專利名稱：基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，屬于機器視覺技術領域，特別涉及物體完整表面三維恢復的立體視覺技術。
本發(fā)明的另一個目的是提出一種基于二個以上數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，該裝置可以恢復動態(tài)物體或變形物體完整的三維表面。
本發(fā)明的另一個目的是提出一種基于二個以上數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，該裝置無運動部件，可靠性高，可維修性好。
本發(fā)明的另一個目的是提出一種基于二個以上數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，該裝置結構簡單，操作方便，成本低。
本發(fā)明的基本設計思想是采用多個數字立體視覺頭，從不同視角獲取物體各個側面的立體圖像對，并通過IEEE 1394高速串行總線傳入計算機，計算機對立體圖像對進行處理得到物體各個側面的三維網面表示；將各個側面的三維網面變換到同一個坐標系下進行拼接，得到物體完整表面的三維表示。
(1)無運動部件或掃描部件。本發(fā)明采用一個多面體支架，如正多面體或其它類似多面體結構，各個數字立體視覺頭位于多面體支架上；使用高強度黑色細絲或高強度細桿構成載物平臺將物體置于多面體支架的中心位置。位于多面體支架上的各個數字立體視覺頭能從各個視角對物體進行拍攝，包括物體的頂面和底面部分。因此無需掃描部件或運動部件即可恢復物體完整三維表面。
本發(fā)明所用的數字立體視覺頭是由二個以上攝像機構成，自身即為一套立體視覺裝置，可以從上述各個角度恢復物體可視部分的三維表面。對各個角度物體可視部分的三維表面進行拼接就形成物體完整三維表面圖像。
(2)圖像數據傳輸。由于攝像機分布在物體周圍空間的各個角度，數字立體視覺頭之間有一定的距離，采用并行總線來傳輸圖像數據和命令，將使系統(tǒng)非常復雜而龐大。本發(fā)明采用IEEE 1394高速串行總線來傳輸圖像，該總線能達到400MBPS的傳輸率。采用IEEE1394高速串行總線的拓撲結構將各個數字立體視覺頭連接起來，采用IEEE 1394的異步數據包發(fā)送命令和讀取系統(tǒng)狀態(tài)，用IEEE 1394的等時數據包來傳輸圖像。用一條IEEE 1394線纜將某個數字立體視覺頭通過IEEE 1394總線控制器與計算機相連，各個數字立體視覺頭就和計算機建立了聯系，就可以通過計算機控制整個系統(tǒng)，通過IEEE1394總線將各個數字立體視覺頭的圖像數據送入計算機中。
(3)圖像信號同步。在本發(fā)明中，每個數字立體視覺頭包括二個以上攝像機，各個攝像機之間的場同步信號和行同步信號并聯在一起，保證了各個攝像機圖像信號的同步。每個數字立體視覺頭還提供一個同步信號接口，該接口可以接收其它立體視覺頭的場同步信號和行同步信號，以便同步該數字立體視覺頭上的各個攝像機。該數字立體視覺頭也可以向其它數字立體視覺頭提供同步信號。在所有數字立體視覺頭中，有一個數字立體視覺頭作為同步信號源，向其它數字立體視覺頭發(fā)送同步信號，這樣就保證了整個系統(tǒng)中各個數字立體視覺頭之間圖像信號的同步。
(4)數字立體視覺頭同步采集圖像。為了確保各個數字立體視覺頭在同一時刻獲取物體的立體圖像對，需要各個數字立體視覺頭同步采集圖像。本發(fā)明采用IEEE 1394總線廣播數據包的傳輸特點來實現各個數字立體視覺頭的同步圖像采集。采集圖像時，計算機向總線發(fā)送采集圖像命令的廣播數據包，該數據包同時到達各個數字立體視覺頭，各個數字立體視覺頭上的控制器在接收到圖像采集命令后，等待第一個場同步信號。當各個數字立體視覺頭接收到場同步信號后，開始采集圖像，并將圖像存儲到幀存儲器中。由于各個攝像機的圖像信號是同步的，圖像采集是在同一場同步信號控制下開始的，保證了圖像采集的同步。
