專利名稱：自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自由立體顯示是目前最主要的立體顯示方式之一，它利用人兩眼觀看具有視差的平面圖像后在大腦中形成具有縱深感的立體圖像。具有視差的圖像可以利用多個(gè)相機(jī)拍攝實(shí)際的三維場(chǎng)景得到。相機(jī)陣列的擺放方式分為會(huì)聚相機(jī)陣列法和平行相陣列法兩種。平行相機(jī)陣列法的各相機(jī)光軸互相平行，物平面重合，整個(gè)三維場(chǎng)景都只有負(fù)水平視差沒有正水平視差，在自由立體顯示器上得到只有凸出屏幕外，沒有凹進(jìn)屏幕里的三維場(chǎng)景的再現(xiàn)顯示效果，這與觀看者觀看實(shí)際三維場(chǎng)景的縱深視覺習(xí)慣不一致，因此平行相機(jī)陣列法獲取的視差圖像不能實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)。會(huì)聚相機(jī)陣列法獲取的視差圖像具有正、 負(fù)水平視差，在自由立體顯示器可得到既有凸出屏幕外，又有凹進(jìn)屏幕里的三維場(chǎng)景的逼真再現(xiàn)顯示效果。傳統(tǒng)會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)固定焦距對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和拍攝， 拍攝有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，解決傳統(tǒng)會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)固定焦距對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)和拍攝的問題，提供一種能夠獲得三維場(chǎng)景的逼真再現(xiàn)顯示效果的視差圖像，實(shí)現(xiàn)同步會(huì)聚的三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括主相機(jī)、從相機(jī)、激光測(cè)距裝置、主控制器，其特征在于，所述的激光測(cè)距裝置用于測(cè)量主相機(jī)與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離，其輸出的距離信號(hào)被送入主控制器，主控制器根據(jù)該距離信號(hào)通過電機(jī)控制各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的會(huì)聚；并且根據(jù)該距離信號(hào)通過鏡頭控制電路控制各個(gè)相機(jī)鏡頭焦距的變化，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)焦距的同步。作為優(yōu)選實(shí)施方式，上述的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主相機(jī)和各個(gè)從相機(jī)均勻分布在一個(gè)弧形支架上，主相機(jī)位于弧形支架的中點(diǎn)處。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法， 包括下列步驟(1)根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)布置主相機(jī)及從相機(jī)的位置，并使主相機(jī)正對(duì)觀測(cè)目標(biāo)；(2)用激光測(cè)距裝置測(cè)量主相機(jī)鏡頭到觀測(cè)目標(biāo)間的距離；(3)根據(jù)激光測(cè)距裝置測(cè)量得到的距離，計(jì)算各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和每個(gè)相機(jī)的焦距變化；(4)通過電機(jī)控制各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的會(huì)聚；
(5)控制每個(gè)相機(jī)鏡頭焦距的變化，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)焦距的同步；(6)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的多視點(diǎn)采集。作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明根據(jù)主相機(jī)鏡頭與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離，預(yù)先設(shè)定從相機(jī)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)和相機(jī)焦距調(diào)節(jié)的距離閾值，低于該距離閾值的距離變化時(shí)，不觸發(fā)多相機(jī)的會(huì)聚和焦距的同步；主相機(jī)和各個(gè)從相機(jī)均勻分布在一個(gè)弧形支架上，主相機(jī)位于弧形支架的中點(diǎn)處，而且，設(shè)相鄰兩相機(jī)的距離為D，某個(gè)從相機(jī)與主相機(jī)間間隔的相機(jī)個(gè)數(shù)為 n，其中η = 0，1，2，3，…，該從相機(jī)在進(jìn)行當(dāng)前的調(diào)整前已經(jīng)經(jīng)過會(huì)聚調(diào)整，正對(duì)之前的觀測(cè)目標(biāo)，則當(dāng)主相機(jī)鏡頭與觀測(cè)目標(biāo)的距離從L1調(diào)整到L2時(shí)，該從相機(jī)調(diào)整到正對(duì)觀測(cè)目
