[发明专利]三维几何建模和三维视频内容创建

说明书

与现有申请的关系

本申请要求2006年11月21日提交的美国临时专利60/860,209的优 先权，其内容由此通过引用被并入。

本申请还要求2007年4月4日提交的美国临时专利60/907,495的优 先权，其内容由此通过引用被并入。

本申请还要求2007年5月3日提交的美国临时专利60/924,206的优 先权，其内容由此通过引用被并入。

本申请还要求2007年7月13日提交的美国临时专利60/929,835的 优先权，其内容由此通过引用被并入。

本申请还要求2007年8月13日提交的美国临时专利60/935,427的 优先权，其内容由此通过引用被并入。

技术领域

本发明涉及用于使用主动三角测量法(active triangulation method)的 物体的三维成像和深度测量的系统和方法，并且尤其但不排它地涉及在静 止和在运动中的物体的三维成像。

背景技术

三维传感器系统用在大量应用中。这些传感器系统确定位于传感器系 统视野的场景中的物体的形状和/或表面特征(feature)。近年来，提出了用 于实现三维建模系统的很多方法，这些系统能够对各种应用快速获取物体 的准确的高分辨率三维图像。

这样的三维成像系统的精确配置可能被改变。很多基于当前的三角测 量的系统使用至少两个或多个摄像机(camera)的阵列来确定称为被动立 体对应(passive stereo correspondence)的深度值。这样的方法依赖于被 高纹理(texture)化的成像表面，因而易于产生误差且非鲁棒性的。而且， 自动对应算法在来自不同摄像机的镜头的匹配中常常包含大量误差。

其它方法利用LIDAR(光成像探测和测距)系统来确定远距离目标 的范围和/或其它信息。用光脉冲的方法，通过测量光脉冲的传输和反射 信号的探测之间的时间延迟来确定到物体的距离。称为飞行时间的这样的 方法通常不受三角测量法中一般的阻塞(occlusion)的影响，但准确度和分 辨率固有地不如在三角测量法中得到的准确度和分辨率。

基于主动三角测量的三维传感器系统和方法一般具有作为光源用于 投影到表面上的一个或多个投影仪，以及在离投影仪的限定的一般校正的 相对位置处的用于使被照明的表面成像的一个或多个摄像机。摄像机和投 影仪因此具有不同的光路，且它们之间的距离称为基线。通过了解基线距 离以及投影和成像角，已知的几何/三角测量方程用于确定到被成像的物 体的距离。在本领域中已知的各种三角测量法中的主要差异在于投影方法 以及通常是结构光的所投影的光的类型、以及在于获得三维数据的图像解 码的过程。

光投影的方法从时间方法变化到空间编码的结构光。在本领域中各种 形式的投影光的例子包括“激光扇(laser fan)”和“线编码光”。

一旦捕获了物体的二维图像，光源被如上所述投影在物体上，图像处 理软件通常分析图像，以提取物体的三维几何结构并可能提取物体通过空 间的三维运动。这通常通过比较所捕获的图像中的特征与以前捕获的图像 和/或与投影光的已知特点和特征来完成。该步骤的实现在当前已知的方 法中广泛地变化，一般是用于将光投影到物体上的方法的功能。不管所使 用的方法是什么，过程的结果通常是在所捕获的图像中被识别的特征的一 种视差/位移图。根据公知的几何方程，特别是三角测量方程，三维空间 位置和/或三维运动捕获的最后步骤包括上面提到的视差图到深度数据的 转换。

当今存在数百种方法和系统的绝对事实暗示在根本问题是缺乏足够 有效和可靠的用于三维成像的方法。而且，利用主动三角测量法的大多数 系统今天被限制到物体的非动态成像。也就是说，即使以高的帧率和快门 速度，成像的物体也必须在图像获取期间保持静止。例如，可给建筑物成 像，而不是骑自行车的人或在街道上移动的汽车。对三维成像的这个限制 是在大多数基于三角测量的三维成像系统中需要的直接结果，以获得一系 列图像同时随着时间的过去而改变光源的特点。例如，很多方法利用在一 段时间间隔内投影的很多光图样，称为时间编码。