專利名稱：用于表面特征自適應(yīng)性三維掃描的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明總體上涉及物體的表面幾何結(jié)構(gòu)的三維掃描領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了建立一個(gè)物體表面的幾何模型，已經(jīng)開發(fā)了多種距離傳感器。這些傳感器在 多個(gè)點(diǎn)的一個(gè)集合處測(cè)量傳感器與表面之間的距離。對(duì)于近距離測(cè)量，典型地是使用基于 三角測(cè)量的激光距離傳感器。然后，一個(gè)物體的部分或整個(gè)表面形狀可以從收集自多個(gè)視 點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行建模。為此目的，應(yīng)該在將這些距離測(cè)量值整合進(jìn)入一個(gè)公共的全局坐標(biāo) 系之前確定在傳感器與物體之間的相對(duì)位置。人們可以使用一個(gè)外部定位裝置或者可以在 傳感裝置之中整合自動(dòng)對(duì)位功能。例如P. Hebert等人在編號(hào)WO 2006/094409A1下公開的 國(guó)際專利申請(qǐng)中說明了一種自動(dòng)對(duì)位的手持式距離傳感器，該傳感器整合了一種激光圖案 投影器以及兩個(gè)照相機(jī)，這兩個(gè)照相機(jī)同時(shí)捕捉激光圖案的圖像以及后向反射的目標(biāo)特征 的圖案。這些后向反射的特征被用于自動(dòng)對(duì)位并且使用LED將其照明，這些LED的譜帶與 該激光圖案投影器的譜帶相匹配?；趯?duì)這些特征的觀察，該系統(tǒng)將激光三角測(cè)量與用于 自動(dòng)對(duì)位的攝影測(cè)量法的原理結(jié)合在一起。對(duì)于手持式的操作而言該系統(tǒng)是緊湊的，并且 該系統(tǒng)增量地并且同時(shí)建立了這些目標(biāo)特征的3D位置的一個(gè)模型用于在重構(gòu)該表面的幾 何結(jié)構(gòu)的同時(shí)匹配和計(jì)算該距離傳感器的當(dāng)前位置。使用這樣一種系統(tǒng)不允許捕捉該物體表面的顏色紋理。人們可以首先建立該物體 表面的3D模型，并且然后使用一個(gè)彩色照相機(jī)來收集該物體表面的圖像，在將這些圖像合 并以及整合進(jìn)入一種紋理化的模型表示之前，它們可以與該模型對(duì)齊。然而，這樣一種方法 將要求兩個(gè)系統(tǒng)，而在掃描的同時(shí)并未提供一種增量地建立完整模型的能力。已知系統(tǒng)的另一個(gè)限制是與復(fù)原的模型的分辨率相關(guān)的。由于這些照相機(jī)被用于 定位，所以要求寬廣的視野。相反，為了復(fù)原一個(gè)物體表面形狀(即其幾何結(jié)構(gòu))的較高分 辨率，應(yīng)該將一個(gè)更小的表面區(qū)域映射到這些圖像中的更大數(shù)量的像素上。因此，在定位與 該幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)原分辨率之間存在著一種妥協(xié)。

發(fā)明內(nèi)容
在此提供了多種系統(tǒng)和方法，它們?cè)试S用一個(gè)可操縱的激光距離傳感器增量地捕 獲一個(gè)物體的表面紋理和幾何結(jié)構(gòu)這兩者的特征。而且，這些系統(tǒng)和方法進(jìn)一步允許在保 留自動(dòng)對(duì)位能力的同時(shí)在高分辨率下捕獲這類特征。為了在提供彩色圖像的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)使之有可能同時(shí)捕獲一個(gè)物體的表面紋 理以及幾何結(jié)構(gòu)，人們可能考慮用彩色照相機(jī)替代現(xiàn)有技術(shù)中所說明的系統(tǒng)中的這些照相機(jī)。人們將會(huì)面對(duì)許多困難，包括用白光照明替換由LED進(jìn)行的可見彩色照明(典型地是 紅色照明，這些LED的譜帶與該激光圖案投影器的譜帶相匹配)、在掃描的同時(shí)表面高光的 最小化、以及在紋理必須被復(fù)原處的激光單色光的附近區(qū)域之間的干涉。此外，人們應(yīng)當(dāng)開 發(fā)一種增量方法用于在掃描的同時(shí)將紋理整合進(jìn)入表面模型之中。即使在提出用于解決這 些問題的一種新系統(tǒng)及多種方法之后，由于之前提及的在定位與測(cè)量特征的分辨率之間的 妥協(xié)，紋理和幾何結(jié)構(gòu)特征的分辨率仍然將是受限的。在此提供了多種系統(tǒng)和方法用于獲取一個(gè)物體的三維表面的幾何結(jié)構(gòu)特征和/ 或紋理特征。一個(gè)圖案被投影到所述物體的一個(gè)表面上。獲得所述物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖 像；獲得所述物體的一個(gè)特征2D圖像；從所述基礎(chǔ)2D圖像、從所述投影的圖案在所述物體 上的一個(gè)反射中提取多個(gè)2D表面點(diǎn)；在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用所述2D表面點(diǎn)來計(jì)算多 個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；并且提取2D表面幾何/紋理特征的一個(gè)集合。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)廣義的方面，在此提供了一種用于獲取代表物體多個(gè)表面點(diǎn)的 數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一種傳感裝置，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，用于在該物體 的一個(gè)表面上提供一個(gè)投影的圖案；至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)，用于獲得代表該物體的至少一 部分的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像的數(shù)據(jù)；以及一個(gè)特征照相機(jī)，用于獲得代表該物體的至少一部分 的一個(gè)特征圖像的數(shù)據(jù)；該投影的圖案在該基礎(chǔ)圖像上是清晰的，在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中 該基礎(chǔ)照相機(jī)、該圖案投影器以及該特征照相機(jī)的一種空間關(guān)系是已知的；一個(gè)基礎(chǔ)圖像 處理器，該基礎(chǔ)圖像處理器用于從該基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表由該投影的 圖案在該表面上的一個(gè)反射所提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合；一個(gè)3D表面點(diǎn)計(jì)算 器，該3D表面點(diǎn)計(jì)算器用于在該傳感器坐標(biāo)系中使用代表2D表面點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)來計(jì)算多 個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；一個(gè)特征圖像處理器，該特征圖像處理器用于在數(shù)學(xué)意義上地將 該3D表面點(diǎn)集合投影到該特征圖像數(shù)據(jù)上以便獲取這些3D表面點(diǎn)在該特征圖像數(shù)據(jù)中的 一個(gè)位置、并且用于在該特征圖像數(shù)據(jù)中在離這些投影的3D表面點(diǎn)一個(gè)短距離處為該3D 表面點(diǎn)集合提取特征數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該特征照相機(jī)是一種紋理照相機(jī)，該特征圖像是一種紋理圖 像，該特征圖像處理器包括一個(gè)紋理圖像處理器，并且該特征數(shù)據(jù)是在多個(gè)紋理圖塊中獲 得的紋理數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該特征照相機(jī)是一種高分辨率照相機(jī)，該特征圖像是一種高 分辨率2D圖像，該特征圖像處理器包括一個(gè)高分辨率圖像處理器，并且該特征數(shù)據(jù)是多個(gè) 高分辨率的2D表面點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)廣義的方面，在此提供了一種用于獲取代表物體多個(gè)表面點(diǎn) 的數(shù)據(jù)的方法。該方法包括使用至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)來獲取代表該物體的至少一部分的 一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像的數(shù)據(jù)，一個(gè)投影的圖案在該基礎(chǔ)圖像上是清晰的；使用一個(gè)特征照相 機(jī)來獲取代表該物體的至少一部分的一個(gè)特征圖像的數(shù)據(jù)；從該基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)中提取 代表由該投影的圖案在該表面上的一個(gè)反射所提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合的數(shù) 據(jù)；使用該代表2D坐標(biāo)系表面點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)在該傳感器坐標(biāo)系中計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一 個(gè)集合；并且在數(shù)學(xué)意義上將該3D表面點(diǎn)集合投影到該特征圖像數(shù)據(jù)上，以便獲得這些3D 表面點(diǎn)在這些特征圖像數(shù)據(jù)中的一個(gè)位置；在這些特征圖像數(shù)據(jù)中在離這些投影的3D表 面點(diǎn)一個(gè)短距離處為該3D表面點(diǎn)集合提取特征數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，該基礎(chǔ)2D圖像以及該特征圖像是使用一種傳感裝置獲得的， 該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，用于在該物體的表面上提供該投影的圖案；至少一個(gè) 基礎(chǔ)照相機(jī)，用于獲取該物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像；以及一個(gè)特征照相機(jī)，用于獲取該物體 的一個(gè)特征圖像；在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中該基礎(chǔ)照相機(jī)、該圖案投影器以及該特征照相機(jī) 的一種空間關(guān)系是已知的。