[发明专利]一种基于动态视觉传感器焦点变化法的高速表面三维重建方法

说明书

本发明公开了一种基于动态视觉传感器的表面三维重建方法，本发明利用动态视觉传感器替代传统帧图像CCD/CMOS图像传感器，在极短的时间内获取原始数据；利用动态传感器产生的正负事件率序列与准焦位置的内在关系，替代传统帧图像焦点变化法基于的对比度分析法，达到了高于传统焦点变化法的处理速度。

技术领域

本发明涉及计算机视觉表面三维重建技术领域，具体涉及一种基于动态视觉传感器焦点变化法的表面三维重建方法。

背景技术

近年来，光学三维表面重建技术凭借其非损伤、高精度等特点广泛地应用在工业零件检测、逆向工程、文物保护、医疗美容等多个领域。大体来说，光学三维表面重建技术基于的原理包括：1.条纹结构光三维重建方法，2.双目视觉三维重建方法，3.共焦显微测量方法，4.基于干涉的三维重建方法，5.基于焦点变化法的三维重建方法。其中，基于焦点变化法的三维重建方法的原理是：使用一个小景深显微物镜将待测表面成像至一个高分辨率CCD/CMOS传感器面，并用计算机获取传感器得到的图像；利用电机带动待测平面在光轴方向运动，电机每移动一个微小位移，图像传感器都获得一张图像；将这些不同物距拍摄得到的图像，对图像中的每个位置都进行准焦度分析，得到图像中每个位置成像最清晰时的物距，这样就得到了整个表面的深度信息。

值得注意的是，当前的焦点变化法的三维重建方法都是采用CCD或CMOS这样的面阵图像传感器获取图像，而CCD或CMOS传感器的动态范围有限(在60～70dB之间)，当待测表面的反射率差别很大时，容易造成高反射率区域过曝，而低反射率区域过暗。

另外，焦点变化法对传感器的辐射分辨率有着非常高的要求。辐射分辨率的含义是：传感器能够区分的最小光度差异。例如最普通的八位CMOS传感器，仅能区分动态范围内256个灰度等级，这意味着，传感器无法区分同个灰度等级内的纹理区别。而焦点变化法正是通过判断纹理的清晰度来进行深度信息获取的。而具有更高辐射分辨率，更高位数的面阵图像传感器，其价格十分昂贵，并且更高辐射分辨率又意味着更低的图像分辨率或更差的噪声特性。

并且，基于传统图像传感器的焦点变化法，需要对不同物距的图像进行多次曝光。电机到达特定物距位置时，需要先停止下来并保持稳定，随后CCD/CMOS图像传感器才能获取没有运动模糊的图像。为了达到足够的纵向分辨率，需要对整个物距范围进行足够细致的采样。因此，采集完所有采样点的图像耗时相当长，这样的检测流程不满足工业生产中的实时性要求。

因此，基于传统图像传感器焦点变化法的三维重建系统的应用空间往往很受限。

发明内容

为了克服基于传统图像传感器焦点变化法中，辐射分辨率低、动态范围小、检测速度慢等缺陷，本发明提供了一种基于动态视觉传感器焦点变化法的高速表面三维重建方法，实现高精度、高动态范围、高速的三维表面重建。

本发明提供了一种基于动态视觉传感器的表面三维重建方法，其包括以下步骤：

步骤一、搭建基于焦点变化法的三维重建系统；所述三维重建系统中以动态视觉传感器作为待测表面的成像传感器；

步骤二、沿光轴方向移动待测表面，动态视觉传感器检测到待测表面移动过程中入射到传感器表面光强的变化，这些光强的变化根据变亮和变暗分别标注为正事件和负事件；移动结束后，与动态视觉传感器相连的计算机存储下这一过程产生的事件原始点云数据，这些事件原始数据按照事件发生的像素坐标(x,y)和发生时间点t进行有序排列，在此定义X、Y方向分别为像素坐标x,y增大的方向，T方向为事件发生时刻t增大的方向，并形成XYT三维事件点云立方；

步骤三、将步骤二中得到的XYT三维事件点云立方，在T方向按照Δt的时间间隔进行分块；对于每一像素坐标(x,y)统计每个Δt的时间间隔内正事件数量与负事件数量；最终得到一个正事件率立方与一个负事件率立方，立方中的元素为整型变量，分别代表每个像素在每个时间间隔内产生的事件总数；