[实用新型]一种基于单目立体视觉相机的三维重建系统

说明书

本实用新型公开一种基于单目立体视觉相机的三维重建系统，该系统包括成像系统、机械臂、位姿反馈系统以及光源系统，其中，机械臂为三轴可旋转式机械臂，包括分别与成像系统连接的同心轴、与光源系统连接的第一转轴，以及用于自转的第二转轴，机械臂用于将光源系统移动到可移动范围内的任意点，所述位姿反馈系统与机械臂和光源系统连接，通过读取机械臂的三个轴的旋转信息，得到光源系统的光源和成像系统的相对位置关系，本实用新型能够用同一个光源模拟实现了多光源的效果，极大的提高光度三维重建的精度，另外，还具有极高的便携性，为光度立体视觉打下了工程基础。

技术领域

本实用新型涉及一种单目立体视觉中的光度三维重建领域，特别涉及一种基于单目立体视觉相机的三维重建系统。

背景技术

二维图像是由三维场景投影得到的，其中包含着各种三维信息，如亮度、纹理、阴影、轮廓等。由图像的不同信息恢复物体三维形状的方法被统称为Shape From X问题。

理论上，如果场景中物体与物体之间或物体各个部分之间的相互反射可以忽略的话，那么曲面上一个小曲面块所反射的光强就只与光照强度、相机拍摄角度、物体表面法向和物体表面反射率有关。如果把这些参数之间的关系用一个重构函数来表示，就可以从图像的像素亮度获得表面法向，通过表面法向就可以得到物体的三维数据。如果材料的物理参数已知(如：材料的反射率)，重构函数可以根据所对应的材料和光照条件假设一个合适的光照模型来获得，否则，也可以通过一个和被测物体材料相同且形状已知的标准参照物来获得。

光度立体视觉技术(The Photometric Stereo，简称PMS)最早是由R.J.Woodham提出的，其假设了一个已知的重构函数，即理想的朗伯体反射模型。采用一个相机和几个发光强度相同的光源，保持相机和所拍摄的物体不动，通过改变光源的方向，同时拍摄物体在不同光源照射条件下的一组图像，然后根据这些图像计算出物体的表面法向，由计算出的表面法向求解出物体表面的三维形状。实验表明，利用两幅具有不同光照几何特性的灰度图像来获得表面法向，利用三幅图像就可以获得一个漫反射表面的表面法向和反射率。

经典的PMS技术是通过对目标物体加不同的光照变化，并记录光照参数来计算目标物体的表面高度。一般而言，相机拍摄到的样本的表面灰度值取决于样本表面的朝向，相机的视角方向和光源的照射方向。对于朗伯表面，样本的表面灰度值可描述为：

i＝ρκcosθ_i (1)

其中i为样本的灰度值；ρ代表从物体表面反射的光源的反照率；κ代表光源强度；θ_i为相对于物体表面的光源入射角的。

公式(1)可进一步表达为：

i＝ρκl^Tn＝(κl)^T(ρn)＝s^Tb (2)

其中i为样本的灰度值，n为样本表面单位法向量；b＝ρn是带乘数因子的表面法向量；s＝κl为带乘数因子的光照向量；l为光照向量；带乘数因子的表面法向量b和光照向量l是朗伯光度立体的基本实体。传统的光照立体技术是基于转换后的朗伯反射模型，如对于朗伯反射表面，变换光源位置，即可获得光照向量s₁,s₂,s₃作用下拍摄到的物体表面不同方向光源的样本灰度值i₁,i₂,i₃，进一步得到存储着灰度值向量的灰度值向量矩阵I：

I＝[i₁,i₂,i₃]^T＝[s₁,s₂,s₃]^Tb＝S^Tb (3)

其中，矩阵S存储着带乘数因子的光照向量。如果光照矩阵S可逆，就可以计算出带乘数因子的表面法向量b：