[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

说明书

本发明涉及一种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，系统包括相机装置和旋转二分棱镜装置，相机装置包括相机和支撑该相机的相机支架；旋转二分棱镜装置包括二分棱镜、棱镜支撑结构、旋转机构和支撑旋转二分棱镜装置的外壳体；三维重建方法包括以下步骤：系统构建与参数标定，多视角图像序列采集，立体匹配与交叉优化，三维重建与点云滤波。与现有技术相比，本发明通过二分棱镜的旋转运动改变单台相机的成像视角，使其模拟实现动态双目视觉系统捕获多视角目标信息的功能，可以有效提升单相机多视角立体匹配与三维重建的精度、效率、实施灵活性和动态适应性。

技术领域

本发明涉及多视角三维重建领域，尤其是涉及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。

背景技术

多视角三维重建是利用不同视角下捕获的多幅图像序列，通过立体几何视觉原理恢复得到空间目标三维形貌信息的技术，在自主导航、地理测绘、空间遥感等领域均有重要的应用价值。传统的双相机或多相机视觉系统通过增加传感器数量实现多视角图像信息获取，但其代价是提升系统复杂度、扩大物理尺寸以及减小公共视场等。相比而言，单相机视觉系统结构简单、集成度高，通过引入附加光学元件或相机运动约束等方式采集多视角目标图像序列，可为三维目标重构或场景恢复提供更为经济、灵活和有效的解决途径。

以下在先研究提出了几种典型的单相机多视角三维重建系统及方法：

在先技术：“单相机多角度的空间点坐标测量方法”(赵祚喜等，公布号：CN109141226A，公布日：2019年1月4日)公开了在目标表面粘贴多个坐标已知的标志点，并通过改变单相机的拍摄角度来采集多视角目标图像的方法。在先技术：“一种圆弧导轨式单相机测量系统及其测量方法”(曾天等，公布号：CN 110645962A)公开了利用沿着圆弧导轨运动的单相机从多个方位拍摄包含编码点的目标图像序列，再利用摄影测量原理解算目标测点三维信息的方法。以上方法要求目标表面具有满足一定约束条件的合作标志，同时要求相机位置和拍摄角度产生多次变化，因此具体实施方式的灵活性和实际应用场合的普遍性均受到一定程度的限制。

在先技术：“单相机双目视觉装置”(张青川等，公布号：CN 109856895A，公布日：2019年6月7日)公开了利用单相机与两组对称分布反射镜的组合装置，在左右对称且允许调整的视角下捕获感兴趣区域图像信息的方法。在先技术：“一种使用合光棱镜的新型单相机三维数字图像相关系统”(潘兵等，公布号：CN 110530286A，公布日：2019年12月3日)公开了结合单相机、X-cube合光棱镜和一组对称分布的反射镜，将不同颜色通道的目标图像信息融合并记录到相机靶面，再利用数字图像相关算法实现高精度三维测量的方法。以上方法依赖至少一组反射镜产生的光束偏折作用来改变成像视角，必须提供足够的布置空间和调整角度以保证三维重建的视场范围，牺牲了系统的紧凑性、集成性及其对误差扰动的抑制性、适应性。

综上，现有技术存在如下缺点：

1、采用改变相机位置和拍摄角度采集多视角目标图像的方法，其具体实施方式的灵活性和实际应用场合的普遍性均受到一定程度的限制；

2、采用多组对称分布反射镜采集多视角目标图像的方法，必须提供足够的布置空间和调整角度以保证三维重建的视场范围，牺牲了系统的紧凑性、集成性及其对误差扰动的抑制性、适应性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单相机多视角的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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于旋转二分棱镜的单相机图像采集系统，包括相机装置和旋转二分棱镜装置，所述相机装置包括相机和支撑该相机的相机支架；