[發(fā)明專利]基于單攝像機SFS算法的三維重建方法

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• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104331924A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高磊;謝凡凡;衛(wèi)永波
• 申請（專利權(quán)）人: 西安冉科信息技術(shù)有限公司
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 羅笛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維建模及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于單攝像機SFS算法的三維重建方法。

背景技術(shù)

在計算機視覺中，三維重建是指根據(jù)單視圖或者多視圖的圖像重建出物體三維信息的過程。三維模型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導(dǎo)引、地貌測量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應(yīng)用。

三維建模常用方法一是通過三維掃描儀，該方法是主動的向物體投射激光或者結(jié)構(gòu)光等，通過時差測距或者三角測距法獲得物體三維表面的距離信息，創(chuàng)建物體幾何表面的點云，這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型。大量的點云數(shù)據(jù)就是對物體表面通過激光進行采樣，將點云數(shù)據(jù)相鄰的點拼接為面片，就是物體的三維模型。但是三維掃描儀價格特別昂貴，此外，光學(xué)技術(shù)不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而激光技術(shù)不適用于脆弱或易變質(zhì)的表面，所以尋找一種實惠的，具有普適性的三維重建方法是很有必要的。

三維建模另一類方法是基于視覺的方法對物體建模，又細分出眾多不同的技術(shù)方法。使用可見光圖像達成建模的方法，又稱作基于機器視覺的方式，是今日機器視覺研究主流之一。基于機器視覺的方式，將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來計算三維空間信息；然后由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預(yù)期的效果。由于環(huán)境中的可見光輻射，是相當容易取得并利用的，大部分這類型的三維重建以偵測環(huán)境的可見光為主。獲得物體表面反射周遭輻射線的方法主要包括立體視覺法和輪廓法。傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個放在一起的攝影機，平行注視待重建之物體，測定物體的深度信息對物體建模。輪廓法是使用一系列物體的輪廓線條構(gòu)成三維形體常見的方式是將待測物放置于電動轉(zhuǎn)盤上，每次旋轉(zhuǎn)一小角度后拍攝其圖像，再經(jīng)由圖像處理技巧去除背景并取出輪廓線條，由各角度的輪廓線后建成物體三維模型。基于視覺的三維重建方法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支持，這類產(chǎn)品往往相當便宜。

基于計算機視覺的三維建模技術(shù)具有實際意義，其優(yōu)勢如下：(1)相對于三維掃描儀來說，獲取圖像的代價很低，而且速度很快；(2)解決了三維重建的紋理映射難題，圖像采集的是顏色信息，本身含有豐富紋理信息，而激光掃描獲得的只是距離信息沒有紋理信息。

現(xiàn)有基于機器視覺的三維建模方法，以輪廓法居多，SFS(Shape?From?Silhouette)算法就是其中一種。SFS算法是一種根據(jù)物體的多幅輪廓圖去估計物體外形的一種方法。基于SFS算法進行三維重建的一般方法是拍攝物體一周的多角度的多幅圖片，八幅或更多，提取每一幅圖片的輪廓，以攝像機的焦點為中心，將輪廓圖投影到三維空間，可以得到一個錐形空間，這個空間是一個包含了物體的錐體空間，稱為視覺錐體。攝像機拍攝位于轉(zhuǎn)盤上的物體一周的多幅圖片，相當于多個攝像機從不同角度去拍攝物體，不同角度的視覺錐體空間的交集是一個不規(guī)則形狀。當攝像機足夠多時，不規(guī)則形狀就越趨近于物體的外表形狀，可以估計出目標物的三維模型。但是現(xiàn)有采用SFS算法在三維重建的過程中存在標定方法成本高，靈活性差的缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于單攝像機SFS算法的三維重建方法，解決了現(xiàn)有三維重建中標定方法成本高，靈活性差的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，基于單攝像機SFS算法的三維重建方法，具體步驟如下：

步驟1：標定攝像機；

步驟2：提取目標輪廓；

步驟3：SFS算法三維重建，在計算機虛擬三維空間坐標系中，設(shè)定一個感興趣的空間，將感興趣空間均勻的分割為大小相等的離散的體素，對體素在目標輪廓中的投影位置進行預(yù)計算，并運用快速體素投影算法尋找內(nèi)部體素，對所有的內(nèi)部體素進行組合，得到重建后的三維物體。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1具體按照以下步驟實施：

1.1)設(shè)定世界坐標系：將標定板放置在三維重建系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤上，設(shè)置世界坐標系的方向；

1.2)標定攝像機，具體為：

1.2.1)調(diào)整轉(zhuǎn)盤平面至水平，使標定板和轉(zhuǎn)盤的平面平行；調(diào)整攝像機位置，使標定板在攝像機的視野范圍內(nèi)；調(diào)整攝像機焦距，使標定板在初始位置時圖像最清晰；

1.2.2)捕獲標定板在初始位置及前后移動狀態(tài)的圖片，實際的三維空間點與圖片中的二維空間點存在如下關(guān)系：

[像]＝M[物]，

其中M為攝像機投影矩陣，包含參數(shù)為攝像機參數(shù)；