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了使用一個(gè)額外的彩色照相機(jī)的系統(tǒng)和方法，該彩色 照相機(jī)具有一個(gè)更高焦距的透鏡以便捕獲一個(gè)特征圖像、連同與該距離傳感器的一種緊密 連接。由該距離傳感器捕獲的用于低分辨率幾何結(jié)構(gòu)測(cè)量的基礎(chǔ)圖像被用于引導(dǎo)該特征圖 像中的表面紋理的提取。該額外的照相機(jī)也可以是單色的(即灰度)并且可以被用于捕獲 該物體上的高分辨率的幾何結(jié)構(gòu)。類似地，將多個(gè)基礎(chǔ)圖像用于引導(dǎo)該高分辨率特征的提 取。更廣義地講，當(dāng)在高分辨率下捕獲這兩種特征時(shí)，在對(duì)該物體的表面建模的同時(shí)可以對(duì) 幾何結(jié)構(gòu)和顏色紋理分辨率兩者獨(dú)立地進(jìn)行適配。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了一種用于獲得一個(gè)物體的多個(gè)三維表面點(diǎn)的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括一個(gè)傳感裝置，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，用于在所述物體的一個(gè)表面 上提供一個(gè)投影的圖案；至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)，用于獲取在所述物體上的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖 像；以及一個(gè)特征照相機(jī)，用于獲取在所述物體上的一個(gè)高分辨率2D圖像。該投影的圖 案在所述基礎(chǔ)圖像上是清晰的，并且在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述圖案投影器之間的一種對(duì)位 (reference)、以及在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述特征照相機(jī)之間的一種對(duì)位是已知的。該系統(tǒng) 進(jìn)一步包括一個(gè)圖像處理器、一個(gè)3D表面點(diǎn)計(jì)算器以及一個(gè)高分辨率圖像處理器。該圖像 處理器從所述基礎(chǔ)2D圖像中提取由所述投影的圖案在所述表面上的一個(gè)反射所提供的多 個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合。該3D表面點(diǎn)計(jì)算器在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用所述2D表 面點(diǎn)集合來計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合。該高分辨率圖像處理器將所述3D表面點(diǎn)集合 投影到所述高分辨率2D圖像上，以便從該高分辨率2D圖像計(jì)算多個(gè)2D高分辨率表面點(diǎn)的 至少一個(gè)集合。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了一種用于獲得物體的多個(gè)三維表面點(diǎn)以及一種紋理 的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)傳感裝置，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，用于在所述物體的 一個(gè)表面上提供一個(gè)投影的圖案；至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)，用于獲取在所述物體上的一個(gè)基 礎(chǔ)2D圖像；以及一個(gè)特征照相機(jī)，用于獲取在所述物體上的一個(gè)紋理圖像。該投影的圖案 在所述基礎(chǔ)圖像上是清晰的，并且在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述圖案投影器之間的一種對(duì)位、 以及在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述特征照相機(jī)之間的一種對(duì)位是已知的。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一 個(gè)圖像處理器、一個(gè)3D表面點(diǎn)計(jì)算器以及一個(gè)紋理圖像處理器。該圖像處理器從所述基礎(chǔ) 2D圖像中提取由所述投影的圖案在所述表面上的一個(gè)反射所提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少 一個(gè)集合。該3D表面點(diǎn)計(jì)算器在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用所述2D表面點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)來計(jì) 算多個(gè)計(jì)算的3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合。該紋理圖像處理器將所述3D表面點(diǎn)集合投影到所述 紋理圖像上，以便從該紋理圖像計(jì)算多個(gè)紋理圖塊的至少一個(gè)集合。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了一種用于獲得一個(gè)物體的多個(gè)三維表面點(diǎn)的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括一個(gè)傳感裝置，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，用于在所述物體的一個(gè)表面 上提供一個(gè)投影的圖案；至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)，用于獲取在所述物體上的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖 像；以及一個(gè)特征照相機(jī)，用于以高分辨率獲取在所述物體上的一個(gè)特征2D圖像。該投影的圖案在所述基礎(chǔ)圖像上是清晰的，并且在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述圖案投影器之間的一種 對(duì)位、以及在所述基礎(chǔ)照相機(jī)與所述特征照相機(jī)之間的一種對(duì)位是已知的。該系統(tǒng)進(jìn)一步 包括一個(gè)基礎(chǔ)圖像處理器，用于從所述基礎(chǔ)2D圖像提取由所述投影的圖案在所述表面上 的一個(gè)反射提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)至少一個(gè)集合；一個(gè)3D表面點(diǎn)計(jì)算器，用于在一個(gè)傳感器 坐標(biāo)系中使用所述2D表面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；一個(gè)高分辨率圖像處理 器，用于將所述3D表面點(diǎn)集合投影到所述特征2D圖像上，以便獲得投影的表面點(diǎn)的一個(gè)集 合并且從該特征2D圖像計(jì)算多個(gè)2D高分辨率表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合；一個(gè)紋理圖像處理 器，用于從該特征2D圖像并且使用該投影的表面點(diǎn)集合來計(jì)算多個(gè)紋理圖塊的至少一個(gè) 集合；一個(gè)3D定位計(jì)算器，用于計(jì)算多個(gè)變換參數(shù)，這些變換參數(shù)指示在所述傳感器坐標(biāo) 系與所述全局坐標(biāo)系之間的一種關(guān)系，用于在所述全局參考幀中與所述傳感裝置的一個(gè)位 置對(duì)位；一個(gè)3D表面點(diǎn)變換器，用于使用所述變換參數(shù)將在該傳感器坐標(biāo)系中的所述3D表 面點(diǎn)集合變換到在所述全局參考幀中的多個(gè)變換的3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；一個(gè)局部切面 計(jì)算器，用于從在該全局參考幀中的變換的3D表面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)局部切面的一個(gè)集合； 一個(gè)紋理整合器，用于將該紋理圖塊集合映射并且累加到該局部切面集合上，以便產(chǎn)生多 個(gè)局部紋理化的切面的一個(gè)集合；以及一個(gè)表面重構(gòu)器，該表面重構(gòu)器用于積累該變換的 3D表面點(diǎn)集合，以便提供所述物體的一個(gè)3D表面模型，并且還用于將該局部紋理化的切面 集合映射到該3D表面模型上。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了一種用于獲得一個(gè)物體的多個(gè)三維表面點(diǎn)的方法。 在所述物體的一個(gè)表面上提供一個(gè)投影的圖案。獲得所述物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像。該投 影的圖案在所述圖像上是清晰的，并且在所述基礎(chǔ)2D圖像與所述投影的圖案之間的一種 對(duì)位是已知的。獲得所述物體的一個(gè)高分辨率2D圖像。在所述基礎(chǔ)2D圖像與所述高分辨 率2D圖像之間的一種對(duì)位是已知的。從所述基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)中，從所述投影的圖案在所 述表面上的一個(gè)反射中提取多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合。在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用 所述2D表面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合。將該3D表面點(diǎn)集合投影到所述高分 辨率2D圖像上，以便從該高分辨率2D圖像計(jì)算多個(gè)2D高分辨率表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合。根據(jù)另一個(gè)方面，在此提供了一種用于獲得物體的多個(gè)三維表面點(diǎn)以及一種紋理 的方法。在所述物體的一個(gè)表面上提供一個(gè)投影的圖案。獲得所述物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖 像。該投影的圖案在所述圖像上是清晰的，并且在所述基礎(chǔ)2D圖像與所述投影的圖案之間 的一種對(duì)位是已知的。獲得所述物體的一個(gè)紋理2D圖像。在所述基礎(chǔ)2D圖像與所述紋理 2D圖像之間的一種對(duì)位是已知的。從所述基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)中，從所述投影的圖案在所述表 面上的一個(gè)反射中提取多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合。在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用所述 2D表面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合。將該3D表面點(diǎn)的集合投影到所述紋理2D 圖像上，以便從該紋理圖像計(jì)算多個(gè)2D紋理圖塊的至少一個(gè)集合。


