[发明专利]单镜头结构光立体成像的装置及对管道内场景立体成像的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像采集系统及成像方法，特别是涉及一种针对管道内部场景的成像的装置及成像方法，应用于工业检测、生物医学工程，医疗诊断和和三维形貌测量技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，智能化、非接触式三维测量立体成像方法的研究得到了人们广泛地重视。结构光三维测量技术日趋成熟，但由于其具有高精度的机械驱动装置，使成本大为提高，对于普及和应用带来了一定的困难。而在现有的三维测量立体成像方法在实际拍摄过程中，需要两架摄像机在变焦、变光圈、变位置时做到同步一致，在技术实现上也比较困难的问题。现有的三维测量立体成像装置及成像方法还不够理想，不能广泛适应于工业和医学等领域对管道内壁测量过程，无法更有效地适应社会需求。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种单镜头结构光立体成像的装置和对管道内场景立体成像的方法，采取了单镜头照相机和结构光栅相结合的立体成像方法实现对管道内壁成像中的应用，为三维图像的构建提供了便利，根据光模式的变化情况来反映管道内壁表面的形状变化，简化了对管道内场景的图像采集，尤其是对管道内壁上的物体的检测问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种单镜头结构光立体成像的装置，主要由一台照相机、一个半透镜和一台光栅投影仪构成，照相机透过半透镜对管道内壁进行图像采集，半透镜将光栅投影仪投影出来的结构光栅通过反射发射到管道内壁上，对照相机的拍摄和光栅投影仪的投影进行分别控制，使光栅投影仪投影出来的结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机的透过半透镜对管道内壁场景进行图像采集，交替获得无结构光栅的图像和叠加结构光栅的图像。

作为本发明的改进，照相机与光栅投影仪由控制器进行脉冲控制，使照相机每个拍摄周期内皆获得由一幅场景原图像和一幅用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的网格化图像。

本发明还提供了一种利用本发明单镜头结构光立体成像的装置对管道内场景立体成像的方法，在整个拍摄过程中，采用单镜头摄像和结构光栅对图像网格化相结合，调整照相机不同位置坐标，进行一系列的图像采集，具体为：

第一组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（                                                ，，）处，用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第一幅场景原图像P₁₁，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第一幅网格化图像P₁₂，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（,）,(,),(,)……(,)……（,）；

第二组拍摄：利用手动或机械控制在三维坐标为（，，）处，仍然用照相机对管道内壁场景拍摄2次，其中前一次拍摄为管道内壁的第二幅场景原图像P₂₁，其中后一次拍摄为用光栅投影仪在管道内壁投上结构光栅后所拍摄的第二幅网格化图像P₂₂，在管道内壁上的结构光栅上各点坐标（,）,(,),(,)……(,)……（,）；

第三组拍摄直到第n组拍摄：如第二组拍摄方法以此类推；

根据前述n组拍摄所得到的n幅场景原图像P_n1和n幅网格化图像P_n2，通过所得到的光栅中各点在投影到管道内壁时之间距离的变化，来确定管道内壁场景在空间上的深度信息，依据同一个点在其中两幅网格化图像中的相对位置关系，对从其中所对应的两幅场景原图像照片里得到的管道内壁场景各点的空间点云进行拼接，通过结构光三维测量方法，进而得到管道内壁上物体的空间形状，最终完成对管道内壁场景的立体成像。

作为本发明对管道内场景立体成像的方法的改进，在整个拍摄过程中，照相机与光栅投影仪由控制器进行脉冲控制，其中照相机控制脉冲的周期是光栅投影仪控制脉冲周期的一半，使光栅投影仪投影出来的结构光栅在管道内壁上间断交替出现，进而使照相机对管道内壁场景进行图像采集，使每组拍摄皆获得由一幅场景原图像和一幅网格化图像组成一组对照图像。

在上述本发明对管道内场景立体成像的方法的技术方案中，在整个拍摄过程中，在每组拍摄之前，皆对照相机和光栅投影仪组成的成像系统进行标定，确定结构光栅与管道内壁的相对位置、照相机拍时的位置和拍摄角度，通过照相机所拍照片中光栅各点的相对坐标，进而得到光栅各点间的距离数据。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：