鏡像式三維信息采集裝置及方法
【專利摘要】本申請實(shí)施例公開了一種鏡像式三維信息采集裝置及方法，所述裝置包括：一光源，用于對待測物體進(jìn)行投影照明及掃描；一基準(zhǔn)參考單元，設(shè)置于所述待測物體遠(yuǎn)離所述光源的一側(cè)，朝向所述光源一側(cè)為一測量基準(zhǔn)面；一圖像采集單元和一反射鏡；所述圖像采集單元設(shè)置于所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)；所述反射鏡設(shè)置于所述光路的另一側(cè)，開且反射面朝向所述待測物體；所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。本發(fā)明的優(yōu)勢在于一方面不存在雙相機(jī)同步問題從而降低了采集裝置的復(fù)雜性，另一方面大大降低了三維信息采集系統(tǒng)的成本。
【專利說明】鏡像式三維信息采集裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及表面識別技術(shù)，尤其涉及一種基于鏡像式三維信息的采集方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]物體的三維信息采集技術(shù)在當(dāng)前社會的各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)有著極為廣泛的應(yīng)用。在建筑行業(yè)中，可通過點(diǎn)狀激光掃描的方式將掃描儀所處一定空間范圍內(nèi)的所有建筑物和植被的三維信息采集起來，用于風(fēng)景復(fù)原以及新建筑設(shè)計(jì)。在3D打印領(lǐng)域中，3D打印機(jī)須要先獲取物體或人的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)才能完成打印，而三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)則須要通過三維信息采集技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在人臉識別領(lǐng)域中，目前最常用的人臉識別方法是通過分析人臉的二維數(shù)碼照片找出其中的特征，再與人臉庫中現(xiàn)有人臉特征匹配以識別人的身份；但這一方法受光照、臉色、遠(yuǎn)近等因素影響，精度難以提高；因而，研究轉(zhuǎn)向通過人臉的三維信息提取特征用于人臉識別，其前提必須通過三維信息采集技術(shù)獲取人臉三維信息。在機(jī)械加工領(lǐng)域，包括汽車生產(chǎn)行業(yè)，廣泛的應(yīng)用三維信息采集系統(tǒng)采集所生產(chǎn)出的零件(尤其是非規(guī)則形零件)的三維信息，利用計(jì)算機(jī)分析其尺寸，最終確定產(chǎn)品是否合格。因此，研究開發(fā)更好、更廉價(jià)的三維信息采集系統(tǒng)有著極為廣泛的實(shí)用性。
[0003]已有的三維信息采集方法可以分為兩大類:接觸式測量和非接觸式測量。I)接觸式測量主要指機(jī)械測量方式:用一根探針與物體表面接觸；當(dāng)探針在物體表面遍歷時(shí)，通過高度調(diào)節(jié)使探針與物體表面保持相同的接觸壓力；記錄下探針在物體表面每一個(gè)位置的高度即可獲取物體表面的三維信息。這種方式測量速度慢、只適用于表面堅(jiān)硬的物體，故而實(shí)用性差。2)非接觸式測量主要指光學(xué)測量方法。
[0004]已有的基于光學(xué)的三維信息采集方法也可分為兩大類:三角坐標(biāo)法和結(jié)構(gòu)光投影法。I)三角坐標(biāo)法通常將點(diǎn)狀激光或線狀激光掃描物體表面實(shí)現(xiàn)遍歷(這種掃描可通過移動激光源、轉(zhuǎn)折光路或移動待測物體來實(shí)現(xiàn))，再通過相機(jī)采集物體表面激光點(diǎn)或激光線的圖像分析其在圖像中的位置變化利用三角坐標(biāo)計(jì)算公式分析物體表面高度信息；2)結(jié)構(gòu)光投影法則是將某一特殊線條圖案的光投影到物體表面，通過相機(jī)采集物體表面投影光的圖像，計(jì)算由物體高度引起的圖案相位變化來獲取物體表面高度信息。
[0005]由于三角坐標(biāo)法通常須要激光掃描，故而也可稱為掃描式三維信息采集法。無論是何種光學(xué)三維信息采集方法，通常將光垂直入射到物體的表面，相機(jī)則在斜向采集物體表面的信息，在物體表面突出處與相機(jī)成像方向相對區(qū)域的光無法被相機(jī)采集到，會產(chǎn)生測量盲點(diǎn)，為了解決這一問題，當(dāng)前采用的方式為雙目視覺法。雙雙目視覺三維信息采集法是用兩臺相機(jī)從物體的對側(cè)采集物體表面的圖像，再將兩側(cè)獲取的三維信息匹配合成以獲取物體的完整三維信息，從而解決測量盲區(qū)的問題。利用雙目視覺法測量時(shí)，兩臺相機(jī)必須同時(shí)采集圖像才能保證各自所得的三維信息能夠相互匹配，以得到物體完整的三維信息。另一方面，在三維信息采集裝置中，相機(jī)的成本在整體正本中所占比例通常超過半數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本申請的實(shí)施例的目的是:提供一種鏡像式三維信息的采集方法及裝置，以解決現(xiàn)有三維信息采集系統(tǒng)中兩臺相機(jī)同步造成的系統(tǒng)復(fù)雜問題，同時(shí)降低三維信息采集裝置的成本。
