專利名稱：基于空間點陣投影的三維數字成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于空間點陣投影的三維數字成像方法，屬于三維數字成像技術。
背景技術：
在基于三角法的主動三維傳感技術中，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎，由于三維物體表面形狀對結構照明光束產生的的空間調制，改變了成像光束的角度，即改變了成像光點在探測器陣列上的位置，通過對成像光點位置的確定和系統(tǒng)光路的幾何參數，計算出距離?，F(xiàn)有的技術包括采用單光束點結構照明的方法和采用片狀光束的線結構照明的方法，以及相位測量輪廓術，包括相移輪廓術、Fourier變換輪廓術和空間相位探測輪廓術。相位測量輪廓術也最終歸結為三角測量法，只不過在不同的測量技術中采用不同的方式來從觀測光場中提取三角計算中所需要的幾何參數。
采用單光束點結構照明的方法，由于每次只有一個點被測量，為了形成完整的三維物體數字像，必須附加二維掃描，這種方法采樣效率低，測量時間長，不適用于實時測量；采用片狀光束的線結構照明的方法，結構照明系統(tǒng)投射一個片狀光束到被測物體表面，形成線結構照明，仍然需要一維掃描，才可以形成完整的三維物體數字像；相位測量輪廓術投射的是一個二維圖形到被測物體，形成面結構照明，一次測量可以得到一個完整的三維物體數字像，相位測量輪廓術具有較高的測量速度和精度，但由于計算出的相位分布被截斷在反三角函數的主值范圍內，如果被測物體拓撲復雜或表面起伏較大，進行相位展開時，存在相位模糊的問題，這是相位展開非常困難的一個問題。
可對比的技術文獻有下以三篇[1]James S.Ellis，″Three-dimensional measuring system for animals using structured light″，US Patent 6,377,353. Richard McBain，″high speed laser triangulation measurements of shape and thickness″，USPatent 6,466,305. Paul R，Yoder JR.，″topography measuring apparatus″，US Patent 4,902,123.

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于空間點陣投影實現(xiàn)三維數字成像的方法，該方法具有較高的采樣效率，又對拓撲復雜的自由曲面具有較強的普適性。
本發(fā)明是通過以下技術方案加以實現(xiàn)的一種基于空間點陣投影的三維數字成像方法，該方法采用包括數字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器的成像裝置；偏轉圖像傳感接收器使其光軸與投影點陣照明視場中心位于同一直線，數字投影照明發(fā)射器的出瞳、圖像傳感接收器的入瞳和照明場的中心構成一個三角形，以數字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳之間的連線為基線，它和投射在物體上點陣中的所有點的中心構成了若干三角形，形成了三角測量系統(tǒng)，其特征是根據仿射變換的原理，分別投影在參考平面和被測物體表面的編碼點陣，經過坐標旋轉、平移和透視投影變換，可分別得到參考平面和被測物體表面上的編碼點陣在圖像接收傳感器平面上的空間坐標的解析式，并可進一步得到上述兩個點陣相對應點之間在成像平面x方向上的位置差與被測物體在相應點處深度值之間的關系；從而數字投影照明發(fā)射器投射二維空間點陣結構光照明，在圖像接收傳感器得到參考平面的點陣圖像和投射在被測物體表面上的點陣圖像，椐已知系統(tǒng)光路幾何參數，圖像處理器可計算點陣圖像相應點之間在x方向上的位置差，再根據位置差與被測物體在相應點處深度值之間的關系計算出物體的深度圖像。
上述數字投影照明發(fā)射器投射的二維空間點陣結構光，投射不同疏密程度的二維點陣圖形，可實現(xiàn)多種空間分辨率的三維數字成像。
上述投影照明發(fā)射器投射二維空間點陣結構光，投射的二維點陣在垂直于光軸的平面內做兩維數字移動，最小移動步長為1個像素，以填補由于離散而丟失的其它空間點的深度信息，可獲得高空間分辨率。
