[發明專利]一種基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統和方法

有效

• 申請號: 202010071326.9
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111416972B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 李安虎;劉興盛
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H04N13/207
• 分類號: H04N13/207;G02B7/18;G01B11/24
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳源源

1.一種基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統，其特征在于，包括相機裝置和級聯轉鏡裝置；所述的級聯轉鏡裝置包括級聯轉鏡、平移機構和旋轉機構；所述的級聯轉鏡包括第一棱鏡組件和第二棱鏡組件，所述的第一棱鏡組件包括互相連接的第一鏡筒和第一楔形棱鏡，所述的第二棱鏡組件包括互相連接的第二鏡筒和第二楔形棱鏡，所述的第一楔形棱鏡和第二楔形棱鏡同軸設置并且楔形面相對；所述的平移機構連接第一鏡筒和第二鏡筒用于調節兩個棱鏡組件在軸向的平移；所述的旋轉機構連接第一鏡筒和第二鏡筒用于實現第一棱鏡組件和第二棱鏡組件同步轉動；所述的相機裝置正對第一棱鏡組件；

所述的旋轉機構包括力矩電機、旋轉內框和滾動軸承，所述的力矩電機包括力矩電機轉子和力矩電機定子，所述的級聯轉鏡裝置還包括外框，所述的級聯轉鏡安裝固定在旋轉內框中，所述的旋轉內框通過滾輪軸承安裝在外框內，所述的力矩電機定子連接外框的內壁，所述的力矩電機轉子連接旋轉內框的外壁；所述的力矩電機帶動旋轉內框和級聯轉鏡在外框內轉動。

2.根據權利要求1所述的基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統，其特征在于，所述的平移機構包括驅動電機、至少一根導向桿和滾珠絲桿，導向桿和滾珠絲桿互相平行，所述的驅動電機固定在第一鏡筒上，所述滾珠絲桿的光桿部分穿過第一鏡筒上的安裝孔連接驅動電機，滾珠絲桿的螺紋部分穿過設置在第二鏡筒上的螺紋孔，每根導線桿的一端固定連接第一鏡筒，另一端穿過第二鏡筒上的光滑孔；所述驅動電機正轉或反轉，帶動滾珠絲桿轉動，第二鏡筒在滾珠絲桿和螺紋孔的驅動作用下以及在導向桿和光滑孔的支承引導下實現軸向的平移。

3.根據權利要求2所述的基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統，其特征在于，所述的相機裝置包括相機本體和相機支座，所述的相機本體通過相機支座安裝在外框上。

4.一種如權利要求1～3中任一所述的基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統的成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、標定成像系統的初始位置及其參數：建立成像系統的工作坐標系，通過光學標定方法確定級聯轉鏡中兩個楔形棱鏡的主截面位置；利用相機標定方法獲取相機的內部參數以及相機與級聯轉鏡之間的軸向距離；

S2、采集多種視角對應的元素圖像序列：通過級聯轉鏡裝置的平移機構改變級聯轉鏡間的軸向間距，同時通過級聯轉鏡裝置的旋轉機構改變級聯轉鏡的旋轉角度，獲取一系列沿著徑向和周向變化的成像視角，在各種成像視角下分別采集目標的元素圖像序列；

S3、建立不同元素圖像的逆向映射關系：結合級聯轉鏡的軸向間距和旋轉角度，利用逆向投影方法建立元素圖像所含像素與其在重構平面對應目標點的映射關系；

S4、恢復元素圖像重合區域的三維信息：針對元素圖像序列重合區域的所有像素，按照同名像點在重構平面上滿足灰度分布一致的原則計算對應目標點的真實深度信息，進而恢復目標點在其他兩個維度的位置信息；

S5、在三維空間實現目標形貌的可視化：依據所有元素圖像內同名像點的灰度計算各個目標點的灰度信息，實現目標表面感興趣區域和部分遮擋區域的可視化。

5.根據權利要求4所述的基于軸向可調級聯轉鏡的三維成像系統的成像方法，其特征在于，所述的步驟S1具體包括：

S11、建立三維成像系統的工作坐標系O-XYZ，其原點O固定于相機的光心位置，Z軸與相機的光軸方向重合，X軸和Y軸均與Z軸正交，并且兩者分別對應相機圖像傳感器的行掃描方向和列掃描方向；

S12、采用自準直法或光學干涉法標定級聯轉鏡裝置的主截面位置以及相機與級聯轉鏡的軸向對準關系，采用張正友標定法、直接線性變換法或兩步標定法標定相機的內部參數以及鏡頭的畸變系數。