圖1描繪了一種用于三維表面掃描的裝置的構(gòu)型；圖2展示了在使用中的圖1中所描繪裝置的一種構(gòu)型以及在采集過程有待測(cè)量的 物體；圖3是一個(gè)框圖，展示了一種用于三維表面掃描的系統(tǒng)；
圖4展示了在一個(gè)物體的表面上的多個(gè)區(qū)域，其中紋理是在激光軌跡附近提取 的；圖5展示了高分辨率激光軌跡在該特征圖像中受引導(dǎo)的提取的細(xì)節(jié)；并且圖6示出了一個(gè)帶有外殼的示例性手持式傳感器裝置。應(yīng)注意，在所有附圖中類似的特征都由類似的參考號(hào)標(biāo)識(shí)的。
具體實(shí)施例方式在說明了圖1和圖2中所適配的裝置的一種構(gòu)型之后，從圖3中展示的框圖對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行說明。圖1展示了用在圖3的系統(tǒng)中的傳感裝置40的一個(gè)示例性實(shí)施方案的示意性正 視圖。該裝置40包括兩個(gè)基礎(chǔ)物鏡和多個(gè)光檢測(cè)器，在此被稱為基礎(chǔ)照相機(jī)46。在這個(gè)實(shí) 施方案中，基礎(chǔ)照相機(jī)46是漸進(jìn)掃描數(shù)字照相機(jī)。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將容易理解 的，除了這類照相機(jī)以外多種多樣的物鏡和光檢測(cè)裝置都是適合用于實(shí)施本發(fā)明的，并且 毫無疑問今后將會(huì)有其他的裝置被開發(fā)出來。這兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46使它們的投影中心分 離開一個(gè)距離Dl 52(即基線)并且組成一個(gè)被動(dòng)式立體的照相機(jī)對(duì)。這些基礎(chǔ)照相機(jī)46 的視野可以是例如60度，并且它們可以是單色照相機(jī)。一個(gè)激光圖案投影器42典型地定位在離開該立體對(duì)的基線的一個(gè)距離D3 56處， 以便組成一個(gè)緊湊的三角形構(gòu)型的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了兩個(gè)額外的主動(dòng)傳感器，在第一種情況下 它們由左側(cè)照相機(jī)以及激光圖案投影器組成，并且在第二種情況下由右側(cè)照相機(jī)以及激光 圖案投影器組成。對(duì)于這兩個(gè)額外的主動(dòng)立體對(duì)，在圖1中描繪了基線D2 54。激光圖案投 影器42可以是對(duì)肉眼安全的II級(jí)激光。它可以投影一個(gè)紅色的十字準(zhǔn)線圖案。激光圖案 投影器42的扇形角可以是45度。在圖1的構(gòu)型中，該傳感裝置進(jìn)一步包括光源50。該光源可以由分布在基礎(chǔ)照相 機(jī)46周圍的兩組LED構(gòu)成。在這個(gè)實(shí)施方案中，盡可能靠近照相機(jī)46的光學(xué)軸線來定位 光源50，以便從多個(gè)后向反射目標(biāo)捕獲更強(qiáng)的信號(hào)。典型地，光源50被提供為圍繞基礎(chǔ)照 相機(jī)46的環(huán)形燈。例如，在彩色掃描裝置中，可以使用一種包括8個(gè)白色LED的環(huán)形燈。在 高分辨率掃描裝置中，可以使用一種包括4個(gè)紅色LED的環(huán)形燈。光源50照亮安置在物體 62上并且被用作定位特征的多個(gè)后向反射目標(biāo)60 (見圖2)。這些后向反射目標(biāo)60能夠以 大約IOcm的間隔安置在該物體上。光源50照明可以進(jìn)一步照亮該物體表面，以便允許觀 察顏色紋理。一個(gè)第二物鏡和光檢測(cè)器(在此被稱為特征照相機(jī)59)被添加到該傳感裝置上， 以便獲得物體62的表面的一種高分辨率的幾何結(jié)構(gòu)和/或顏色紋理。在一個(gè)實(shí)施方案中， 該特征照相機(jī)59具有一個(gè)高分辨率的光檢測(cè)器，該光檢測(cè)器捕獲物體62的一個(gè)放大的圖 像，即與由基礎(chǔ)照相機(jī)46所獲得的圖像相比是放大的。這個(gè)高分辨率特征照相機(jī)59可以 具有13度的視野并且可以是單色的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，特征照相機(jī)59具有一個(gè)彩色 照相機(jī)，該彩色照相機(jī)捕獲物體62的一個(gè)顏色紋理圖像。這個(gè)紋理特征照相機(jī)59可以具 有20度的視野并且可以是一種彩色照相機(jī)。特征照相機(jī)59定位在離這兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)的 基線軸線的一段距離D4 58處。因此在所有照相機(jī)46、59以及激光圖案投影器42之間都 存在用于3D測(cè)量的基線。
然而應(yīng)注意的是，在另外的實(shí)施方案中使用了一種單色照相機(jī)以獲得該物體的灰 度紋理圖像而不是顏色紋理圖像。多個(gè)線性偏光過濾器48被安裝在光源50之前以及在特 征照相機(jī)59之前。在光源50上以及在特征照相機(jī)59上的此類過濾器的組合降低或消除 了鏡反射高光并且保留了漫反射。當(dāng)D3 56是使得該三角形是具有兩個(gè)45度角和一個(gè)90度角(在十字準(zhǔn)線圖案44 的兩個(gè)激光平面之間)的等腰三角形時(shí)，這些基礎(chǔ)照相機(jī)以及激光圖案投影器42的三角形 構(gòu)型是特別有意義的。借助這種特別的構(gòu)型，該十字準(zhǔn)線圖案是被定向?yàn)槭沟妹總€(gè)平面與 每個(gè)照相機(jī)的投影中心以及與這些圖像的中心兩者均對(duì)齊。這對(duì)應(yīng)于中央核線，其中主要 的優(yōu)點(diǎn)是，一個(gè)激光平面(非主動(dòng)平面)將總是獨(dú)立于所觀察的場(chǎng)景而被成像為在圖像中 處于相同位置的一條直線。于是可以從兩個(gè)圖像的每個(gè)中的變形的第二光平面提取相關(guān)的 3D f曰息ο因此整個(gè)基礎(chǔ)傳感裝置包括兩個(gè)激光輪廓儀46A-42以及46B-42，一個(gè)被動(dòng)立體 對(duì)46A-46B，以及用于同時(shí)捕獲后向反射目標(biāo)60的兩個(gè)模塊46A-50以及46B-50。每個(gè)激 光輪廓儀46A-42和46B-42是由基礎(chǔ)照相機(jī)46中的一個(gè)與激光圖案投影器42的組合所限 定的。該被動(dòng)立體對(duì)46A-46B是由兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46A-46B的組合所限定的。每個(gè)模塊 46A-50和46B-50是由基礎(chǔ)照相機(jī)46中的一個(gè)及其對(duì)應(yīng)的光源50的組合所限定的。這種 構(gòu)型可以是緊湊的。特征照相機(jī)59增加了三個(gè)立體組合(即59-46A、59-46B和59-42)。 然而，特征照相機(jī)59被用于捕獲放大的高分辨率幾何結(jié)構(gòu)或者顏色紋理圖像。這兩種特征 的測(cè)量被整合在所說明的這個(gè)實(shí)施方案中。對(duì)于這個(gè)示例性傳感裝置40，對(duì)于在傳感裝置40與物體62之間的300到400mm 的相隔距離處的亞毫米級(jí)的準(zhǔn)確度而言，基線Dl 52典型地是大約190mm。D3 56的值被設(shè) 定為Dl的一半。通過縮放D1，距離D2自動(dòng)地隨之變化。為了緊湊性，距離D4 58通常地是 小于或等于D3。對(duì)于D4的一個(gè)典型值是55mm。要注意的是傳感裝置40典型地是一個(gè)手持式裝置并且使用位于物體62上的多個(gè) 定位特征來進(jìn)行自動(dòng)對(duì)位。然而，傳感裝置40沒有必要是手持式的并且可以是安裝在例如 一個(gè)機(jī)械的致動(dòng)器上的，并且也可以另外地使用外部對(duì)位傳感器或者任何其他的定位裝置 進(jìn)行對(duì)位。在傳感裝置40是手持式的情況下，它優(yōu)選地被制造在一個(gè)外殼中，可以容易地 用手對(duì)該外殼進(jìn)行操作。因此手持式傳感裝置40的總重量應(yīng)當(dāng)考慮到一個(gè)典型用戶的力 量，并且可以被限制到例如1. 5kgo類似地，手持式傳感裝置40的尺寸應(yīng)當(dāng)允許在掃描過程 中對(duì)該傳感裝置進(jìn)行操作，并且可以被限制為例如20cm χ 30cm χ 25cm。圖2展示了被定位為以便觀察一個(gè)有待測(cè)量的物體62的傳感裝置40的一個(gè)3D視 圖?？梢钥吹较惹八f明的緊湊的三角形體系結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46以及十字準(zhǔn)線 激光圖案投影器42。傳感裝置40捕獲一個(gè)圖像，該圖像包括投影的圖案44以及一組定位 特征60。定位特征60可以由多個(gè)孤立的激光點(diǎn)的軌跡或者圓形的后向反射目標(biāo)組成。在 這個(gè)實(shí)施方案中，該特征照相機(jī)59捕獲了該物體表面的一個(gè)放大的圖像。圖6示出了在被適配為由用戶手持的外殼中的傳感裝置40的一個(gè)實(shí)例。外殼90 包括一個(gè)手柄部分91?；A(chǔ)照相機(jī)46A和46B、特征照相機(jī)59與激光圖案投影器42的相 對(duì)位置是如以上所討論的。手柄部分91包括一個(gè)觸發(fā)開關(guān)93用以啟動(dòng)在環(huán)形燈48上的 燈50以及激光圖案投影器42。手持式傳感裝置40使用線路94連接到(例如)在一臺(tái)個(gè)