標(biāo)的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度= +1)/)(^^)。
A厶2現(xiàn)存的多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用平行攝像陣列法，獲取的視差圖像只有負(fù)水平視差，沒有正水平視差，在自由立體顯示器上得到只有凸出屏幕外，沒有凹進(jìn)屏幕里的三維場(chǎng)景的再現(xiàn)顯示效果。而有些多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用會(huì)聚攝像陣列法，只能采用固定焦距對(duì)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)連續(xù)拍攝。而本發(fā)明的自會(huì)聚多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能獲得三維場(chǎng)景的逼真再現(xiàn)顯示效果的視差圖像，而且能實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行搜索和觀察的三維數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)合理且清晰，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速且靈敏，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精確度更高。具體而言，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果1.利用激光測(cè)距裝置測(cè)物距，并能實(shí)時(shí)顯示物距參數(shù)；
2.多相機(jī)云臺(tái)可根據(jù)物距的改變而改變，可以手動(dòng)選擇云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)形式
3.多相機(jī)鏡頭可根據(jù)調(diào)焦方式隨物距自動(dòng)調(diào)焦，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)定焦；
4.采用控制盒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)方式、調(diào)焦方式和手動(dòng)定焦的控制；
5.實(shí)時(shí)記載會(huì)聚點(diǎn)距離信息；
6.各個(gè)相機(jī)采用弧形陣列，易于實(shí)現(xiàn)半徑選擇以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度確定。


圖1本發(fā)明的會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖。
圖2本發(fā)明原理介紹用圖3本發(fā)明的支架設(shè)計(jì)；
圖4本發(fā)明的控制盒面板設(shè)計(jì)和信號(hào)走向示意圖5本發(fā)明主控制器的會(huì)聚控制模塊工作原理圖6本發(fā)明主控制器的焦距控制模塊工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的會(huì)聚采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由激光測(cè)距裝置實(shí)現(xiàn)主相機(jī)與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離檢測(cè)，距離信號(hào)被送入主控制器，并通過LED實(shí)時(shí)顯示距離信息，主控制器主要通過單片機(jī)及其外圍器件實(shí)現(xiàn)。主控制器根據(jù)距離信號(hào)計(jì)算出從相機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和相機(jī)焦距變化，繼而驅(qū)動(dòng)從相機(jī)云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和相機(jī)電動(dòng)鏡頭的鏡頭控制電路，實(shí)現(xiàn)從相機(jī)的會(huì)聚和多相機(jī)的焦距調(diào)節(jié)。本實(shí)施例中，從相機(jī)有8個(gè)，圖中只是畫出了 2個(gè)。 本發(fā)明的會(huì)聚采集系統(tǒng)，如果想實(shí)現(xiàn)更好的會(huì)聚，需要保持各個(gè)相機(jī)的高精度同步。在多相機(jī)拍攝中，相機(jī)之間的同步也非常重要，一般希望達(dá)到0. 2ms左右，這樣能適應(yīng)10m/S的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)選用的相機(jī)的特點(diǎn)，通過外置同步信號(hào)發(fā)生器將特定的同步信號(hào)送入相機(jī)的外同步輸入端做到多相機(jī)之間的精確同步，進(jìn)行相機(jī)的同步控制，誤差不超過125us，基本滿足視頻的要求。下面首先介紹該發(fā)明中自動(dòng)會(huì)聚實(shí)現(xiàn)的原理自由立體顯示是利用人兩眼觀看具有視差的平面圖像后在大腦中形成具有縱深感的立體圖像，所以利用多個(gè)相機(jī)拍攝實(shí)際的三維場(chǎng)景時(shí)，相鄰相機(jī)間的間距D差不多為 7cm,而拍攝的場(chǎng)景與相機(jī)的距離L通常超過an。如圖2，當(dāng)所拍的場(chǎng)景范圍為距離相機(jī)2 10米，相機(jī)均勻分布在半徑為L(zhǎng)的圓弧上，則可以計(jì)算出圖2中最遠(yuǎn)的兩個(gè)相機(jī)間在Y方向上的距離d，設(shè)最遠(yuǎn)兩個(gè)相機(jī)與場(chǎng)景中心構(gòu)成的角度為Θ，則沒=似，其中3為相鄰兩個(gè)相機(jī)間的夾角。經(jīng)過計(jì)算，可以得出
