[发明专利]在空间编码幻灯片图像上的模式的对准方法和系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及对象的表面几何图形的三维扫描领域，并且更具体地，涉及结构光立体视觉。

背景技术

对象的表面几何图形的三维扫描和数字化在许多行业和服务中是常用的，并且它们的应用非常广泛。此类应用的几个示例是在工业生产体系中的形状一致性的检查和测量、用于工业设计和造型应用的粘土模型的数字化、具有复杂几何图形的现有零件的逆向工程、在多媒体应用中的对象的交互式可视化、艺术品和手工艺品的三维文档、为了更好的矫正适配的人体扫描、生物统计学或定制服装。

使用测距传感器扫描并数字化对象的形状，该测距传感器测量该传感器和表面上的一个点集之间的距离。已经为测距传感器开发了不同的原理。在这些原理中，干涉测量、飞行时间和基于三角测量原理是已知的原理，取决于对精度的要求、传感器和对象之间的相隔距离以及所需要的景深，这些原理的每一个都是或多或少适当的。

一些基于三角测量的测距传感器通常适合于近距离测量，如不足几米。使用这种类型的装置，从被一个基线距离分隔开的两个不同的视点获得至少两条汇聚到对象上的同一特征点的光线。可以从该基线和这两个光线方向恢复观测点的相对位置。使用三角形中的一条长边和两个角的知识来确定两条光线的交点，这实际上是立体视觉中的三角测量的原理。立体视觉中的难题是在每个图像中高效地识别哪些像素相互对应。

为了简化这个问题，可以用一个在已知方向上输出一组光线的光投影仪来代替这些光检测器(摄像机)中的一个。在这种情况下，采用这些投影光线的方向以及反射到对象表面上的每个检测光线来求解该三角形是可能的。那么，计算每个观测特征点相对于该三角形的底边的坐标是可能的。

尽管可以使用专门的光检测器，但是典型地使用数字CCD或CMOS摄像机。

对于投影仪，光源可以是投影一个点的相干光源(激光)或者非相干光源(例如，白光)、一个光平面或者许多其他可能的投影模式，包括全场模式。全场模式是一种2D模式，该模式可以覆盖投影仪的2D照明场的一部分或者全部。在这种情况下，可以在每个图像中匹配对应点的一个密集。光投影仪的使用有助于在该对象表面上各处的反射点的检测，从而提供测量表面点的一个密集。然而，模式越复杂，高效地识别相应的像素和光线的挑战越大。

因为这个原因，将进一步采用来自投影几何学理论的特性。与在整个图像中进行搜索相反的是，可以采用核线约束来限制对与一条单一直线相对应的像素的搜索，这在两个视图的情况下在本领域中至少已经公知了30年。在被动和主动(带有一个投影仪)立体视觉中都广泛地采用这一原理。这种用法的一个示例是如下系统，在该系统中使用两个摄像机和一个投影十字模式的激光投影仪。如此安排这两个摄像机以及该激光使得组成该十字的激光平面中的每一个在这些摄像机的每一个的核线平面内被对准。因此，独立于所观察到的几何图形，这些激光平面之一将总是被成像在一个图像的同一个位置。然后，在该图像中,在两个激光平面之间消除歧义是可能的。这是对极几何在结构光系统中的一种非传统应用。

可以从校准参数或者在两个图像中匹配一个点集之后计算该对极几何。因此，在一个图像中给定一个点，在将要放置该对应点的第二图像中计算直线(核线)方程的参数是可能的。另一种方法在于校正这两个图像，这意味着所有核线将是水平的和对准的。由于不需要在核线上执行进一步的计算用于识别像素,因此校正图像是有利的。可以通过软件或者甚至通过谨慎地对准一个或两个摄像机(或投影仪)的相对定向来应用图像校正。在这种情况下，这种方法被称为硬件对准。

硬件对准摄像机和投影仪的若干示例存在于以下情况中，其中投影仪投影垂直条纹并且摄像机被对准，其方式为使得这些核线是水平的。已经在若干其他采用格雷码垂直模式的结构光系统中使用了这种类型的对准。在投影仪和摄像机的对准上，投影垂直条纹的要求不高，但是其降低了来自一个单一投影帧的点的空间密度。也可以投影一个全场代码。再次对准投影仪和摄像机，其方式为使得在投影仪幻灯片中沿着核线投影沿着每条线的编码模式。在这些情况下，该场景几何图形对行编码模式的方向和垂直间隔几乎没有影响。这些编码模式将保持沿着独立于到该对象的距离的一条单线。然而，将在代码的形变中沿着核线来检索捕捉3D测量的相关信息。与核线的这一对准使得沿着每条线来投影一个不同的代码成为可能。