[發明專利]基于旋轉二分棱鏡的單相機圖像采集系統和三維重建方法

有效

• 申請號: 202011072913.6
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112330794B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 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: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G02B27/12
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

1.一種基于旋轉二分棱鏡的單相機圖像采集系統的三維重建方法，其特征在于，基于旋轉二分棱鏡的單相機圖像采集系統包括相機裝置(1)和旋轉二分棱鏡裝置(2)，所述相機裝置(1)包括相機(11)和支撐該相機的相機支架(12)；

所述旋轉二分棱鏡裝置(2)包括二分棱鏡(21)、棱鏡支撐結構(22)、旋轉機構和支撐所述旋轉二分棱鏡裝置的外殼體(26)，所述二分棱鏡(21)固定安裝在所述棱鏡支撐結構(22)的中心區域，所述旋轉機構的輸出端連接所述棱鏡支撐結構(22)，用于驅動所述棱鏡支撐結構(22)在豎直平面上轉動；

所述相機(11)的探測端正對所述二分棱鏡(21)；

三維重建方法包括以下步驟：

系統構建與參數標定步驟：對所述相機裝置和旋轉二分棱鏡裝置進行位置和姿態調整，構建單相機成像系統及其工作坐標系；利用視覺標定的方法獲取所述相機的內部參數和所述相機和二分棱鏡之間的軸向距離；

多視角圖像序列采集步驟：通過控制所述旋轉機構帶動所述二分棱鏡轉動，通過所述相機采集在每種二分棱鏡轉角位置下的包含目標信息的雙視角圖像，構成用于進行三維重建的多視角目標圖像序列；

立體匹配及交叉優化步驟：根據相機視軸經過二分棱鏡偏轉后的指向以及二分棱鏡的轉角，推導出與所述單相機成像系統等效的動態虛擬雙目系統模型，建立每種所述二分棱鏡轉角位置對應的雙視角圖像的極線約束關系，通過窗口匹配算法尋找雙視角圖像內的同名像點，并對不同二分棱鏡轉角位置的雙視角圖像內的同名像點進行交叉檢驗和優化，實現立體匹配；

三維重建與點云濾波步驟：根據一種所述二分棱鏡轉角位置對應的雙視角圖像的同名像點，獲取目標的三維點云初始估計；根據其它所述二分棱鏡轉角位置對應的雙視角圖像的同名像點，補充所述初始估計的三維點云缺失的點云信息，從而更新三維點云，然后進行噪聲濾除，獲取最終的三維點云重建結果。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述相機(11)的靶面和所述二分棱鏡(21)的背面滿足平行關系，所述相機(11)的光軸與二分棱鏡(21)背面相對的頂部棱線相交且垂直。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋轉機構為力矩電機，包括力矩電機轉子(23)、力矩電機電刷(24)和力矩電機定子(25)，所述棱鏡支撐結構(22)連接所述力矩電機轉子(23)，所述力矩電機定子(25)安裝在所述外殼體(26)上。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，系統構建與參數標定步驟中，所述構建單相機成像系統具體為，調整所述相機裝置和旋轉二分棱鏡裝置的位置和姿態，以保證相機靶面與二分棱鏡背面的平行關系、相機光軸與二分棱鏡頂部棱線的垂直關系以及相機與二分棱鏡的軸向間距關系；

構建單相機成像系統的工作坐標系具體為，建立所述單相機成像系統的工作坐標系O-XYZ，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，并且所述X軸對應相機圖像傳感器的行掃描方向，所述Y軸對應相機圖像傳感器的列掃描方向。