D2 D 4D
權(quán)利要求
1.一種自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括主相機(jī)、從相機(jī)、激光測(cè)距裝置、主控制器，其中，所述的激光測(cè)距裝置用于測(cè)量主相機(jī)與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離，其輸出的距離信號(hào)被送入主控制器，主控制器根據(jù)該距離信號(hào)通過電機(jī)控制各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的會(huì)聚；并且根據(jù)該距離信號(hào)通過鏡頭控制電路控制各個(gè)相機(jī)鏡頭焦距的變化，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)焦距的同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，主相機(jī)和各個(gè)從相機(jī)均勻分布在一個(gè)弧形支架上，主相機(jī)位于弧形支架的中點(diǎn)處。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法，包括下列步驟(1)根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)布置主相機(jī)及從相機(jī)的位置，并使主相機(jī)正對(duì)觀測(cè)目標(biāo)；(2)用激光測(cè)距裝置測(cè)量主相機(jī)鏡頭到觀測(cè)目標(biāo)間的距離；(3)根據(jù)激光測(cè)距裝置測(cè)量得到的距離，計(jì)算各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和每個(gè)相機(jī)的焦距變化；(4)通過電機(jī)控制各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的會(huì)聚；(5)控制每個(gè)相機(jī)鏡頭焦距的變化，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)焦距的同步；(6)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的多視點(diǎn)采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，根據(jù)主相機(jī)鏡頭與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離，預(yù)先設(shè)定從相機(jī)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)和相機(jī)焦距調(diào)節(jié)的距離閾值，低于該距離閾值的距離變化時(shí)，不觸發(fā)多相機(jī)的會(huì)聚和焦距的同步。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，主相機(jī)和各個(gè)從相機(jī)均勻分布在一個(gè)弧形支架上，主相機(jī)位于弧形支架的中點(diǎn)處。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，設(shè)相鄰兩相機(jī)的距離為D，某個(gè)從相機(jī)與主相機(jī)間間隔的相機(jī)個(gè)數(shù)為n，其中η = 0,1,2,3,…， 該從相機(jī)在進(jìn)行當(dāng)前的調(diào)整前已經(jīng)經(jīng)過會(huì)聚調(diào)整，正對(duì)之前的觀測(cè)目標(biāo)，則當(dāng)主相機(jī)鏡頭與觀測(cè)目標(biāo)的距離從L1調(diào)整到L2時(shí)，該從相機(jī)調(diào)整到正對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度ΑΘ = (η + 1) φ^)。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括主相機(jī)、從相機(jī)、激光測(cè)距裝置、主控制器，所述的激光測(cè)距裝置用于測(cè)量主相機(jī)與觀測(cè)目標(biāo)之間的距離，其輸出的距離信號(hào)被送入主控制器，主控制器根據(jù)該距離信號(hào)通過電機(jī)控制各個(gè)從相機(jī)的云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)的會(huì)聚；并且根據(jù)該距離信號(hào)通過鏡頭控制電路控制各個(gè)相機(jī)鏡頭焦距的變化，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)焦距的同步。本發(fā)明同時(shí)提供一種上述利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自會(huì)聚式多視點(diǎn)三維數(shù)據(jù)采集方法。本發(fā)明能夠獲得三維場(chǎng)景的逼真再現(xiàn)顯示效果的視差圖像，實(shí)現(xiàn)同步會(huì)聚的三維數(shù)據(jù)采集。
文檔編號(hào)G03B35/08GK102495520SQ20111041586
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者楊嘉琛, 汪火根 申請(qǐng)人:天津大學(xué)