10人計(jì)算機(jī)上提供的采集軟件模塊上。如將容易理解的，可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員提供 一種無線掃描裝置。參見圖3，總體上在10處示出了一種適合與傳感裝置40 —起使用的3D表面掃描 系統(tǒng)。除了包括傳感裝置40的整個(gè)系統(tǒng)的整合之外，應(yīng)特別注意到特征圖像處理器15以 及它與3D表面點(diǎn)計(jì)算器18的交互作用36。由在傳感器坐標(biāo)系中的計(jì)算的3D低分辨率表 面點(diǎn)的多個(gè)集合的引導(dǎo)下，特征圖像處理器15坐標(biāo)系可以在更高分辨率下提取紋理(在這 種情況下即顏色紋理)和/或幾何結(jié)構(gòu)兩者。還應(yīng)特別注意到紋理整合器25，該紋理整合 器將在每個(gè)特征圖像13中提取的紋理圖塊74 (見圖4)映射到在全局坐標(biāo)系中復(fù)原的部分 幾何結(jié)構(gòu)上。圖3的3D表面掃描系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)了紋理成像以及高分辨率幾何結(jié)構(gòu)圖像功能兩 者。在圖3的3D表面掃描系統(tǒng)10中，紋理和幾何結(jié)構(gòu)兩者是同時(shí)獲得的。然而，要注意在 另一個(gè)實(shí)施方案中，僅實(shí)施了紋理成像并且省略了高分辨率幾何結(jié)構(gòu)成像。在又另一個(gè)實(shí) 施方案中，僅實(shí)施了高分辨率幾何結(jié)構(gòu)成像。在后一種情況下，特征照相機(jī)59典型地是一 種非彩色(即灰度)照相機(jī)，并且省略了紋理整合器25。還應(yīng)注意圖3的3D表面掃描系 統(tǒng)典型地具有多種選項(xiàng)，從而允許用戶啟動(dòng)和關(guān)閉紋理成像以及高分辨率幾何結(jié)構(gòu)成像功 能。傳感裝置系統(tǒng)10包括一個(gè)傳感裝置11，如以上參見圖1和圖2在此更詳細(xì)說明的傳感裝置 40。傳感裝置11收集所觀察的情景的一組基礎(chǔ)圖像12并且將其傳輸?shù)揭粋€(gè)圖像處理器14 上。這些圖像可以是從具有不同視點(diǎn)的兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46 (見圖1)收集的，其中這些視點(diǎn) 中的每個(gè)都具有自己的投影中心?；A(chǔ)圖像12中包含的相關(guān)信息可以是由在該物體表面 上反射的激光圖案44的反射造成的，也可以是由定位特征60造成的，這些定位特征可以被 用于計(jì)算傳感裝置11相對(duì)于其他的幀捕獲的相對(duì)位置。由于在一個(gè)給定幀中的所有圖像 是被同時(shí)捕獲的并且包含定位以及表面測(cè)量?jī)烧?，因此定位與表面測(cè)量的同步是隱含的。傳感裝置11還整合了一個(gè)額外的照相機(jī)，亦即特征照相機(jī)59 (見圖1)，其目的是 用于捕獲一種特征圖像13。相對(duì)于基礎(chǔ)照相機(jī)46的視點(diǎn)，特征照相機(jī)59的視點(diǎn)是已知的 (即對(duì)位的)，并且基礎(chǔ)照相機(jī)46以及特征照相機(jī)59相對(duì)彼此都是同步的。典型地，一種 特征圖像13或者是一種高分辨率圖像或者是例如一種彩色圖像。在圖3中，傳感裝置11被示出為包括至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46以及至少一個(gè)特征 照相機(jī)59，這個(gè)(這些)基礎(chǔ)照相機(jī)46生成該組基礎(chǔ)圖像12并且特征照相機(jī)59生成特征 圖像13。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)注意到并且容易理解的是，替代從一對(duì)照相機(jī)完成立體 圖像，也有可能執(zhí)行“來自運(yùn)動(dòng)的立體圖像”或者“來自運(yùn)動(dòng)的3D圖像”并且因此使用一個(gè) 單一的照相機(jī)用于定位。圖像處理器圖像處理器14從每個(gè)基礎(chǔ)圖像12提取定位特征和表面點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)基礎(chǔ)圖像 12，輸出了所觀察的多個(gè)2D定位特征的一個(gè)集合20以及多個(gè)2D表面點(diǎn)的多個(gè)集合16 (包 括它們的連接性)。對(duì)于這些集合中的每個(gè)的連接性事實(shí)上定義了多個(gè)2D曲線區(qū)段。在 基礎(chǔ)圖像12中對(duì)這些表面點(diǎn)和特征基于其固有特征進(jìn)行識(shí)別。與這些特征相關(guān)的多個(gè)像素相對(duì)于背景是有反差的，并且在使用質(zhì)心或橢圓擬合來估算它們的位置之前可以用簡(jiǎn)單 的圖像處理技術(shù)將它們隔離(見 E-iTrucco and A. Verr!,"Introductory techniques for 3-D computer vision",Prentice Hall，1998)。使用圓形的目標(biāo)允許從擬合的橢圓方程式 中提取表面法線定向信息，因此協(xié)助了傳感器定位。從這些定位特征中將表面點(diǎn)的這些集 合區(qū)別出來，因?yàn)樵摷す鈭D案投影器在這些圖像中產(chǎn)生了多個(gè)對(duì)比的曲線部分并且因此展 現(xiàn)了一種不同的2D形狀。這些圖像曲線部分是作為多個(gè)單一的團(tuán)點(diǎn)被分離出的，并且對(duì)于 這些圖案中的每個(gè)團(tuán)點(diǎn)都對(duì)該曲線區(qū)段進(jìn)行分析從而用亞像素精確度沿該曲線提取多個(gè) 點(diǎn)的一個(gè)集合。這是通過在該曲線部分上對(duì)一個(gè)微分算子進(jìn)行卷積并且將其響應(yīng)的零交點(diǎn) 進(jìn)行內(nèi)插而實(shí)現(xiàn)的。后者的運(yùn)算典型地被稱為峰值檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)十字準(zhǔn)線激光圖案，人們可以從在此說明的裝置的體系結(jié)構(gòu)中獲益。在 這樣一種帶有兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46以及一個(gè)十字準(zhǔn)線圖案投影器42的配置中，基礎(chǔ)照相 機(jī)46被對(duì)齊而使得兩個(gè)激光平面中的一個(gè)在每個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46中在一個(gè)恒定的位置產(chǎn) 生一條單一的直線。這就是對(duì)于一個(gè)給定的照相機(jī)46的非活動(dòng)激光平面。這些非活動(dòng) 激光平面對(duì)兩個(gè)照相機(jī)46而言都是相反的。由H6bert提及的這種構(gòu)型(見P. Hebert, "A Self-Referenced Hand-Held Range Sensor，，· in proc. of the 3rd International Conference on 3D Digital Imaging and Modeling (3DIM 2001), 28May-lJune 2001, Quebec City, Canada, pp. 5-12)大大簡(jiǎn)化了圖像處理任務(wù)。它還將2D表面點(diǎn)的每個(gè)集合 的分配簡(jiǎn)化成了該十字準(zhǔn)線的一個(gè)激光平面連同它們?cè)?D中的連接性用于限定多個(gè)曲線 區(qū)段。雖然在這些2D表面點(diǎn)集合16在該系統(tǒng)中遵循一條路徑以便恢復(fù)對(duì)表面幾何結(jié)構(gòu) 的整個(gè)掃描，這些所觀察的2D定位特征集合20遵循一條第二路徑并且被用于恢復(fù)傳感裝 置11相對(duì)于該物體表面的相對(duì)位置。然而，這兩種類型的集合被進(jìn)一步處理用于在該傳感 器坐標(biāo)系中以及在如以下所說明的全局坐標(biāo)系中獲得3D信息。3D表面點(diǎn)計(jì)算器3D表面點(diǎn)計(jì)算器18將所提取的2D表面點(diǎn)的多個(gè)集合16作為第一輸入。這些 點(diǎn)可以是與該激光投影的圖案的一個(gè)部分相關(guān)聯(lián)的，例如十字準(zhǔn)線圖案44的兩個(gè)平面之 一。當(dāng)這種關(guān)聯(lián)是已知的時(shí)，通過將相應(yīng)的投影光線與該激光平面的方程式相交，這些2D 點(diǎn)中的每個(gè)都可以被變換成在該傳感器坐標(biāo)系中的一個(gè)3D點(diǎn)。該光線的方程式是從相 關(guān)聯(lián)的照相機(jī)的投影矩陣獲得的。該激光平面的方程式可以使用一種預(yù)校準(zhǔn)程序來獲得 (見 P. Hebert, "A Self-Referenced Hand-Held Range Sensor，，· in proc. of the 3rd International Conference on 3D Digital Imaging and Modeling(3DIM 2001),28 May-I June 2001，Quebec City，Canada，pp. 5-12)。還有可能在使用一種(例如)精確平移臺(tái)對(duì) 傳感器11進(jìn)行校準(zhǔn)之后通過采用表格查找來直接地從一個(gè)2D點(diǎn)獲得一個(gè)3D點(diǎn)。兩種方 法都是適當(dāng)?shù)?。在第一種情況下，程序是簡(jiǎn)單的并且不需要復(fù)雜的儀器，但是它要求對(duì)這些 照相機(jī)的固有和非固有參數(shù)進(jìn)行非常好的估算。還有可能避免將每個(gè)2D點(diǎn)與該激光圖案的一種特定的結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。對(duì)于更復(fù)雜 或更通用的圖案而言，這是特別有意義的。在這種情況下，仍然有可能使用基本矩陣并且利 用核線約束以匹配多個(gè)點(diǎn)來計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)。當(dāng)這可以無歧義地完成時(shí)，可以從這些照 相機(jī)的已知的投影矩陣計(jì)算出三角測(cè)量值以便獲得在該傳感器坐標(biāo)系中的一個(gè)3D點(diǎn)。
