[发明专利]一种应用三维图像信息采集装置的图像重建方法

摘要

本发明涉及三维摄像技术领域，具体涉及一种三维图像信息采集装置及其图像重建方法，本发明图像信息采集装置包括：一镜面，所述镜面的中设有第一区域，所述第一区域的中部设有第一摄像头，所述镜面上设有第一光源，所述第一光源的数量为四个以上，其分布于第一区域的外边缘上，且每个第一光源均为LED灯，所述第一摄像头用于对第一光源所发出的光信号进行采集；所述第一光源与第一摄像头均与控制单元相接，所述控制单元用于控制每个第一光源的在预定时间进行开关和控制第一摄像头在对应的时间内进行工作。本发明整体结构简单、速度快、工作稳定、精度高、体积小巧，能够为普通消费者所接受，具有广阔的市场前景。

主权项

1.一种应用三维图像信息采集装置的图像重建方法，三维图像信息采集装置包括一镜面，所述镜面的中部设有第一区域，所述第一区域的中部设有第一摄像头，所述镜面上设有第一光源，所述第一光源的数量为四个以上，其分布于第一区域的外边缘上，所述第一摄像头用于对第一光源所发出的光信号进行采集；所述第一光源与第一摄像头均与控制单元相接，所述控制单元用于控制每个第一光源的在预定时间进行开关和控制第一摄像头在对应的时间内进行工作；所述第一区域的中部还设有第二摄像头，所述第一区域的外边缘上还设有一个以上的第二光源，所述第二摄像头用于对第二光源所发出的光信号进行采集；所述第一光源为红外LED灯，所述第一摄像头为红外摄像头；所述第二光源为白光LED灯，所述第二摄像头为可见光摄像头，图像重建方法包括：对第一摄像头的固有参数进行标定，并对第一光源的主光轴的方向进行估计，从而得到第一光源坐标；根据第一光源的固有参数，建立发光坐标模型；在将待成像物移至镜面前之后，依次控制每一个第一光源点亮并在预定时长后熄灭，并在第一光源点亮时，第一摄像头采集经过待成像物反射后的图像信息，得到与第一光源数量相等的图像信息；将所有图像信息代入第一光源坐标中，得到原始三维图像数据；根据发光坐标模型，对原始三维图像数据中相对应位置的数据进行迭代重建，得到重建后三维图像数据；所述依次控制每一个第一光源点亮并在预定时长后熄灭，并在第一光源点亮时，第一摄像头采集相应的图像信息之后包括：控制所有第二光源一同点亮，并在第二光源点亮时，第二摄像头采集经过待成像物反射后的图像信息，得到图像中每个坐标点的色彩信息；所述对第一摄像头的固有参数进行标定，并对第一光源的主光轴的方向进行估计，从而得到第一光源坐标包括：a)对相机内部参数进行标定，b)以相机坐标系为世界坐标系，以相机光心为世界坐标系原点，单个LED灯主光轴上的出射光强为I₀，根据LED在装置上与相机的相对位置估测出所有LED相对于相机的大致空间坐标主光轴出射方向l_main，j表示第j个LED；c)光源坐标及主光轴出射方向计算与优化：使用一个具有朗伯反射特性的平面物体，将其放置在相机前方，姿态垂直于相机光轴，该平面物体与相机Z0平面的距离为Dist，依次控制LED灯明灭，并利用相机模块拍摄该平面物体在不同LED照射下的图像，得到图像Ij(u，v)；使用图像坐标转换为相机坐标，求得图像中每个像素点对应的空间坐标(xo，yo，zo)，分别利用物体各点入射光算法与光源到物体各点距离算法，计算每个像素点的出射方向l与该点到光源的距离d；将估测与计算所得的主光轴出射方向l_main和各点出射方向l与距离d代入光源方向复合模型估计平面法向n；由于已知实验目标为平面，即其上各点法向均相同，当平面物体垂直于相机光轴时，其法向均指向相机光轴方向的Z的反方向，因此，设置一个最小化能量方程对各点法向n做偏差积分，以初始估计参数为待优化参数，以法向计算均方差最小为目标值，不断对初始估计参数进行优化；当能量方程最小化时表示所求平面最接近于真实平面，其中，初始估计参数有各LED空间坐标LED主光轴出射方向l_main；其中，朗伯反射为：其中Ir表示反射光强，l表示光源出射方向，|L|表示光源出射光强，d表示出射点到入射点的距离，n则表示物体表面法向；其中，LED光源的发光模型：Iθ＝I0(cosθ)g‑1其中I₀表示主光轴上的出射光强，I_θ表示为各出射方向l与主光轴成θ夹角方向的出射光强，那么θ＝arccos(l_main*l)；其中g随LED有效半角θ_half的变化而变化，l_main表示主光轴的出射方向；将朗伯反射模型与LED发光模型相结合；于是，当出射光与主光轴方向的夹角为θ时，那么，进而图像重建方法进一步包括：I)图像坐标转换为相机坐标：已知某物体点在图像中的像素坐标为(u，v)以及相机焦距f，并且该物体点距离相机平面Z0平面的距离为Dist，那么根据相机透视成像模型：其中，x、y、z表示坐标轴中相互垂直的三个方向，k在一定z向距离范围内为一个常数，即在图像中像素距离与实际物理距离的放大倍数，该物体点对应相机坐标系的空间坐标为(x_o，y_o，z_o)；II)计算物体各点入射光方向与光源到物体各点距离：计算物体各点入射光方向包括：物体表面每点的坐标为(x_o，y_o，z_o)，已知每个光源的坐标为那么每个点的入射光方向为归一化后得到单位方向向量计算光源到物体个点距离包括：对L取模可以得到距离d＝|L|。