[發(fā)明專利]一種基于軸向可調(diào)級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡的三維成像系統(tǒng)和方法

有效

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• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111416972B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李安虎;劉興盛
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: H04N13/207
• 分類號: H04N13/207;G02B7/18;G01B11/24
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 陳源源

本發(fā)明涉及一種基于軸向可調(diào)級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡的三維成像系統(tǒng)和方法。該三維成像系統(tǒng)包括相機(jī)裝置和級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡裝置，級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡裝置包括級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡、平移機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該三維成像方法包括以下步驟：標(biāo)定成像系統(tǒng)的初始位置及其參數(shù)；采集多種視角對應(yīng)的元素圖像序列；建立不同元素圖像的逆向映射關(guān)系；恢復(fù)元素圖像重合區(qū)域的三維信息；在三維空間實現(xiàn)目標(biāo)形貌的可視化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡的軸向平移運動和同步旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)任意調(diào)整相機(jī)的徑向成像視角和周向成像視角，從而采集存在豐富視差信息的多視角目標(biāo)圖像序列，可以有效提高三維計算成像的視場范圍和分辨能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器視覺領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于軸向可調(diào)級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡的三維成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

三維計算成像是結(jié)合成像系統(tǒng)與計算方法以重構(gòu)空間目標(biāo)三維信息的技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)觀測、無人自主導(dǎo)航以及地理形貌勘探等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用價值。目前已有報道的三維成像方法主要采用激光測距、超聲傳感、全息攝影以及立體視覺等基本原理，其中立體視覺具有高效率、寬光譜、全場感知和環(huán)境適應(yīng)能力等獨特優(yōu)勢，因此可為大范圍三維計算成像提供尤為靈活和有效的解決途徑。

以下在先研究提出了幾種典型的基于立體視覺原理的三維計算成像系統(tǒng)及方法：

在先研究(R.Schulein,et al.“3D imaging with axially distributedsensing”,Optics Letters 34(13):2012-2014,2009)公開了采用單臺相機(jī)的軸向分布三維成像系統(tǒng)，利用相機(jī)在沿著光軸方向移動的過程中依次采集元素圖像序列。在先研究(Y.Piao,et al.Three-dimensional imaging and visualization using off-axiallydistributed image sensing,Optics Letters 38(16):3162-3164,2013)針對軸向分布式三維成像系統(tǒng)只能獲取縱向視角信息的局限性，提出了相機(jī)沿著非軸線方向運動以采集兼具側(cè)向和縱向視角的圖像序列。在先研究(M.Zhang,et al.Visualization of partiallyoccluded 3D object using wedge prism-based axially distributed sensing,OpticsCommunications 313:204-209,2014)還探究了相機(jī)與單個楔形棱鏡構(gòu)成的軸向分布感知系統(tǒng)，通過相機(jī)與楔形棱鏡的整體運動，采集覆蓋全場范圍的二維視角圖像序列。在先研究(李安虎等，一種具備跟蹤功能的軸向分布感知集成成像方法，公開號號：CN109819235A，公布日：2019年5月28日)提出了采用相機(jī)與兩個楔形棱鏡組合實現(xiàn)軸向分布成像，即通過相機(jī)與兩個棱鏡整體平移采集而來的圖像序列。以上方法均要求相機(jī)及其附加光學(xué)元件同步運動，必然影響成像系統(tǒng)的動態(tài)特性和響應(yīng)能力。

為此，在先研究(李安虎等，一種基于雙楔形棱鏡的軸向分布式三維成像方法，公開號：CN109597275A，公布日：2019年4月9日)又提出一種新的三維成像方法，該方法同樣基于相機(jī)和兩個楔形棱鏡，但是僅僅通過其中一個棱鏡的軸向平移運動獲取目標(biāo)的多視角元素圖像序列。但是，該方法只能使相機(jī)的成像視角沿著特定的徑向方向變化，而且棱鏡的平移運動范圍及其產(chǎn)生的有效視差在一定程度上受到成像系統(tǒng)的尺寸限制。也就是說，從三維成像系統(tǒng)的空間分辨能力方面考慮，需要棱鏡的軸向平移量足夠大，相機(jī)在相應(yīng)視角下采集的圖像視差才會產(chǎn)生明顯，由此計算出來的三維信息才能較為準(zhǔn)確，因此需要較大體積的成像系統(tǒng)才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于軸向可調(diào)級聯(lián)轉(zhuǎn)鏡的三維成像系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：