3D表面點(diǎn)計(jì)算器18將在傳感器坐標(biāo)系中的計(jì)算的3D低分辨率表面點(diǎn)的這些集合 19送到特征圖像處理器15中以便如以下所說明由特征圖像處理器15協(xié)助提取高分辨率的 2D點(diǎn)。計(jì)算的3D表面點(diǎn)的這些集合被稱為具有低分辨率以便將它們?cè)趥鞲衅髯鴺?biāo)系中的 輸出計(jì)算的3D表面點(diǎn)的全體集合21內(nèi)進(jìn)行區(qū)分，該全體集合包括在傳感器坐標(biāo)系中的3D 低分辨率表面點(diǎn)的這些集合19以及在傳感器坐標(biāo)系中的高分辨率表面點(diǎn)的多個(gè)集合17。為了計(jì)算高分辨率表面點(diǎn)的這些集合，3D表面點(diǎn)計(jì)算器18進(jìn)一步將高分辨率2D 表面點(diǎn)的多個(gè)集合17作為輸入。使用了與以上在此所說明的用于計(jì)算低分辨率3D表面點(diǎn) 的相同的程序。這個(gè)程序或者要求該特征照相機(jī)的固有和非固有參數(shù)的非常良好的估算或 者要求利用表格查找。3D表面點(diǎn)計(jì)算器18輸出了在該傳感器坐標(biāo)系中所計(jì)算的3D表面點(diǎn)的全體集合 21。這些集合可以是無組織的集合或者被組織成使得與在圖像中相連的區(qū)段相關(guān)聯(lián)的多個(gè) 3D點(diǎn)被分組以用于通過微分來估算3D曲線的切線。這些區(qū)段可以根據(jù)其來源圖像被進(jìn)一 步分組成高分辨率和低分辨率區(qū)段。這種信息可以由局部切面計(jì)算器四或者表面重構(gòu)器 34加以利用，用于局部地對(duì)該復(fù)原的表面模型35的質(zhì)量進(jìn)行適配。特征圖像處理器特征圖像處理器15將一個(gè)特征圖像13作為輸入，該特征圖像是從特征照相機(jī) 59(見圖1)獲得的一個(gè)圖像，該特征照相機(jī)典型地安裝了具有更高焦距的一個(gè)透鏡。典型 地，特征圖像13僅覆蓋該掃描的一小部分(為了更好的分辨率)，該部分沒有必要包括一個(gè) 定位特征或者反射在該物體上的整個(gè)圖案。因此，這種對(duì)位從基礎(chǔ)圖像12中是已知的，并 且在特征圖像13和基礎(chǔ)圖像12之間的空間關(guān)系從照相機(jī)校準(zhǔn)中是已知的。特征圖像13 可以是單色的或者彩色的。雖然在前一種情況下所提取的特征本質(zhì)上具有幾何結(jié)構(gòu)或者單 色紋理，但是在后一種情況下該特征進(jìn)一步包括顏色紋理特征。為了計(jì)算高分辨率的幾何結(jié)構(gòu)信息(即高分辨率特征2D表面點(diǎn)的多個(gè)集合)，特 征圖像處理器15將在傳感器坐標(biāo)系中的3D低分辨率表面點(diǎn)的這些集合19投影到特征照 相機(jī)59的坐標(biāo)系中，該照相機(jī)的固有參數(shù)都是預(yù)校準(zhǔn)的并且該照相機(jī)相對(duì)該傳感器坐標(biāo) 系的空間關(guān)系(即其非固有參數(shù))也已經(jīng)通過照相機(jī)校準(zhǔn)而獲得。多個(gè)相連的3D點(diǎn)的這 些投影的集合將多個(gè)區(qū)段的集合投影到特征圖像13之中。從在該特征圖像坐標(biāo)系中這些 所獲得的近似位置處，將局部圖像處理應(yīng)用于從成像的激光軌跡中提取多個(gè)2D對(duì)應(yīng)點(diǎn)。為了做到這一點(diǎn)，從投影產(chǎn)生的多個(gè)相連2D點(diǎn)的每個(gè)集合都提供了該曲線區(qū)段 的一個(gè)逐段的線性逼近(即一條折線80)。圖5展示了在這種特征影像激光軌跡88的引導(dǎo) 提取的細(xì)節(jié)。在所計(jì)算的3D低分辨率表面點(diǎn)的對(duì)應(yīng)相連的集合的投影之后，最初從這些基 礎(chǔ)圖像獲得的一個(gè)逐段線性逼近(即一條折線80)被疊加到特征圖像13上。這些點(diǎn)的投 影是折線80的多個(gè)頂點(diǎn)82。然后對(duì)折線80進(jìn)行重新采樣。在圖5中，一個(gè)部分以采樣因 子5展示，導(dǎo)致每個(gè)線性部分有4個(gè)額外的點(diǎn)84。在沿折線80的每個(gè)點(diǎn)82和84處，沿法 線方向86對(duì)該特征圖像進(jìn)行采樣。典型地，沿這些方向計(jì)算20到30個(gè)圖像樣本，產(chǎn)生一 個(gè)ID信號(hào)。這些樣本之間的距離是一個(gè)像素的寬度。從這個(gè)ID曲線中估算該亞像素峰值 位置，因此提供了一個(gè)高分辨率的2D表面點(diǎn)。最后，使用這些信號(hào)來檢測(cè)在該特征圖像中 的激光軌跡88的多個(gè)峰值。在低分辨率折線的突出處獲得了這些峰值的一個(gè)細(xì)化的位置。 為每個(gè)相連的集合收集這些2D表面點(diǎn)致使輸出高分辨率2D表面點(diǎn)的多個(gè)集合17。
應(yīng)指出，還有可能從該局部特征圖像信號(hào)來估算該局部法線方向。幾何結(jié)構(gòu)是一個(gè)物體表面的一種特征?？梢元?dú)立地進(jìn)行處理的其他特征是灰度紋 理和顏色紋理。應(yīng)指出，雖然在以下說明中假定為顏色紋理采集和處理，但是灰度紋理的采 集和處理也是有可能的。原理保持不變；該局部特征提取是使用在該傳感器坐標(biāo)系中的3D 低分辨率表面點(diǎn)的多個(gè)初始集合的投影來引導(dǎo)的。如果在該折線附近存在一個(gè)激光軌跡， 那么在接近該激光軌跡兩側(cè)處的一個(gè)區(qū)域中收集這些像素的顏色。圖4展示了在該特征圖 像中該激光軌跡附近的復(fù)原的紋理圖塊74。在該圖的右側(cè)部分，一個(gè)部分被放大。離開該 激光軌跡的兩個(gè)距離τ 1 72和τ 2 70界定了在該激光軌跡附近的所復(fù)原紋理的寬度。顏 色在一個(gè)間隔距離之內(nèi)被復(fù)原，該間隔距離的范圍在τ 1 72和τ 2 70之間。τ 72被設(shè) 定為使之避免與該激光發(fā)生顏色干擾；在這一個(gè)實(shí)施方案中對(duì)于τ 72典型的值是10像 素并且對(duì)于τ 2 70是25像素。這些合成局部紋理的像素中的每個(gè)都被指定了在該復(fù)原的 曲線區(qū)段上或者可替代地在該折線上(當(dāng)該幾何結(jié)構(gòu)沒有被細(xì)化時(shí))的最近的表面點(diǎn)的坐 標(biāo)(X，y，ζ, r, g，b)。特征圖像處理器15將多個(gè)圖像紋理圖塊的集合作為在該傳感器坐標(biāo) 系中使用3D坐標(biāo)擴(kuò)充的紋理位圖進(jìn)行輸出。對(duì)于一個(gè)給定的幀，該圖像紋理圖塊集合74 被送到紋理整合器25中，該整合器的作用是將從所有視點(diǎn)收集的所有圖像紋理圖塊合并。 在局部切面計(jì)算器之后將對(duì)紋理整合器25進(jìn)行說明。3D定位計(jì)算器3D定位計(jì)算器23的任務(wù)是為每個(gè)計(jì)算的3D表面點(diǎn)集合21以及圖像紋理圖塊集 合提供變換參數(shù)26。這些變換參數(shù)沈在保留該結(jié)構(gòu)的同時(shí)使之有可能將3D表面點(diǎn)21或 者用于圖像紋理圖塊22的每個(gè)像素的(x，y，z)坐標(biāo)變換入一個(gè)單一的全局坐標(biāo)系中；這種 變換是剛性的。在這個(gè)實(shí)施方案中，這是通過在全局坐標(biāo)系30中建立并且維持參考3D定 位特征的一個(gè)集合來實(shí)現(xiàn)的。這些定位特征可以是多個(gè)3D點(diǎn)的一個(gè)集合、帶有相關(guān)的表面 法線的多個(gè)3D點(diǎn)的一個(gè)集合、或者任何其他表面特征。應(yīng)指出，雖然在這個(gè)實(shí)施方案中采 用了使用定位特征的自動(dòng)對(duì)位，但是在另一個(gè)實(shí)施方案中可以采用其他的定位系統(tǒng)。例如 可以使用外部對(duì)位傳感器或者其他定位裝置。在圖3的實(shí)施方案中，假設(shè)所有的定位特征都是3D點(diǎn)，這些點(diǎn)表示為包含三個(gè)分 量的列向量[X，1, Z]T，這些分量指示了這些點(diǎn)沿這三個(gè)坐標(biāo)軸線的位置。由于傳感裝置11是經(jīng)過校準(zhǔn)的，所以在基礎(chǔ)照相機(jī)46的多個(gè)視點(diǎn)之間的匹配的 定位特征被用于估算它們的3D位置。使用該核線約束對(duì)所觀察的2D定位特征的這些集合 進(jìn)行匹配以便獲得無歧義的配對(duì)。這些核線是使用基本矩陣來計(jì)算的，該基本矩陣是從基 礎(chǔ)照相機(jī)46的多個(gè)校準(zhǔn)的投影矩陣計(jì)算出的。然后，從照相機(jī)46的這些已知的投影矩陣， 應(yīng)用三角測(cè)量以便為每個(gè)幀計(jì)算在該傳感器坐標(biāo)系中的多個(gè)3D定位特征的一個(gè)單一的集
合 ο在掃描期間開始時(shí)，參考3D定位特征的集合30是空的。因?yàn)閭鞲醒b置11提供測(cè) 量值的第一集合，使用身份變換將這些特征復(fù)制到參考3D定位特征集合30中。因此這個(gè) 集合成為所有后續(xù)的參考3D特征集合的參考集合，并且這個(gè)第一傳感器位置定義了所有 3D表面點(diǎn)被對(duì)齊到其中的該全局坐標(biāo)系。在創(chuàng)建參考3D定位特征的這個(gè)初始集合之后，首先針對(duì)參考集合30對(duì)后續(xù)的計(jì) 算的定位特征集合進(jìn)行匹配。該匹配操作被分為兩個(gè)任務(wù)i)尋找在在用于當(dāng)前幀的傳感 器坐標(biāo)系中計(jì)算的3D定位特征集合與在該全局坐標(biāo)系中參考3D特征集合之間對(duì)應(yīng)的特征，并且ii)計(jì)算與這兩個(gè)集合具有最佳對(duì)齊的最優(yōu)剛性3D變換的變換參數(shù)沈。一旦已經(jīng) 計(jì)算出這些參數(shù)，就可以將它們用于變換當(dāng)前幀的計(jì)算的3D定位特征、在傳感器坐標(biāo)系中 的計(jì)算的3D表面點(diǎn)21以及圖像紋理圖塊22，因此將它們?nèi)吭谠撊肿鴺?biāo)系中對(duì)齊。在計(jì)算出參考3D定位特征的集合R之后，在從照相機(jī)1和2獲得的所觀察的2D定 位特征20，P1和P2計(jì)算出在當(dāng)前幀中所計(jì)算的3D定位特征的集合0。這些3D坐標(biāo)是通過 三角測(cè)量獲得的。對(duì)3D定位特征的這些集合進(jìn)行匹配就是尋找兩個(gè)子集Om CC^PRm CR
m ^―m —