[0007]第一方面，本申請的一可能的實(shí)施方案提供了一種三維信息采集裝置，包括:
[0008]一光源，用于對待測物體進(jìn)行掃描；
[0009]一基準(zhǔn)參考單元，設(shè)置于所述待測物體遠(yuǎn)離所述光源的一側(cè)，朝向所述光源一側(cè)為一測量基準(zhǔn)面；
[0010]一圖像采集單元和一反射鏡；
[0011]所述圖像采集單元設(shè)置于所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)；所述反射鏡設(shè)置于所述光路的另一側(cè)，并且反射面朝向所述待測物體；所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
[0012]第二方面，本申請的一可能的實(shí)施方案提供了一種鏡像式三維信息采集方法，包括:
[0013]通過光源對待側(cè)物體進(jìn)行掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息；
[0014]在所述光源與所述待測物體之間的一光路的一側(cè)設(shè)置一圖像采集單元，在所述光路的另一側(cè)設(shè)置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像；
[0015]分析所述圖像，得到與所述掃描對應(yīng)的所述待測物體表面的三維信息。
[0016]本申請實(shí)施例的至少一個(gè)實(shí)施方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:1)單相機(jī)采集圖像不存在雙相機(jī)同步問題從而降低了采集裝置的復(fù)雜性，2)與雙目視覺相比減少了一個(gè)相機(jī)，大大降低了三維信息采集系統(tǒng)的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本申請實(shí)施例一種鏡像式三維信息采集裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0018]圖2為應(yīng)用本申請實(shí)施例一種鏡像式三維信息采集方法進(jìn)行的人臉三維信息采集系統(tǒng)不意圖；
[0019]圖3為本申請實(shí)施例一種鏡像式三維信息采集方法獲取的圖像示意圖；
[0020]圖4為本申請實(shí)施例一種鏡像式三維信息采集方法的步驟流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖(若干附圖中相同的標(biāo)號表示相同的元素)和實(shí)施例，對本申請的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本申請，但不用來限制本申請的范圍。
[0022]如圖1所示，本申請實(shí)施例提供了一種鏡像式三維信息采集裝置，包括:
[0023]一光源，用于對待測物體進(jìn)行投影照明及掃描；
[0024]一基準(zhǔn)參考單元，設(shè)置于所述待測物體遠(yuǎn)離所述光源的一側(cè)，朝向所述光源一側(cè)為一測量基準(zhǔn)面；
[0025]其特征在于，所述裝置還包括:一圖像采集單元和一反射鏡；
[0026]所述圖像采集單元設(shè)置于所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)；所述反射鏡設(shè)置于所述光路的另一側(cè)，并且反射面朝向所述待測物體；所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
[0027]本申請實(shí)施例通過設(shè)置反射鏡并通過一圖像采集單元同時(shí)采集待測物體一側(cè)以及反射鏡中所述待測物體另一側(cè)的圖像，來獲得完整的所述光源在所述待測物體上的光斑圖案，與現(xiàn)有雙目視覺技術(shù)相比，不存在雙相機(jī)同步問題從而降低了采集裝置的復(fù)雜性；減少了一個(gè)相機(jī)，大大降低了三維信息米集系統(tǒng)的成本。
[0028]通過下面的實(shí)施例進(jìn)一步說明本申請實(shí)施例的裝置。
[0029]附圖1示例性的示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的鏡像式三維信息采集裝置的原理圖，包括:
[0030]光源101,為一激光器；
[0031]出光形狀調(diào)整裝置102，在一種可能的實(shí)施方式中可以為一凸透鏡，其可設(shè)置于光源101與待測物體103之間，用于減小激光的發(fā)散角；在另一種可能的實(shí)施方式中可以為一柱透鏡，用于將激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀激光；在又一種可能的實(shí)施方式中可以為一光柵掩模板，用于將激光束轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮鏃l紋光；