本發(fā)明提出的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面恢復裝置，其特征在于(1)每個數字立體視覺頭上集成了二個以上攝像機(基于CCD技術的攝像機或基于CMOS技術的攝像機)、A/D轉換器、幀存儲器、IEEE 1394接口、光源驅動器、同步信號接口和控制器，由控制器對各個部分統(tǒng)一協(xié)調控制。
(2)每個數字立體視覺頭上的各個攝像機同步獲取物體圖像，各個數字立體視覺頭之間圖像采集是同步的。每個數字立體視覺頭自身即為一個立體視覺系統(tǒng)，可以恢復物體上可視部分的三維表面。
(3)多個數字立體視覺頭之間以IEEE 1394串行總線的拓撲結構互連，具有很大的靈活性。互連方式簡單，極易擴充。圖像采集控制、光源控制、數據傳輸通過一條高速串行總線全部完成。
(4)各個數字立體視覺頭之間既可以同時采集圖象，也可以分別采集圖象；通過計算機可分別對各個數字立體視覺頭進行控制。
(5)各個數字立體視覺頭分布在一個多面體支架上，使用高強度黑色細絲或高強度細桿構成載物平臺將物體置于多面體支架的中心位置。系統(tǒng)沒有運動部件，無需轉動攝像機或者被恢復物體即可獲得物體表面完整的三維信息。
(6)物體完整表面三維恢復過程控制靈活。由各個數字立體視覺頭所采集的圖像可以直接由總線傳輸到計算機中，也可以經過一些預處理后，由總線傳輸到計算機中，由計算機經過處理程序運算后得到物體完整的三維圖像。
(7)系統(tǒng)具有節(jié)電模式。當需要采集圖像數據時，通過控制命令啟動各個數字立體視覺頭開始采集圖象，在不需要圖象采集時，數字立體視覺頭上的控制器在一個設定的時間間隔內，沒有接受到任何控制命令，將使圖象采集控制模塊和光源部分進入節(jié)電模式，也可在計算機發(fā)出的控制命令下進入節(jié)電模式，節(jié)約能源消耗。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)可以恢復靜態(tài)、動態(tài)和變形物體完整三維表面；(2)圖像采集、傳輸、光源控制均通過計算機軟件控制實現，系統(tǒng)無運動部件，被恢復物體不需要旋轉或運動，可靠性好；(3)只需將被恢復物體固定于支架中心，其它操作通過計算機控制完成，物體完整三維表面恢復過程操作簡單；(4)每個數字立體視覺頭使用常規(guī)鏡頭攝像機，在特定光源照明下可以高精度恢復物體表面深度圖，成本低，恢復精度高。在1.5米處，深度測量誤差小于0.5毫米，可以滿足各類物體表面測量和建模的要求；(5)多個數字立體視覺頭通過IEEE 1394串行總線的拓撲結構互連，具有很大的靈活性，互連方式簡單，極易擴充?？蓮V泛用于實物仿形、物體建模、自動加工和產品質量控制等領域。
圖中主要結構為數字立體視覺頭[1]、多面體支架[2]、IEEE 1394線纜[3]、IEEE 1394總線控制器[4]、計算機[5]、A/D轉換器[6]、幀存儲器[7]、攝像機[8]、IEEE 1394接口[9]、電源接口[10]、同步信號接口[11]、光源接口[12]、控制器[13]、光源驅動器[14]、物體[15]。
圖3是數字立體視覺頭[1]的組成框圖。每個數字立體視覺頭[1]由三個攝像機[8]、A/D轉換器[6]、幀存儲器[7]、光源驅動器[14]、IEEE1394接口[9]、同步信號接口[11]、控制器[13]等組成?？刂破鱗13]是整個數字立體視覺頭[1]的核心，控制數字立體視覺頭[1]各個部分協(xié)調工作、接受和發(fā)送數據?？刂破鱗13]通過IEEE 1394接口[9]接受計算機[5]的指令，然后通過圖像采集控制模塊(包括A/D轉換器[6]和同步信號接口[11])完成對攝像機[8]的參數設置和圖像采集控制。控制器[13]通過光源驅動器[14]控制光源的啟動和關閉，以配合攝像機[8]的圖像采集?？刂破鱗13]通過IEEE 1394接口[9]將圖像數據發(fā)送到計算機[5]。攝像機[8]在圖像采集控制模塊的控制下完成同步圖像的采集。幀存儲器[7]的作用是暫存攝像機[8]采集到的圖像數據，.使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。操作人員可以通過計算機[5]上的控制程序實現對攝像機[8]參數的設置和修改、光源的控制、系統(tǒng)狀態(tài)的讀取。