的問題，每個(gè)子集包含N個(gè)特征，這樣使得具有0i e Om以及ri e Rm的所有的點(diǎn)對(duì)(0i，r,) 代表相同的物理特征。尋找這些子集是通過尋找多個(gè)點(diǎn))的最大的區(qū)段數(shù)來實(shí) 現(xiàn)的，這樣使得I Il Oi-Oj Il - Il r-rj || | ( ε 對(duì)于所有 i，j e {1，…，N}，i 乒 j， (1)其中ε是一個(gè)預(yù)定義的閾值，該閾值被設(shè)定為對(duì)應(yīng)于該傳感裝置的準(zhǔn)確度。這一 約束使得在這兩個(gè)集合中一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)對(duì)之間的距離差是可忽略的。這一匹配運(yùn)算是作為一種組合的優(yōu)化問題得到解決的，其中來自集合0的每個(gè)多 點(diǎn)區(qū)段是累進(jìn)地針對(duì)集合R中的每個(gè)多點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行匹配的。然后每個(gè)匹配的區(qū)段通過使 用在這兩個(gè)集合的每個(gè)中的剩余的多個(gè)點(diǎn)而形成一個(gè)額外的區(qū)段而被擴(kuò)展。如果兩個(gè)區(qū) 段滿足約束(1)，那么形成一個(gè)第三區(qū)段，并且只要該約束被滿足就如此繼續(xù)下去。否則 就丟棄該對(duì)并且檢查下一對(duì)。其解是滿足(1)的多個(gè)區(qū)段的最大集合。其他算法(參見 例如 Μ. Fischler and R. Bolles, (1981) "Random sample consensus :A paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography", Communications of the Assoc. for Computing Machinery, (June 1981)，vol.24, no. 6, PP. 381-395.)可以被用于相同的目的。只要在參考3D定位特征集合30中的元素?cái)?shù)量是相對(duì)低的(典型地少于十五個(gè))， 上述方法的計(jì)算復(fù)雜度對(duì)于實(shí)時(shí)操作而言就是可接受的。然而在實(shí)際中，參考特征的數(shù)量 可以容易地達(dá)到數(shù)百個(gè)定位特征。由于計(jì)算復(fù)雜度隨特征數(shù)量以指數(shù)方式增長(zhǎng)，這些對(duì)應(yīng) 特征的計(jì)算可能變得對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用過于緩慢。該問題的解決是通過注意到從任何特定的視 點(diǎn)都可見的定位特征數(shù)量是少的，該數(shù)量是由傳感裝置11的有限的視野所限定的。這意味著如果對(duì)于一個(gè)給定的幀所計(jì)算的特征可以針對(duì)參考特征30進(jìn)行匹配， 那么來自該參考集合的匹配的特征應(yīng)該位于一個(gè)小的臨近區(qū)域中，該鄰近區(qū)域的大小是由 該計(jì)算的特征的集合的大小所決定的。這還意味著在這個(gè)鄰近區(qū)域中的點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)該也是 少的(典型地少于十五個(gè))。為了將這一特征利用于加速匹配，將以上方法修改如下。在匹 配之前，為每個(gè)參考特征創(chuàng)建多個(gè)鄰近特征的一個(gè)集合[NJ。在初始的多點(diǎn)區(qū)段被匹配之 后，通過加入一個(gè)額外的區(qū)段來擴(kuò)展該初始的多點(diǎn)區(qū)段，該額外區(qū)段僅使用在第一匹配特 征的鄰近區(qū)域集合[隊(duì)]中的點(diǎn)。通過這樣做，不管參考集合30的大小如何，用于匹配的點(diǎn) 的數(shù)量保持為低，因此防止了計(jì)算復(fù)雜度的指數(shù)性增長(zhǎng)?？商娲兀部梢允褂脗鞲醒b置位置與定向的空間相關(guān)性來改進(jìn)匹配速度。通過 假定相對(duì)于定位特征集合的大小該傳感裝置的位移是小的，可以通過為每個(gè)所觀察的定位 特征尋找最近的參考特征而實(shí)現(xiàn)匹配。相同的原理可以被用在2D中，即通過尋找最近的2D 定位特征。
—旦匹配完成，這兩個(gè)集合就需要通過計(jì)算最優(yōu)變換參數(shù){Μ T](在最小二乘法意 義上)來對(duì)齊，這樣下面的代價(jià)函數(shù)被最小化
N2-Moi+Τ|| 對(duì)于所有 i G {1，…，N}， (2) 1=1 .這些變換參數(shù)包括一個(gè)3x3的旋轉(zhuǎn)矩陣M以及一個(gè)3x1的平移向量T?？梢允褂?對(duì)偶四元數(shù)找到這樣一種變換，如在 M. W. Walker，L. Siao and R. A. Volz,"Estimating 3-D location parameters using dual number quaternions，，，CVGIP Image Understanding, vol. 54,no. 3,November 1991,pp. 358-367中所說明的。為了計(jì)算這一變換,至少必須找到 三個(gè)公共的定位特征。否則對(duì)于當(dāng)前幀，定位特征和表面點(diǎn)兩者都被丟棄。用于計(jì)算這種剛性變換的一種替代方法是將在所觀察的2D定位特征20與參考3D 定位特征30的投影之間的距離最小化。使用透視性的投影變換Π，該在最小二乘法意義上 是最優(yōu)的剛性變換[Μ Τ]是使下式最小化的變換Σ||ΠΜ_1(Γ.· -Τ)-Ρ,·|對(duì)于所有 i，j e {1，…，N}， (3) 1=1 .其中Pi e P1或Pi e P2是所觀察的2D特征，它們對(duì)應(yīng)3D的所觀察的特征Oi e Offl0 可以通過使用一種優(yōu)化算法(如Levenberg-Marquardt方法)將上面的代價(jià)函數(shù)最小化而 找到剛性變換[Μ T]。一旦該剛性變換被計(jì)算出來，該計(jì)算的3D定位特征集合就從該傳感器坐標(biāo)系變 換到該全局坐標(biāo)系。所變換的3D定位特征被用于以兩種方式對(duì)參考3D定位特征的集合30 進(jìn)行更新。首先，如果已經(jīng)針對(duì)參考特征集合僅對(duì)所觀察的特征的一個(gè)子集進(jìn)行了匹配，那 么不匹配的所觀察的特征代表被添加到該參考集合的新的觀察的特征。已經(jīng)被再觀察并且 匹配的特征可以或者被丟棄(因?yàn)樗鼈円呀?jīng)在參考集合中)或者被用于改進(jìn)，即過濾這些 存在的特征。例如，對(duì)同一特征的所有觀察可以被加在一起以便計(jì)算平均特征位置。通過 這樣做，測(cè)量噪音的變化被減小，因此改進(jìn)了定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。3D表面點(diǎn)變換器一旦3D定位計(jì)算器23使得變換參數(shù)沈可供使用，這些對(duì)表面點(diǎn)的處理步驟就是 簡(jiǎn)單的。由3D表面點(diǎn)計(jì)算器18提供的在傳感器坐標(biāo)系中的計(jì)算的3D表面點(diǎn)集合21于是 由3D表面點(diǎn)變換器M使用剛性變換參數(shù)26M和T進(jìn)行變換。因此，所獲得的在全局坐標(biāo) 系中的變換的3D表面點(diǎn)集合27在相同坐標(biāo)系中與參考3D定位特征集合30是自然地對(duì)齊 的。在全局坐標(biāo)系中的最后的變換的3D表面點(diǎn)集合27可以被圖形化，或者它可以在被送 到表面重構(gòu)器34之前被送到局部切面計(jì)算器四上。該表面重構(gòu)器將對(duì)一個(gè)連續(xù)的、非冗 余的、并且有可能是被過濾的表面模型35的表示進(jìn)行估算，該表示可任選地借助疊加的參 考3D定位特征集合30來顯示。局部切面計(jì)算器局部切面計(jì)算器四將全局坐標(biāo)系中的變換的3D表面點(diǎn)集合27作為輸入、并且 在該物體表面上提供對(duì)這些3D切面的局部估算。盡管這種處理可以被整合在表面重構(gòu) 器34之中，但是在此它是分離的以便更好地說明一種連續(xù)的表面的表示對(duì)跨越一個(gè)物體 的表面提供多個(gè)局部切面估算而言不是必需的。實(shí)時(shí)獲得這些局部切面估算的一種可能 性包括定義一種規(guī)則的體積柵格，并且在每個(gè)體素之內(nèi)對(duì)這些3D表面點(diǎn)進(jìn)行累加。從
16這些3D的累加點(diǎn)，基于位于該體素之內(nèi)或者位于環(huán)繞該體素的一個(gè)體積之內(nèi)的3D點(diǎn) 可以為每個(gè)體素計(jì)算一個(gè)切面。這類的方法使用在T. P. Koninckx，P. Peers, P. Dutre, L. J. Van Gool, "Scene-Adapted Structured Light，，，in proc. of Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR 2005)，vol. 2, San Diego, USA,2005, pp. 611—618 中以及 在 S. Rusinkiewicz, 0. A. Hall-Holt, M. Levoy, "Real-time 3D model acquisition，，in proc. of ACM SIGGRAPH 2002，San Antonio, USA, pp. 438-446 或者在 D. Tubic, P. Hebert, D.Laurendeau,"3D surface modeling from curves", Image and Vision Computing, August 2004，vol. 22，no. 9，pp. 719-734 中。一旦這個(gè)初始的非連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)已經(jīng)局部地穩(wěn)定，也就是說，例如，一旦該3D 點(diǎn)協(xié)方差矩陣的兩個(gè)最小的本征值是相似的，同時(shí)該第三本質(zhì)值在多個(gè)體素之內(nèi)是顯著地 更低的，那么就從它們的協(xié)方差矩陣的兩個(gè)一階矩來計(jì)算這些局部平面的參數(shù)。每個(gè)局部 切面的跨度典型地是一個(gè)直徑在1個(gè)和2個(gè)體素對(duì)角線長(zhǎng)度之間的圓。該局部切面計(jì)算器 輸出局部切面的一個(gè)集合觀，該集合包括這些平面的參數(shù)、跨度以及從27復(fù)制的在全局坐 標(biāo)系中的變換的3D表面點(diǎn)的集合31。局部切面計(jì)算器四可以包括一個(gè)切面分辨率調(diào)整器用于對(duì)計(jì)算該局部切面集合 的一個(gè)分辨率進(jìn)行調(diào)整。