[0032]待測物體103，例如，可以為一人臉；
[0033]圖像采集單元104，在一種可能的實(shí)施方式中可以為一 CXD相機(jī)或CMOS相機(jī)；
[0034]反射鏡105，在一種可能的實(shí)施方式中可以為平面鏡或反射棱鏡，其反射面朝向所述待測物體103 ；
[0035]基準(zhǔn)參考單兀106,該基準(zhǔn)參考單兀具有待測物體的聞度基準(zhǔn)面,在一種可能的實(shí)施方式中可以為一黑色橡膠板或墻面，其朝向所述激光器的一面為平面。
[0036]實(shí)現(xiàn)激光掃描的裝置可以在基準(zhǔn)參考單元106上加裝帶動所述待測物體103兩維平面移動的平臺，也可以在出光形狀調(diào)整裝置102中加裝帶動光源和透鏡兩維平面移動的平臺，還可以在出光形狀調(diào)整裝置102中加裝可旋轉(zhuǎn)的棱鏡偏光系統(tǒng)。
[0037]其中，在一種可能的實(shí)施方式中，當(dāng)所述出光形狀調(diào)整裝置102為所述凸透鏡時(shí)，出射的激光在所述待測物體103上形成激光點(diǎn)圖案。當(dāng)激光點(diǎn)照射在基準(zhǔn)參考單元106上某一點(diǎn)時(shí)，其在圖像中的位置為高度零點(diǎn)。根據(jù)三角坐標(biāo)法的原理，若光點(diǎn)從這一點(diǎn)開始，沿著圖像中長度或者寬度的方向穿過物體進(jìn)行掃描，則光點(diǎn)在圖像中掃描方向上的位置代表了其在基準(zhǔn)參考單元106上的位置，其在垂直于掃描方向上的位置變化則代表了該點(diǎn)的高度。
[0038]在本實(shí)施方式中，對于物體表面突出部周邊的三維數(shù)據(jù)，則根據(jù)相機(jī)采集的圖像中，在待測物體部分或是鏡像部分可以看到的光點(diǎn)來選取數(shù)據(jù)來源。經(jīng)過對物體表面的遍歷后即可獲取物體表面完整的三維數(shù)據(jù)。
[0039]其中，在一種可能的實(shí)施方式中，在所述出光形狀調(diào)整裝置102為柱透鏡時(shí)，出射的激光束在所述待測物體103上形成激光線。當(dāng)激光束照射在待測物體103和基準(zhǔn)參考單元106上時(shí)，其在CCD相機(jī)采集的圖像中線狀激光本身分布的方向上各個(gè)像素點(diǎn)代表了物體表面各點(diǎn)的空間位置；在圖像中激光線的變形程度代表了該點(diǎn)的高度信息。根據(jù)三角坐標(biāo)法的原理，若激光線沿著垂直于激光線分布的方向移動，遍歷物體表面后即可獲取物體完整二維彳目息。
[0040]在本實(shí)施方式中，對于物體表面突出部周邊的三維數(shù)據(jù)，則根據(jù)相機(jī)采集的圖像中，在物體部分或是鏡像部分可以看到完整的激光線來選取數(shù)據(jù)來源。
[0041]附圖2為采用本實(shí)施方式描述的鏡像式三維信息采集方法進(jìn)行人臉三維信息采集時(shí)的系統(tǒng)示意圖。包括:201為一線狀激光器、202為一激光掃描裝置、203為待測人臉、204為一 (XD相機(jī)、205為一平面鏡、206為一墻面。
[0042]附圖3為采集到的包含待測物體和鏡像的圖像。由于人臉上鼻子(圖中未示出)具有一定的高度，位于人臉一側(cè)的CCD相機(jī)所采集的圖像中，部分激光線由于被鼻子遮擋而缺失，此時(shí)，由于反射鏡的存在，鏡像中前面所述被遮擋的一側(cè)的激光線是完整，故而被遮擋的部分高度應(yīng)由鏡像數(shù)據(jù)給出。
[0043]其中，在一種可能的實(shí)施方式中，在所述出光形狀調(diào)整裝置102為光柵掩模板，其將激光束轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮鏃l紋光。當(dāng)激光束照射在待測物體103和基準(zhǔn)參考單元106上時(shí)，在相機(jī)采集的圖像中干涉條紋光的相位隨著物體表面高度不同發(fā)生變化，計(jì)算出物體表面不同位置光的相位變化即可獲取物體完整三維信息。
[0044]在本實(shí)施方式中，對丁物體表面突出部周邊的三維數(shù)據(jù)，則根據(jù)相機(jī)采集的圖像中，在物體部分或是鏡像部分可以看到完整的干涉條紋光來選取數(shù)據(jù)來源。
[0045]圖4公開了本發(fā)明一種鏡像式三維信息采集方法的步驟流程圖，所述方法包括如下步驟:
[0046]步驟S210，通過光源對待側(cè)物體進(jìn)行投影照明及掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息；表面光斑信息包括激光點(diǎn)、激光線或光柵圖案在所述待測物體表面投影。
[0047]步驟S220，在所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)設(shè)置一圖像采集單元，在所述光路的另一側(cè)設(shè)置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像；