每個數字立體視覺頭[1]都有一個光源接口[12]，光源控制和圖象采集控制是統(tǒng)一的。根據需要，光源接口[12]可以接光源，也可不使用該接口。當接上光源時，控制器[13]的相應狀態(tài)位被置位，計算機[5]可以通過查詢該位來判別一個數字立體視覺頭是否連接光源，如果連接光源，即可以對其進行控制。
光源用于在照射物體時產生條紋或花斑，以增加無紋理表面的紋理特征，提高求解對應點的可靠性。
IEEE 1394接口[9]是連接數字立體視覺頭[1]與其他數字立體視覺頭[1]，以及數字立體視覺頭[1]與計算機[5]的通道，由物理層芯片和鏈路層芯片及其接口組成。計算機[5]對各個數字立體視覺頭[1]的控制，各個數字立體視覺頭[1]之間的信息交換都通過IEEE 1394接口[9]實現。
如圖4所示是測量裝置使用的拓撲結構，利用IEEE 1394串行總線的拓撲結構互連，具有很大的靈活性，互連方式簡單，極易擴充。
每一個數字立體視覺頭[1]自身即為一套立體視覺系統(tǒng)。所以由每個數字立體視覺頭[1]所采集的三幅同步圖像可以處理得到以該數字立體視覺頭[1]為基準的物體的局部三維網面表示。將物體各個側面的三維網面變換到同一個坐標下進行拼接，就得到物體完整表面的三維表示。
基于多數字立體視覺頭[1]的物體完整表面恢復裝置的使用方法調節(jié)各個數字立體視覺頭[1]的位置和角度，使所有的數字立體視覺頭[1]都指向多面體支架[2]的中心，然后對所有的數字立體視覺頭[1]進行標定。在標定完成之后，用高強度黑色細絲或高強度細桿構成載物平臺將物體[15]置于正12面體支架[2]的中心位置。通過計算機[5]控制程序啟動采集過程。各個數字立體視覺頭[1]在接受到開始采集命令后，在同步信號作用下，同步獲取各個角度下物體的圖像，然后將所有采集到的圖像數據通過總線傳輸到計算機[5]內存中，由處理程序自動完成物體完整三維網面的拼接，并存儲或顯示物體的三維信息。
基于多數字立體視覺頭[1]的物體完整表面恢復裝置獲得的數據經過數據格式轉換，可生成供其它應用程序使用的模型數據。獲得的三維信息可廣泛應用于工業(yè)生產上的產品測繪、質量控制、外形設計，以及自動雕刻系統(tǒng)等，有著廣泛的用途。
應用舉例1基于多數字立體視覺頭[1]的物體完整表面恢復裝置，如

圖1所示，包括多個數字立體視覺頭[1]、正12面體支架[2]、IEEE 1394線纜[3]、IEEE 1394總線控制器[4]和計算機[5]。20個數字立體視覺頭[1]均勻分布在一個正12面體支架[2]的各個頂點上；被恢復物體[15]用很細的鋼絲等物固定于正12面體支架[2]的中心位置，數字立體視覺頭[1]之間通過IEEE 1394線纜[3]連接構成一個拓撲網絡，然后通過IEEE 1394總線控制器[4]連接到計算機[5]。圖5是基于多數字立體視覺頭[1]的物體完整表面恢復裝置恢復一個兵馬俑的頭部模型流程示意圖，由20個數字立體視覺頭[1]所采集的兵馬俑的各個側面的圖像信息由IEEE 1394串行總線傳輸到計算機[5]內，經過計算處理得到兵馬俑頭部模型完整的三維信息，得到的三維信息可以存儲起來供后續(xù)應用，如自動雕刻系統(tǒng)等，圖中顯示了三個不同角度下，兵馬俑頭部模型的三維圖像。
應用舉例2基于多數字立體視覺頭的物體完整表面恢復裝置，如圖6所示，包括14個數字立體視覺頭[1]、24面體支架[2]、IEEE 1394線纜[3]、IEEE 1394總線控制器[4]和多臺計算機[5]。14個數字立體視覺頭[1]分布在24面體支架[2]上。
權利要求