該調(diào)整器可以是一種手動(dòng)或者自動(dòng)的調(diào)整器，調(diào)整該調(diào)整器允許 對(duì)用于局部切面計(jì)算器四的一個(gè)分辨率參數(shù)進(jìn)行修改。紋理整合器紋理整合器25收集在所有幀中復(fù)原的圖像紋理圖塊的集合22并且進(jìn)一步將已經(jīng) 穩(wěn)定的局部切面集合觀作為輸入。值得提及的是，這些局部切面當(dāng)它們變得可供使用時(shí)是 被獨(dú)立地送入的。這使之有可能在該表面被掃描時(shí)增量地應(yīng)用該方法；而沒有必要在繼續(xù) 進(jìn)行之前等待多個(gè)幀的完整集合。每個(gè)局部切面部分都作為具有一個(gè)選定的分辨率的局部圖像而進(jìn)行鑲嵌，該分辨 率可以是獨(dú)立于該幾何結(jié)構(gòu)的分辨率而設(shè)定的。我們將把這些單元格稱為紋素。這個(gè)紋理 整合器進(jìn)一步將來自3D定位計(jì)算器23的變換參數(shù)沈作為輸入。使用這些變換參數(shù)，在當(dāng) 前傳感器坐標(biāo)系與該全局坐標(biāo)系之間的空間關(guān)系是已知的，并且因此，圖像紋理圖塊的集 合22可以通過回投影被映射到該局部切面上。在紋理圖像塊集合中的每個(gè)像素都對(duì)更新 其對(duì)應(yīng)的局部切面起作用。為此目的，從映射到該局部平面上的這些像素對(duì)一個(gè)局部切面 中的所有紋素進(jìn)行更新?；谝粋€(gè)隨距離遞減的權(quán)重，每個(gè)像素都對(duì)所有的紋素都有貢獻(xiàn)。 紋素是從所有幀中作為所有起作用的像素的加權(quán)平均值而獲得的。紋理整合器25還應(yīng)用了顏色強(qiáng)度補(bǔ)償。實(shí)際上，優(yōu)選的是在將其整合進(jìn)入紋素之 前獲取這些穩(wěn)定的色彩測(cè)量值。顏色強(qiáng)度將典型地隨相對(duì)于光源50距離的平方以及光源 50與該切面法線之間夾角的余弦值而發(fā)生變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，存在八個(gè)光源50，這 些光源分布在這兩個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)46的中每個(gè)的物鏡的外圍上。此外，在光源50以及特征 照相機(jī)59的前面使用偏光過濾器48消除了鏡面反射并且保留了漫反射。因此有可能只考 慮光源50與該表面之間的夾角；該表面與特征照相機(jī)59之間的夾角對(duì)于顏色強(qiáng)度補(bǔ)償而 言是可以忽略的。這些光源的位置在該傳感器坐標(biāo)系中從該傳感器設(shè)計(jì)中或者從校準(zhǔn)中是 已知的。另外，由于每個(gè)光源累加地進(jìn)行組合，假定這些光源是完全相同的或者通過對(duì)它們 的亮度進(jìn)行校準(zhǔn)，可以在多個(gè)幀之間將每個(gè)紋素上的顏色輻照度歸一化。該補(bǔ)償過程還可以使用光學(xué)測(cè)量照相機(jī)校準(zhǔn)，如在 Ρ· E. Debevec and J. Malik. "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs",in proc. of ACM SIGGRAPH 1997,Los Angeles, USA,pp. 369-378中提及的校準(zhǔn)。由紋理整合器25產(chǎn)生的是局部紋理化的切面的一個(gè)集合 32?？商娲?，可以通過紋理整合器25來準(zhǔn)備帶有相應(yīng)的表面坐標(biāo)映射信息的2D紋 理貼圖(texture map) 36，并且這些紋理貼圖可以被提供給表面重構(gòu)器34?？梢允褂萌?測(cè)量數(shù)據(jù)37作為來自表面重構(gòu)器M的一個(gè)反饋，以便產(chǎn)生這些2D紋理貼圖36。表面重構(gòu)器表面重構(gòu)器3將一個(gè)全局坐標(biāo)系中的變換的3D表面點(diǎn)的集合31以及局部紋理 化的切面的集合32作為輸入并且計(jì)算一個(gè)表面模型?？商娲?，可以使用具有相應(yīng)的表 面坐標(biāo)映射信息的這些2D紋理貼圖36。值得注意的是，這些局部切面還可以從該重構(gòu)的 表面獲得。從該表面點(diǎn)集合可以使用在美國(guó)專利號(hào)US 7，487，063或者例如在8.011~1^8， M. Levoy,"A Volumetric Method for Building Complex Models from Range Images，，in proc. of the ACM SIGGRAPH 1996, New Orleans, USA, pp. 303-312 中說明的方法計(jì)算出該 表面幾何結(jié)構(gòu)的一種連續(xù)表示。這兩種方法采用了一種體積測(cè)量表示。前一種方法可以從 這些局部切面的知識(shí)中獲益用于更高的效率。然后該體積測(cè)量表示被變換成一種三角化的 表面表示。為此目的，可以使用匹配立方體算法(參見例如W.E. Lorensen，and H.E. Cline， "Marching Cubes :A High Resolution 3D Surface Construction Algorithm，，，in proc. of the ACM SIGGRAPH 87，Los Angeles, USA, vol. 21，no. 4，pp. 163-170)。一旦獲得了該 三角化的表面，局部紋理化的集合就被映射到三角化的表面上，其中它們的重疊區(qū)域被混 合用于獲得一種連續(xù)的表面紋理。表面重構(gòu)器34可以包括一個(gè)模型分辨率調(diào)整器用于對(duì)該變換的3D表面點(diǎn)集合的 積累的分辨率進(jìn)行調(diào)整。該調(diào)整器可以是一種手動(dòng)或者自動(dòng)的調(diào)整器，它允許變更用于表 面重構(gòu)器34的一個(gè)分辨率參數(shù)。當(dāng)掃描裝置40被用于紋理掃描時(shí)，200至250點(diǎn)每英寸(DPI)的位圖可以與這些 局部切面相關(guān)聯(lián)。能夠以M位、sRGB校準(zhǔn)的形式提供紋理顏色。該區(qū)域的深度可以是例 如30cm。紋理傳感裝置40可以進(jìn)行(例如)每秒大約18，000次測(cè)量，具有0. Imm的幾何
結(jié)構(gòu)分辨率。當(dāng)掃描裝置40被用于高分辨率掃描時(shí)，該高分辨率體素分辨率可以是0. 25mm。相 比之下，不具有高分辨率能力的掃描裝置40的體素分辨率可以是1mm。該區(qū)域的深度可以 是例如30cm。高分辨率傳感裝置40可以進(jìn)行(例如)每秒大約25，000次測(cè)量，在x，y, ζ 具有0. 05mm的分辨率。所說明的不同的裝置和部件(包括例如多個(gè)傳感器如基礎(chǔ)照相機(jī)48、激光投影器 42、以及特征照相機(jī)59)可以被用于生成可被圖3中示出的不同處理器所使用的輸入數(shù)據(jù)。雖然在這些框圖中被展示為經(jīng)由不同的數(shù)據(jù)信號(hào)連接彼此通信的多組離散的部 件，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，這些優(yōu)選的實(shí)施方案可以通過硬件與軟件部件的 多種組合來提供，其中一些部件是由一個(gè)硬件或者軟件系統(tǒng)的一個(gè)給定的函數(shù)或運(yùn)算實(shí)現(xiàn) 的，并且所展示的這些數(shù)據(jù)路徑中的許多是由在一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或者操作系統(tǒng)之中的 數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)的或者可以使用任何適合的已知的或后來開發(fā)的有線的和/或無線方法以及裝置進(jìn)行通信地連接。傳感器、處理器以及其他裝置可以是共同定位的或者是遠(yuǎn)離與 彼此中的一個(gè)或多個(gè)。因此所展示的結(jié)構(gòu)是為了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的有效傳授而提供 的。 應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將出現(xiàn)對(duì)其多種修改。因此，以上說明 及附圖應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為對(duì)本發(fā)明是解說性的而非限制的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解，在此旨在覆蓋總 體上遵循本發(fā)明的原理并且包括對(duì)本披露的以下偏離的任何變體、用途、或者適配，這些偏 離在本發(fā)明所涉及的領(lǐng)域中為人所知或在常規(guī)慣例之內(nèi)、并且可適用于以上給出的本質(zhì)特 征、并且符合所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于獲取代表物體的多個(gè)表面點(diǎn)的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個(gè)傳感裝置，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，該圖案投影器用于在所述物體的一 個(gè)表面上提供一個(gè)投影的圖案；至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)，該至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)用于獲取代 表所述物體的至少一部分的一個(gè)基礎(chǔ)的2D圖像的數(shù)據(jù)；以及一個(gè)特征照相機(jī)，該特征照相 機(jī)用于獲取代表所述物體的至少一部分的一個(gè)特征圖像的數(shù)據(jù)；所述投影的圖案在所述基 礎(chǔ)圖像上是清晰的，在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中所述基礎(chǔ)照相機(jī)、所述圖案投影器以及所述特 征照相機(jī)的一種空間關(guān)系是已知的；一個(gè)基礎(chǔ)圖像處理器，該基礎(chǔ)圖像處理器用于從所述基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，這 些數(shù)據(jù)代表由所述投影的圖案在所述表面上的一個(gè)反射所提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一 