[0048]步驟S230，分析所述圖像，得到與所述掃描對應(yīng)的所述待測物體表面的三維信息。即通過分析基于所述待測物體的高度變化引起的所述表面光斑信息在所述圖像中的相位變化獲取所述待測物體的三維信息。
[0049]本發(fā)明實(shí)施例中各步驟的具體實(shí)現(xiàn)方式參見上述裝置實(shí)施例中對應(yīng)模塊中的對應(yīng)描述，這里不再贅述。
[0050]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本申請【具體實(shí)施方式】的上述方法中，各步驟的序號大小并不意味著執(zhí)行順序的先后，各步驟的執(zhí)行順序應(yīng)以其功能和內(nèi)在邏輯確定，而不應(yīng)對本申請【具體實(shí)施方式】的實(shí)施過程構(gòu)成任何限定。
[0051]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及方法步驟，能夠以電子硬件、或者計(jì)算機(jī)軟件和電子硬件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本申請的范圍。
[0052]所述功能如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本申請的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲在一個(gè)存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本申請各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括:U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲器(RAM, Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
[0053]以上實(shí)施方式僅用于說明本申請，而并非對本申請的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本申請的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本申請的范疇，本申請的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種鏡像式三維信息采集裝置，包括: 一光源，用于對待測物體進(jìn)行投影照明及掃描； 一基準(zhǔn)參考單元，設(shè)置于所述待測物體遠(yuǎn)離所述光源的一側(cè)，朝向所述光源一側(cè)為一測量基準(zhǔn)面； 其特征在于，所述裝置還包括:一圖像采集單元和一反射鏡； 所述圖像采集單元設(shè)置于所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)；所述反射鏡設(shè)置于所述光路的另一側(cè)，并且反射面朝向所述待測物體；所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的三維信息采集裝置，其特征在于:所述裝置還包括: 一出光形狀調(diào)整單元，用于對所述光源的出射光形狀進(jìn)行調(diào)整。
3.如權(quán)利要求1所述的三維信息采集裝置，其特征在于:所述光源為一激光器。
4.如權(quán)利要求2所述的三維信息采集裝置，其特征在于:所述出光形狀調(diào)整單元:包括以下的至少一種: 凸透鏡、柱透鏡、以及光柵掩模板。
5.如權(quán)利要求1所述的三維信息采集裝置，其特征在于:所述圖像采集單元包括以下的一種: 一 CCD相機(jī)和一 CMOS相機(jī)。
6.一種鏡像式三維信息采集方法，其特征在于包括: 通過光源對待側(cè)物體進(jìn)行投影照明及掃描，在所述待測物體上形成表面光斑信息； 在所述光源與所述待測物體之間的光路的一側(cè)設(shè)置一圖像采集單元，在所述光路的另一側(cè)設(shè)置一反射面朝向所述待測物體的反射鏡，所述圖像采集單元用于采集同時(shí)包含所述待測物體及所述待測物體在所述反射鏡中所成鏡像的圖像； 分析所述圖像，得到與所述掃描對應(yīng)的所述待測物體表面的三維信息。
7.如權(quán)利要求6所述的鏡像式三維信息采集方法，其特征在于:所述表面光斑信息包括:激光點(diǎn)、激光線。
8.如權(quán)利要求7所述的鏡像式三維信息采集方法，其特征在于:通過分析基于所述待測物體的表面變化引起的所述表面光斑信息在所述圖像中的位置變化獲取所述待測物體的二維信息。
9.如權(quán)利要求6所述的鏡像式三維信息采集方法，其特征在于:所述表面光斑信息包括:光柵掩模板在所述待測物體表面的投影。
10.如權(quán)利要求9所述的鏡像式三維信息采集方法，其特征在于:通過分析基于所述待測物體的表面變化引起的所述特定圖案在所述待測物體表面投影在所述圖像中的相位變化獲取所述待測物體的三維信息。
【文檔編號】G01B11/24GK104296679SQ201410530827
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】唐春曉 申請人:唐春曉