1.一種基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，由攝像機[8]與計算機[5]組成，其特征是該裝置包括二個以上數字立體視覺頭[1]、多面體支架[2]、IEEE 1394線纜[3]、IEEE 1394總線控制器[4]和計算機[5]；數字立體視覺頭[1]是由二個以上攝像機[8]、光源驅動器[14]、IEEE 1394接口[9]和控制器[13]構成，各數字立體視覺頭[1]分布在一個多面體支架[2]上，并指向多面體支架[2]的中心位置；各數字立體視覺頭[1]通過IEEE 1394接口[9]和IEEE 1394線纜[3]連接構成一個拓撲網絡，并連接到IEEE 1394總線控制器[4]上，經IEEE1394高速串行總線將數字立體視覺頭[1]獲取的立體圖像對送入計算機[5]中，計算機[5]對這些立體圖像對進行處理得到物體完整表面三維表示。
2.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于數字立體視覺頭主要由二個以上攝像機[8]、A/D轉換器[6]、幀存儲器[7]、IEEE 1394接口[9]、光源驅動器[14]、同步信號接口[11]和控制器[13]組成，其中控制器[13]對數字立體視覺頭各部分進行統(tǒng)一協(xié)調控制。
3.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于各個數字立體視覺頭[1]之間、數字立體視覺頭[1]與計算機[5]之間，利用IEEE 1394高速串行總線的拓撲結構互連。
4.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于利用IEEE 1394高速串行總線完成攝像機參數設置、圖像采集控制、光源控制、圖像數據傳輸和整個裝置的控制。
5.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于所有數字立體視覺頭[1]可以同步采集圖像，也可以獨立采集圖像；每一個數字立體視覺頭中的各個攝像機同步采集圖像；計算機可以一次讀取數字立體視覺頭上所有攝像機采集的圖像，也可以只讀取單個攝像機采集的圖像。
6.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于各個數字立體視覺頭[1]之間、攝像機[8]與攝像機[8]之間是完全同步的，通過一條同步線互連。
7.權利要求1所述的基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置，其特征在于系統(tǒng)具有節(jié)電模式，當需要采集圖像數據時，啟動各個數字立體視覺頭[1]，在不需要采集時，各個數字立體視覺頭[1]在控制器[13]的控制下進入節(jié)電模式。
全文摘要
本發(fā)明為基于多數字立體視覺頭的物體完整表面三維恢復裝置,屬于物體完整三維表面恢復的立體視覺技術。該裝置由分布在一個多面體支架上的多個數字立體視覺頭、IEEE 1394高速串行總線和計算機組成;各個數字立體視覺頭獲取物體不同側面的立體圖像對,并通過IEEE 1394高速串行總線傳入計算機,計算機對立體圖像對進行處理得到物體各個側面的三維網面表示;將物體各個側面的三維網面變換到同一個坐標下進行拼接,得到物體完整表面的三維表示。本發(fā)明不僅可以高精度恢復靜態(tài)物體完整三維表面,而且可以高精度恢復動態(tài)物體或變形物體完整三維表面;本發(fā)明沒有運動部件,可靠性好,操作簡單,成本低;本發(fā)明互連方式簡單,方便擴充;本發(fā)明可用于三維測量、實物仿形、自動加工和產品質量控制等領域。
文檔編號G06T15/00GK1375741SQ0211673
公開日2002年10月23日 申請日期2002年4月30日 優(yōu)先權日2002年4月30日
發(fā)明者賈云得, 王忠立, 劉萬春, 朱玉文, 裴民恩, 劉佳音, 安路平, 李鳴翔 申請人:北京理工大學