個(gè)集合；一個(gè)3D表面點(diǎn)計(jì)算器，該3D表面點(diǎn)計(jì)算器用于在所述傳感器坐標(biāo)系中使用所述代表 該2D表面點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)來計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；一個(gè)特征圖像處理器，該特征圖像處理器用于將所述3D表面點(diǎn)集合在數(shù)學(xué)意義上投 影到所述特征圖像數(shù)據(jù)上以便獲得所述3D表面點(diǎn)在所述特征圖像數(shù)據(jù)中的一個(gè)位置、并 且還用于在所述特征圖像數(shù)據(jù)中在離所述投影的3D表面點(diǎn)一個(gè)短的距離處為所述3D表面 點(diǎn)集合提取特征數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)用于獲得多個(gè)變換參數(shù)的定位系統(tǒng)，所述變換參數(shù)代表在所述傳感器坐標(biāo)系與一 個(gè)全局坐標(biāo)系之間的一種空間關(guān)系；以及一個(gè)3D表面點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，該3D表面點(diǎn)轉(zhuǎn)換器用于在所述全局坐標(biāo)系中使用所述轉(zhuǎn)換參 數(shù)將所述3D表面點(diǎn)集合轉(zhuǎn)換成多個(gè)被轉(zhuǎn)換的3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該定位系統(tǒng)包括在所述物體上多個(gè)目標(biāo)定位特征的一個(gè)集合，所述目標(biāo)定位特征中的每一個(gè)都提供在 所述物體上的一個(gè)固定位置處；一個(gè)使用所述目標(biāo)定位特征來定義的全局坐標(biāo)系；所述目 標(biāo)定位特征集合的至少一部分在所述基礎(chǔ)2D圖像上是清晰的，所述目標(biāo)定位特征集合有 待由所述圖像處理器從所述基礎(chǔ)2D圖像中提取；并且其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)3D定位計(jì)算器，該3D定位計(jì)算器用于使用所述定位系統(tǒng)來計(jì)算所述變換參數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)表面重構(gòu)器，該表面重構(gòu)器用于積累該被變換的3D表面點(diǎn)集合以及用于所述3D 表面點(diǎn)的所述特征數(shù)據(jù)，以便提供所述物體的一個(gè)3D表面模型。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述表面重構(gòu)器包括一個(gè)模型分辨率調(diào)整器，該模 型分辨率調(diào)整器用于調(diào)整所述積累該被變換的3D表面點(diǎn)集合的一個(gè)分辨率。
6.如權(quán)利要求4和5中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)局部切面計(jì)算器，該局部切面計(jì)算器用于在該全局坐標(biāo)系中從該被變換的3D表 面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)局部切面的一個(gè)集合，所述表面重構(gòu)器使用所述局部切面來提供所述物體的所述3D表面模型。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述局部切面計(jì)算器包括一個(gè)切面分辨率調(diào)整器， 該切面分辨率調(diào)整器用于調(diào)整所述計(jì)算多個(gè)局部切面的一個(gè)集合的一個(gè)分辨率。
8.如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述特征照相機(jī)是一種紋理照相機(jī)， 所述特征圖像是一種紋理圖像，其中所述特征圖像處理器包括一個(gè)紋理圖像處理器，并且 其中所述特征數(shù)據(jù)是在多個(gè)紋理圖塊中獲得的紋理數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求6至7中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述特征照相機(jī)是一種紋理照相機(jī)， 所述特征圖像是一種紋理圖像，其中所述特征圖像處理器包括一個(gè)紋理圖像處理器，并且 其中所述特征數(shù)據(jù)是在多個(gè)圖像紋理圖塊中獲得的紋理數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)紋理整合器，該紋理整合器用于將該多個(gè)紋理圖塊的集合映射并累加到該多個(gè)局 部切面的集合上，以便產(chǎn)生以下各項(xiàng)之一多個(gè)2D紋理貼圖的一個(gè)集合以及多個(gè)局部的紋 理化切面的一個(gè)集合。
11.如權(quán)利要求1至10中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述特征照相機(jī)是一種高分辨率 照相機(jī)，所述特征圖像是一種高分辨率2D圖像，其中所述特征圖像處理器包括一個(gè)高分辨 率圖像處理器，并且其中所述特征數(shù)據(jù)是多個(gè)高分辨率的2D表面點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求1至11中任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述特征照相機(jī)是一種高分辨率 紋理照相機(jī)，所述特征圖像是一種高分辨率紋理圖像，其中所述特征圖像處理器包括一個(gè) 紋理圖像處理器以及一個(gè)高分辨率圖像處理器，并且其中所述特征數(shù)據(jù)包括多個(gè)高分辨率 的2D表面點(diǎn)以及在多個(gè)圖像紋理圖塊中獲得的紋理數(shù)據(jù)。
13.一種用于獲取代表物體的多個(gè)表面點(diǎn)的數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括使用至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)來獲取代表所述物體的至少一部分的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像的數(shù) 據(jù)，在所述基礎(chǔ)圖像上一個(gè)投影的圖案是清晰的；使用一個(gè)特征照相機(jī)來獲取代表所述物體的至少一部分的一個(gè)特征圖像的數(shù)據(jù)；從所述基礎(chǔ)2D圖像數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表由所述投影的圖案在所述表面上 的一個(gè)反射所提供的多個(gè)2D表面點(diǎn)的至少一個(gè)集合；使用所述代表2D表面點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)在所述傳感器坐標(biāo)系中計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè) 集合；并且將所述3D表面點(diǎn)的集合在數(shù)學(xué)意義上投影到所述特征圖像數(shù)據(jù)上，以便獲得所述3D 表面點(diǎn)在所述特征圖像數(shù)據(jù)中的一個(gè)位置；在所述特征圖像數(shù)據(jù)中在離所述投影的3D表面點(diǎn)一個(gè)短的距離處為所述3D表面點(diǎn)集 合提取特征數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述基礎(chǔ)2D圖像以及所述特征圖像是使用一個(gè)傳 感裝置獲得的，該傳感裝置具有一個(gè)圖案投影器，該圖案投影器用于在所述物體的所述表 面上提供所述投影的圖案；用于獲取所述物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像的至少一個(gè)基礎(chǔ)照相機(jī)； 以及用于獲取所述物體的一個(gè)特征圖像的一個(gè)特征照相機(jī)；在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中所述基 礎(chǔ)照相機(jī)、所述圖案投影器以及所述特征照相機(jī)的一種空間關(guān)系是已知的。
15.如權(quán)利要求13和14中任何一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括獲得多個(gè)變換參數(shù)，所述變換參數(shù)代表在所述傳感器坐標(biāo)系與一個(gè)全局坐標(biāo)系之間的 一種空間關(guān)系；在所述全局坐標(biāo)系中使用所述轉(zhuǎn)換參數(shù)將所述3D表面點(diǎn)集合轉(zhuǎn)換成多個(gè)被轉(zhuǎn)換的3D 表面點(diǎn)的一個(gè)集合。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括積累該變換的3D表面點(diǎn)的集合以便提供所述物體的一個(gè)3D表面模型。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在該全局坐標(biāo)系中從該變換的3D表面點(diǎn)集合計(jì)算多個(gè)局部切面的一個(gè)集合， 使用所述局部切面來提供所述物體的所述3D表面模型。
全文摘要
在此提供了多種系統(tǒng)和方法，用于獲取一個(gè)物體的三維表面的幾何結(jié)構(gòu)特征和/或紋理特征。一個(gè)圖案被投影到所述物體的一個(gè)表面上。獲得所述物體的一個(gè)基礎(chǔ)2D圖像；獲得所述物體的一個(gè)特征2D圖像；從所述基礎(chǔ)2D圖像、從所述投影的圖案在所述物體上的反射中提取多個(gè)2D表面點(diǎn)；在一個(gè)傳感器坐標(biāo)系中使用所述2D表面點(diǎn)來計(jì)算多個(gè)3D表面點(diǎn)的一個(gè)集合；并且提取2D表面幾何/紋理特征的一個(gè)集合。
文檔編號(hào)G01B11/245GK102112845SQ200980129832
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月6日
發(fā)明者埃里克·圣-皮埃爾, 帕特里克·赫伯特, 德拉甘·圖比克 申請(qǐng)人:形創(chuàng)有限公司