,....N
‑
2, l=1,2,....N
‑1，
l
＞
k
，第一幅正弦相移条纹图像的序列号为0，
p
为正弦相移条纹图像的像素位置，
p = 1, 2,..., P
，
P
为正弦相移条纹图像的总像素，
P
为正整数，
a
p
、b
p
和
φ
p
分别表示背景强度
、
调制振幅和待测相位，
δ
l
和
δ
k
分别表示第
l+1
幅和第
k+1
幅正弦相移条纹图像的相移量，定义
δ0=0
为0；
Sa2.
使用欧几里德矩阵范数方程对进行简化，简化结果如下：
其中，其中
||||2为欧几里德矩阵范数方程算子，
R
为常数项；
Sa3.
根据
E
kl
的表达式构建最小二乘方程组，确定
δ
l
和
δ
k
的值；
Sa4.
使用最小二乘法并基于已确定的
δ
l
和
δ
k
进行相位提取
。7.
根据权利要求6所述的一种相位计算方法，其特征在于，在步骤
Sa3
中，根据
E
kl
的表达式构建最小二乘方程组，确定
δ
l
和
δ
k
的值，包括以下步骤：
Sa31.
在
N=3
时，
δ
l
和
δ
k
的确定包括以下步骤：
Sa311.
在
N=3
时，最小二乘方程组为：根据相移量的范围为
[0,
π
]
，将最小二乘方程组简化为：
Sa312.

【专利技术属性】
技术研发人员：游志胜，郭燕琼，程鹏，游健，熊伟，吕坤，
申请(专利权)人：四川川大智胜软件股份有限公司，
类型：发明
国别省市：