本發(fā)明是利用投射在參考平面的點陣和投射在被測物體表面上的點陣分別在圖像接收傳感器上所成的點陣像，通過計算相對應“點陣對”在成像平面x方向的位置差，來確定物體的深度值。與已有的方法和技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)投射二維空間點陣到被測物體上，一次成像即可獲得一個完整的被測物體的三維數字像，即克服了原有三角法的主動三維傳感技術中必須逐點或逐行掃描的缺點，提高了采樣效率。與相位測量輪廓術比較，點陣編碼方法是直接通過對成像點陣的位置確定來計算物體的深度，相位測量輪廓術采用條紋圖編碼，物體的深度信息編碼在載波條紋中，通過計算折疊相位和相位展開，以及光學系統(tǒng)的結構參數間接獲得物體的深度像，當被測物體拓撲復雜或表面起伏較大或存在信息盲區(qū)時，相位測量輪廓術的相位展開變成非常困難的問題，例如會產生相位模糊和誤差傳播；基于空間點陣投影實現(xiàn)三維數字成像的方法采用點陣作為編碼方式不存在相位模糊和誤差傳播的問題，并可在一定程度上緩解由于信盲區(qū)造成的數據殘缺不全的問題。因此，本發(fā)明即具有較高的采樣效率，又對拓撲復雜的自由曲面具有較強的普適性。
2)本發(fā)明為滿足不同空間分辨率的測試需要，可以投射不同疏密程度的二維點陣形，實現(xiàn)多種空間分辨率的三維數字成像；3)為了獲得足夠高得空間分辨率，本發(fā)明投射的二維點陣可以在垂直于光軸的平面內做兩維數字移動，最小移動步長為1個像素，以填補由于離散而丟失的其它空間點的深度信息，獲得高空間分辨率。


圖1是投影在參考平面上點陣成像的原理圖。
圖2是投影在任意曲面的三維物體上點陣成像的原理圖。
圖3是本發(fā)明的點陣成像結構示意圖。
圖4是本發(fā)明所投射的二維空間點陣示意圖。
圖5對一個人頭部模型實際測量時點陣投射照明的圖像。圖中的方框為計算深度時選擇的范圍。
圖6是對圖5中人頭部模型所選范圍內實際測量的三維數字像。
圖7是一個臺階狀物體實際測量時點陣投射照明的圖像。
圖8是對圖7中臺階狀物體實際測量的結果。
下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。
附圖1是投影在參考平面上點陣成像的結構示意圖。點P是數字投影照明發(fā)射器的出瞳，Po為投影光軸，投影光線PP1、PP2和PP3與參考平面R的交點確定了投射的二維空間點陣在參考平面上的位置。點I是圖像傳感接收器的入瞳，Io為成像光軸，它與投影光軸的夾角為α，Ip是圖像傳感接收器平面相對于點I的對稱平面，根據透視投影的原理，點陣在圖像傳感接收器上成像的位置可以通過計算成像光線與平面Ip的交點的位置得到。
在此成像系統(tǒng)中，投射在參考平面上的點陣的成像過程可以分為三個步驟首先，把物坐標系xyz繞y軸正向旋轉α角，變換為坐標系x′y′z′，使新坐標系的z′o′軸與成像光軸Io重合；然后，把坐標系x′y′z′沿z′軸負向平移L，使圖像傳感接收器的入瞳I為坐標原點，變換后的坐標系為xpypzp；最后，在坐標系xpypzp下做透視投影，透視投影平面Ip與zp軸垂直，在距原點F(焦距)的位置上，它與圖像傳感接收器平面相對于xpopyp對稱。
那么，經過上述步驟一和二后，可得到參考平面R(z＝0)在xpypzp坐標系下的坐標可表示為
其中α為投影光軸Po和成像光軸Io之間的夾角；L為圖像傳感接收器的入瞳I與照明場的中心o之間的距離；Δx為投影在參考平面R上的點陣沿x方向的間距；kx取整數，為Δx所乘系數，用來表示不同點在物坐標系下的x坐標值。
然后在坐標系xpypzp下做透視投影，即可確定該點陣在平面Ip上的位置xszs=xp0F⇒xp0=kxΔxcosαL-kxΔxsinαF---(2)]]>其中F為成像系統(tǒng)的焦距。
對于一個三維被測物體，如圖2所示，是投影在任意曲面的三維物體上點陣成像的結構示意圖。與圖1中相同的投射光線PP1、PP2和PP3與被測物體表面的相交與點B1、B2和B3，這些交點確定了投射的二維空間點陣在物體表面S上的空間位置。投射在物體表面S的點陣同樣經過上述三個步驟，成像在圖像傳感接收器上。此時可以得到S上的點陣在xpypzp坐標系下的坐標 那么在坐標系xpypzp下做透視投影，可得出物體表面上的點陣在透視投影平面Ip上的位置xp=xbzbzp=xcosα+zsinαL-xsinα+zcosαF---(4)]]>根據式(2)、(4)可得到兩個點陣中相對應點形成的“點陣對”之間在x方向的位置差ΔxpΔxp＝xp-xp0(5)其中Δxp的計算表達式中包含有它與物體在該點深度值之間的關系，從而得到物體深度值的計算表達式。在光學系統(tǒng)的參數為已知的情況下，所有“點陣對”之間在x方向的位移可結合參考平面的點陣圖像和被測物體表面上的點陣圖像計算得到，計算出物體表面上所有離散點的深度值，從而獲得物體的深度像。
具體實施例方式
