[发明专利]基于多帧随机二元编码光场的三维数据采集系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于多帧随机二元编码光场的三维数据采集系统及方法，能够在各种环境中采集非静态、准静态、静态目标的三维数据，其采集精度和分辨率可调，且投影和拍摄无需严格同步，不受投影装置非线性的影响，不依赖精密切换机构，减小了设备体积并降低了成本。该系统包括：具有左相机和右相机的双目相机、投影装置、以及同步控制电路；其中，投影装置用于投影随机二元编码图像序列至测量目标的表面；同步控制电路用于在投影装置投影每一幅随机二元编码图像时触发双目相机拍摄经过测量目标表面形貌调制的光场图像；三维重建算法模块用于对获得的二维立体图像序列对进行图像分析处理，得到测量目标的在不同视图下的三维点云数据。

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种基于多帧随机二元编码光场的三维数据采集系统及方法。

背景技术

三维数据数据采集是光学三维测量技术与计算机视觉技术学科交叉的一个重要应用领域。获取人脸的三维形貌数据在医学美容、影视娱乐、人脸识别、虚拟现实、视频会议等领域具有广泛的应用。

基于结构光投影的三维数据采集方法具有精度高、全场非接触、数据处理自动化、可视化程度高、采集速度快等显著优点。市面上低成本、体积小的设备主要有微软公司的Kinect和因特尔公司的RealSense系列，但是二者适用于消费类电子等领域精度要求不高的场合，如果用于人脸等目标的三维数据采集，难以获得高精度的三维人脸面形数据。工业领域的高精密设备可以获取几乎任何具有漫反射表面特性目标的表面形貌数据，但是大多数结构光扫描的设备均是面向工业应用，设备体积硕大，造价高昂，并且要求测量目标静止，对环境的控制较为严格。其成本较高的一个根本原因在于，采用正弦结构光场照明或者基于其他时间序列编码的结构光编码方法要求投影序列之间有严格的空间位移关系，且要求投影装置和相机之间有严格的同步，这就必然依赖于精密昂贵的切换机构，因此难以真正意义上用于人脸等非静态或准静态目标的三维数据采集。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于多帧随机二元编码光场的三维数据采集系统及方法，能够在各种环境中采集非静态、准静态、静态目标的三维数据，其采集精度和分辨率可调，且投影和拍摄无需严格同步，不受投影装置非线性的影响，不依赖精密切换机构，减小了设备体积并降低了成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种基于多帧随机二元编码光场的三维数据采集系统，其包括：具有左相机和右相机的双目相机、投影装置、以及同步控制电路；

其中，投影装置，用于投影随机二元编码图像序列至测量目标的表面；同步控制电路与投影装置和双目相机连接，用于在投影装置投影每一幅随机二元编码图像时触发双目相机拍摄经过测量目标表面形貌调制的光场图像，以使其分别得到左、右二维立体图像序列；三维重建算法模块与双目相机连接，用于对获得的二维立体图像序列对进行图像分析处理，得到测量目标的在不同视图下的三维点云数据。

优选的，所述随机二元编码图像的分辨率大小与双目相机的分辨率大小匹配并满足采样定理，图像上每一像素点为通过全局随机和局域随机生成的二元点阵。

优选的，所述随机二元编码图像序列中具有M幅图像且M≥1；左、右二维立体图像序列各自具有N幅变形随机二元编码光场图像且N≥3。

优选的，所述投影装置具有数字投影方式、光学投影方式、或者衍射光学投影的方式，并根据系统的几何参数与相机物理参数计算得到最小单点大小。

优选的，所述投影装置包括：封装有的随机二元编码图像基片和光源的投射模组、楔形反射镜以及旋转电机；其中光源为可见光源或者近红外光源。

优选的，所述投影装置采用光学投影方式，在随机二元编码图像序列中图像数量M＝1时，通过几何光学投影实现随机二元编码光场；当M≥2时，采用旋转的楔形反射镜装置调制投射光场实现光场在视场中的随机扫描。