[發(fā)明專利]基于旋轉(zhuǎn)二分棱鏡的單相機(jī)圖像采集系統(tǒng)和三維重建方法

有效

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• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112330794B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 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: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G02B27/12
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

本發(fā)明涉及一種基于旋轉(zhuǎn)二分棱鏡的單相機(jī)圖像采集系統(tǒng)和三維重建方法，系統(tǒng)包括相機(jī)裝置和旋轉(zhuǎn)二分棱鏡裝置，相機(jī)裝置包括相機(jī)和支撐該相機(jī)的相機(jī)支架；旋轉(zhuǎn)二分棱鏡裝置包括二分棱鏡、棱鏡支撐結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支撐旋轉(zhuǎn)二分棱鏡裝置的外殼體；三維重建方法包括以下步驟：系統(tǒng)構(gòu)建與參數(shù)標(biāo)定，多視角圖像序列采集，立體匹配與交叉優(yōu)化，三維重建與點(diǎn)云濾波。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過二分棱鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動改變單臺相機(jī)的成像視角，使其模擬實(shí)現(xiàn)動態(tài)雙目視覺系統(tǒng)捕獲多視角目標(biāo)信息的功能，可以有效提升單相機(jī)多視角立體匹配與三維重建的精度、效率、實(shí)施靈活性和動態(tài)適應(yīng)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多視角三維重建領(lǐng)域，尤其是涉及基于旋轉(zhuǎn)二分棱鏡的單相機(jī)圖像采集系統(tǒng)和三維重建方法。

背景技術(shù)

多視角三維重建是利用不同視角下捕獲的多幅圖像序列，通過立體幾何視覺原理恢復(fù)得到空間目標(biāo)三維形貌信息的技術(shù)，在自主導(dǎo)航、地理測繪、空間遙感等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的雙相機(jī)或多相機(jī)視覺系統(tǒng)通過增加傳感器數(shù)量實(shí)現(xiàn)多視角圖像信息獲取，但其代價是提升系統(tǒng)復(fù)雜度、擴(kuò)大物理尺寸以及減小公共視場等。相比而言，單相機(jī)視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，通過引入附加光學(xué)元件或相機(jī)運(yùn)動約束等方式采集多視角目標(biāo)圖像序列，可為三維目標(biāo)重構(gòu)或場景恢復(fù)提供更為經(jīng)濟(jì)、靈活和有效的解決途徑。

以下在先研究提出了幾種典型的單相機(jī)多視角三維重建系統(tǒng)及方法：

在先技術(shù)：“單相機(jī)多角度的空間點(diǎn)坐標(biāo)測量方法”(趙祚喜等，公布號：CN109141226A，公布日：2019年1月4日)公開了在目標(biāo)表面粘貼多個坐標(biāo)已知的標(biāo)志點(diǎn)，并通過改變單相機(jī)的拍攝角度來采集多視角目標(biāo)圖像的方法。在先技術(shù)：“一種圓弧導(dǎo)軌式單相機(jī)測量系統(tǒng)及其測量方法”(曾天等，公布號：CN 110645962A)公開了利用沿著圓弧導(dǎo)軌運(yùn)動的單相機(jī)從多個方位拍攝包含編碼點(diǎn)的目標(biāo)圖像序列，再利用攝影測量原理解算目標(biāo)測點(diǎn)三維信息的方法。以上方法要求目標(biāo)表面具有滿足一定約束條件的合作標(biāo)志，同時要求相機(jī)位置和拍攝角度產(chǎn)生多次變化，因此具體實(shí)施方式的靈活性和實(shí)際應(yīng)用場合的普遍性均受到一定程度的限制。

在先技術(shù)：“單相機(jī)雙目視覺裝置”(張青川等，公布號：CN 109856895A，公布日：2019年6月7日)公開了利用單相機(jī)與兩組對稱分布反射鏡的組合裝置，在左右對稱且允許調(diào)整的視角下捕獲感興趣區(qū)域圖像信息的方法。在先技術(shù)：“一種使用合光棱鏡的新型單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)”(潘兵等，公布號：CN 110530286A，公布日：2019年12月3日)公開了結(jié)合單相機(jī)、X-cube合光棱鏡和一組對稱分布的反射鏡，將不同顏色通道的目標(biāo)圖像信息融合并記錄到相機(jī)靶面，再利用數(shù)字圖像相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)高精度三維測量的方法。以上方法依賴至少一組反射鏡產(chǎn)生的光束偏折作用來改變成像視角，必須提供足夠的布置空間和調(diào)整角度以保證三維重建的視場范圍，犧牲了系統(tǒng)的緊湊性、集成性及其對誤差擾動的抑制性、適應(yīng)性。

綜上，現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺點(diǎn)：

1、采用改變相機(jī)位置和拍攝角度采集多視角目標(biāo)圖像的方法，其具體實(shí)施方式的靈活性和實(shí)際應(yīng)用場合的普遍性均受到一定程度的限制；

2、采用多組對稱分布反射鏡采集多視角目標(biāo)圖像的方法，必須提供足夠的布置空間和調(diào)整角度以保證三維重建的視場范圍，犧牲了系統(tǒng)的緊湊性、集成性及其對誤差擾動的抑制性、適應(yīng)性。

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單相機(jī)多視角的基于旋轉(zhuǎn)二分棱鏡的單相機(jī)圖像采集系統(tǒng)和三維重建方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于旋轉(zhuǎn)二分棱鏡的單相機(jī)圖像采集系統(tǒng)，包括相機(jī)裝置和旋轉(zhuǎn)二分棱鏡裝置，所述相機(jī)裝置包括相機(jī)和支撐該相機(jī)的相機(jī)支架；