按照上述方法，實現(xiàn)空間點陣投影的三維數字成像的裝置，主要包括數字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器。所說的數字投影照明發(fā)射器可以是數字液晶投影裝置(LCD投影儀)，數字微鏡投影裝置(DMD投影儀)或硅基片液晶投影裝置(LCOS投影儀)，可用計算機圖像處理系統(tǒng)方便地生成不同疏密程度的二維點陣圖形并寫入數字投影裝置；所說的圖像傳感接收器包括光學成像透鏡與光電探測器構成，光學成像透鏡可以是定焦距或變焦距的成像透鏡或透鏡組，二元光學成像系統(tǒng)，衍射元件成像系統(tǒng)，顯微成像系統(tǒng)；所說的光電探測器件可以是電荷耦合器件，液晶器件，空間光調制器件，CMOS器件或數碼相機。所說的圖像處理器是數字信號處理器與可編程專用集成電路的組合，也可以是通用圖像處理卡和計算機組合構成。其特征在于，數字投影照明發(fā)射器投射二維空間點陣，圖像傳感接收器放置在點陣照明場的中心所處的水平面內，并偏轉一定的角度，使它的光軸與點陣照明場的中心處于一條直線。
下面結合附圖對實施例作進一步的描述。
如附圖3所示，數字投影照明發(fā)射器101的投影鏡102的出瞳P、圖像傳感接收器103的成像透鏡104的入瞳I和照明場的中心o位于同一平面內，并構成一個三角形，投影光軸Po與成像光軸之Io間的夾角為α，以PI之間的連線為基線，它和投射在物體的所有點陣的中心構成了若干三角形，形成了三角測量系統(tǒng)。數字投影照明發(fā)射器101所需的二維空間點陣圖由圖像處理器105的計算機或數字信號處理器產生，二維點陣分別投射在參考平面106和物體107的表面S，參考平面上的規(guī)則點陣和表征任意自由表面物體形貌的深度信息的變形點陣，分別通過圖像傳感接收器103接收，并傳送到圖像處理器107，通過比較參考平面和被測物體表面上點陣分別在圖像傳感接收器上形成的點陣像相對應點陣的位置差異，計算被測物體的深度值。
圖4是本發(fā)明所投射的一個二維空間點陣示例，點陣的疏密程度，根據被測物體表面的復雜程度調整，可以投射多種疏密程度的點陣，實現(xiàn)多種空間分辨率的三維數字成像。
圖5對一個人頭部模型實際測量時點陣投射照明的圖像。圖中的方框為計算深度時選擇的范圍。
圖6是對圖5中人頭部模型所選范圍內實際測量的三維數字像。
圖7是一個臺階狀物體實際測量時點陣投射照明的圖像。
圖8是對圖7中臺階狀物體實際測量的結果。
權利要求
1.一種基于空間點陣投影的三維數字成像方法，該方法采用包括數字投影照明發(fā)器、圖像傳感接收器和圖像處理器的成像裝置；偏轉圖像傳感接收器使其光軸與投影點陣照明視場中心位于同一直線，數字投影照明發(fā)射器的出瞳、圖像傳感接收器的入瞳和照明場的中心構成一個三角形，以數字投影照明發(fā)射器的出瞳與圖像傳感接收器的入瞳之間的連線為基線，它和投射在物體上點陣中的所有點的中心構成了若干三角形，形成了三角測量系統(tǒng)，其特征是根據仿射變換的原理，分別投影在參考平面和被測物體表面的編碼點陣，經過坐標旋轉、平移和透視投影變換，可分別得到參考平面和被測物體表面上的編碼點陣在圖像接收傳感器平面上的空間坐標的解析式，并可進一步得到上述兩個點陣相對應點之間在成像平面x方向上的位置差與被測物體在相應點處深度值之間的關系；從而數字投影照明發(fā)射器投射二維空間點陣結構光照明，在圖像接收傳感器得到參考平面的點陣圖像和投射在被測物體表面上的點陣圖像，椐已知系統(tǒng)光路幾何參數，圖像處理器可計算點陣圖像相應點之間在x方向上的位置差，再根據位置差與被測物體在相應點處深度值之間的關系計算出物體的深度圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是二維空間點陣結構光投射不同疏密程度的二維點陣圖形，可實現(xiàn)多種空間分辨率的三維數字成像。
3.權利要求1所述的方法，其特征是投射的二維點陣在垂直于光軸的平面內做兩維數字移動，最小移動步長為1個像素，以填補由于離散而丟失的其它空間點的深度信息，可獲得高空間分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于空間點陣投影的三維數字成像方法，屬于三維數字成像技術。該方法采用數字投影照明發(fā)射器、圖像傳感接收器和圖像處理器構成的成像裝置。數字投影照明發(fā)射器對物體表面投射二維點陣結構光，以發(fā)射器出瞳與圖像傳感接收器入瞳之間的連線為基線，它和投射在物體上點陣中的所有點的中心構成了若干三角形，形成三角測量系統(tǒng)；圖像接收傳感器得到投射在參考平面和被測物體表面上的點陣的圖像，通過比較被測物體表面和參考平面上的“點陣對”的位置變化，計算相對應“點陣對”在成像平面x方向的位置差，來計算物體的深度圖像。本發(fā)明具有較高的采樣效率，對拓撲復雜的自由曲面具有較強的普適性。
文檔編號G02B27/22GK1617009SQ20041007198
公開日2005年5月18日 申請日期2004年9月20日 優(yōu)先權日2004年9月20日
發(fā)明者彭翔, 田頸東, 牛憨笨 申請人:深圳大學