[发明专利]基于旋转二分棱镜的单相机图像采集系统和三维重建方法

权利要求书

1.一种基于旋转二分棱镜的单相机图像采集系统的三维重建方法，其特征在于，基于旋转二分棱镜的单相机图像采集系统包括相机装置(1)和旋转二分棱镜装置(2)，所述相机装置(1)包括相机(11)和支撑该相机的相机支架(12)；

所述旋转二分棱镜装置(2)包括二分棱镜(21)、棱镜支撑结构(22)、旋转机构和支撑所述旋转二分棱镜装置的外壳体(26)，所述二分棱镜(21)固定安装在所述棱镜支撑结构(22)的中心区域，所述旋转机构的输出端连接所述棱镜支撑结构(22)，用于驱动所述棱镜支撑结构(22)在竖直平面上转动；

所述相机(11)的探测端正对所述二分棱镜(21)；

三维重建方法包括以下步骤：

系统构建与参数标定步骤：对所述相机装置和旋转二分棱镜装置进行位置和姿态调整，构建单相机成像系统及其工作坐标系；利用视觉标定的方法获取所述相机的内部参数和所述相机和二分棱镜之间的轴向距离；

多视角图像序列采集步骤：通过控制所述旋转机构带动所述二分棱镜转动，通过所述相机采集在每种二分棱镜转角位置下的包含目标信息的双视角图像，构成用于进行三维重建的多视角目标图像序列；

立体匹配及交叉优化步骤：根据相机视轴经过二分棱镜偏转后的指向以及二分棱镜的转角，推导出与所述单相机成像系统等效的动态虚拟双目系统模型，建立每种所述二分棱镜转角位置对应的双视角图像的极线约束关系，通过窗口匹配算法寻找双视角图像内的同名像点，并对不同二分棱镜转角位置的双视角图像内的同名像点进行交叉检验和优化，实现立体匹配；

三维重建与点云滤波步骤：根据一种所述二分棱镜转角位置对应的双视角图像的同名像点，获取目标的三维点云初始估计；根据其它所述二分棱镜转角位置对应的双视角图像的同名像点，补充所述初始估计的三维点云缺失的点云信息，从而更新三维点云，然后进行噪声滤除，获取最终的三维点云重建结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相机(11)的靶面和所述二分棱镜(21)的背面满足平行关系，所述相机(11)的光轴与二分棱镜(21)背面相对的顶部棱线相交且垂直。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转机构为力矩电机，包括力矩电机转子(23)、力矩电机电刷(24)和力矩电机定子(25)，所述棱镜支撑结构(22)连接所述力矩电机转子(23)，所述力矩电机定子(25)安装在所述外壳体(26)上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统构建与参数标定步骤中，所述构建单相机成像系统具体为，调整所述相机装置和旋转二分棱镜装置的位置和姿态，以保证相机靶面与二分棱镜背面的平行关系、相机光轴与二分棱镜顶部棱线的垂直关系以及相机与二分棱镜的轴向间距关系；

构建单相机成像系统的工作坐标系具体为，建立所述单相机成像系统的工作坐标系O-XYZ，原点O固定于相机的光心位置，Z轴与相机的光轴方向重合，X轴和Y轴均与Z轴正交，并且所述X轴对应相机图像传感器的行扫描方向，所述Y轴对应相机图像传感器的列扫描方向。