[发明专利]井字结构光相机系统及进行目标有尺度三维重建的方法

说明书

本发明公开了一种井字结构光相机系统及进行目标有尺度三维重建的方法，属于计算机视觉领域；本发明系统将井字结构光发射器和单目工业相机相结合，可以重建出目标的有尺度三维点云；三维点云的重建主要包含以下步骤：1、井字结构光相机系统参数标定；2、井字标记的图像识别；3、尺度因子估计和优化；获得无尺度三维模型和真实物体之间的尺度因子，从而将无尺度三维模型恢复到真实物体大小。

技术领域

本发明涉及计算机视觉中的三维重建领域，具体涉及一种井字结构光相机系统及进行目标有尺度三维重建的方法。

背景技术

三维重建技术是计算机视觉中最为热门和经典的研究方向，其有多种多样的手段和方法，其中，单目多视图重建法在空间非合作目标远距离三维重建中得到了越来越广泛的应用，因为其设备简单、功耗低、不受基线限制、适用于远距离的重建，且重建的点云包含颜色、纹理信息，有利于后续的应用。

相机拍摄时获得的是目标物体或场景在特定角度下的二维图像，目标图像缺少真实的深度信息，所以利用单目重建仅仅可以获得归一化的三维模型，模型不能反应目标的真实大小。而缺少尺度的三维模型没有太大的应用价值，例如在远距离场景下得到非合作目标的归一化三维模型，在中距离场景下，无法利用归一化三维模型信息得到非合作目标的运动和位置信息。通常单目相机会配置更复杂的深度相机得到所需的尺寸信息，但是这些深度相机在远距离下同样无法有效工作。因此有必要找到一种结构简单、功耗低、体积小的设备，去获得远距离非合作目标的尺寸信息。

发明内容

为了获得无尺度三维模型和真实物体之间的尺度因子，从而将无尺度三维模型恢复到真实物体大小，本发明设计了一种井字结构光相机系统及进行目标有尺度三维重建的方法，可以得到具有真实尺寸的目标三维模型。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种井字结构光相机系统，由一个工业相机和一个井字结构光发射器组合而成，所述工业相机和井字结构光发射器平行放置，井字结构光发射器由两个直流十字结构光发射器组装而成，其中每个直流十字结构光发射器照射目标都会在目标表面产生十字标记，两个直流十字结构光发射器的组装关系使得一起同时照射目标时，目标表面两个十字标记相互交叉会形成井字标记。

使用该系统进行目标有尺度三维重建的方法，其具体步骤如下：

步骤1：井字结构光相机系统参数标定：对井字结构光相机系统进行参数标定，确定井字结构光发射器在工业相机坐标系下的位置以及结构光光线的方向向量，在标定过程中固定好井字结构光相机系统，保持其空间位置不动，以标定板为辅助工具标定井字结构光相机系统，前后不断移动标定板，那么井字结构光会在标定板上投射出多个井字标记，拟合所有井字标记的左上方十字交叉点得到井字结构光光线的空间直线方程。

由于在标定过程中会受到标定板的精度、井字结构光相机系统震动的影响，求解的十字交叉点坐标容易出现较大误差，即出现局外点，本发明将最大互相关熵准则和空间直线的拟合相结合。具体结合方法为：

对于空间直线，其标准式方程为：

转化为：

设那么空间直线表示为：

空间直线的误差形式为：

式中：i表示第i个十字交叉点，Z_i、XY_i表示第i个十字交叉点三维坐标形成的矩阵。所以目标函数为：

式中：θ＝[a b c d]，Z表示由i个Z_i组成的矩阵，XY表示由i个XY_i组成的矩阵。本发明利用最大互相关熵准则转换该目标函数为：