CN105451012B - 三维成像***和三维成像方法 - Google Patents

三维成像***和三维成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维成像***和三维成像方法，通过在三维成像***中引入变焦镜头，通过投影部分的变焦镜头来调节投影单元的投射视场和投影距离，通过图像获取部分的变焦镜头来调节其拍摄视场和光学放大倍数，从而实现了对物体的自动变焦结构光成像，克服了传统装置随着距离增加深度分辨率降低的缺陷，增大了结构光成像的作用距离，提高了三维成像的精确度。

Description

三维成像***和三维成像方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种三维成像***和三维成像方法。
背景技术
三维成像***广泛用于模具设计、工业测量等领域。目前广泛采用的结构光方法(Structured Light)是一种主动式光学测量技术，其基本原理是由结构光投射装置向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像获取装置(如摄像机)获得图像，通过***几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标，即结构光三维成像过程包含两步，首先获取物体被结构光条纹调制的二维图像，然后再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法得到物体的三维点云数据。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、大量程、便于安装和维护的特点，结构光三维成像技术已被深入研究和广泛应用，特别是在实际三维轮廓测量中应用更为广泛。
但是，结构光三维成像***没有光学变焦***，存在随着距离增加，深度分辨率会逐渐降低，这极大限制了结构光三维成像***在远距离成像中的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种三维成像***和三维成像方法，可以将光学变焦引入三维成像***，从而可以根据成像对象的距离调整成像区域，在成像对象较远时仍能以高分辨率获取图像，提高三维成像的精确度。
第一方面，提供一种三维成像***，包括:
投影装置，具有第一变焦镜头，用于向成像对象投射结构光图案；
图像获取装置，具有第二变焦镜头，用于获取投射有所述结构光图案的成像对象的图像；
控制装置，用于根据所述图像获取装置获取的第一图像检测结构光图案的边界，并调节所述第二变焦镜头的光学参数以使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案边界满足预定关系并获取第二图像，根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据。
优选地，所述控制装置控制所述第二变焦镜头的光学参数以使得所述图像获取装置的成像区域的边界与所述结构光图案的边界重合。
优选地，所述第一变焦镜头包括第一镜头组和第一伺服电机；
所述第二变焦镜头包括第二镜头组和第二伺服电机。
优选地，所述控制装置通过控制所述第二变焦镜头的焦距来调整所述图像获取装置的成像区域。
第二方面，提供一种三维成像方法，包括：
向成像对象投射预定尺寸的结构光图案；
获取第一图像，并根据所述第一图像检测所述结构光图案的边界；
调整图像获取装置光学成像参数，使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案满足预定关系；
获取投射有所述结构光图案的成像对象的第二图像；
根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据。
优选地，调整图像获取装置光学成像参数，使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案满足预定关系包括：
控制所述图像获取装置以使得所述图像获取装置的成像区域的边界与所述结构光图案的边界重合。
优选地，调整图像获取装置光学成像参数包括：
调节所述图像获取装置的变焦镜头的焦距。
通过在三维成像***中引入变焦镜头，通过投影部分的变焦镜头来调节投影单元的投射视场和投影距离，通过图像获取部分的变焦镜头来调节其拍摄视场和光学放大倍数，从而实现了对物体的自动变焦结构光成像，克服了传统装置随着距离增加深度分辨率降低的缺陷，增大了结构光成像的作用距离，提高了三维成像的精确度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的三维成像***的示意图；
图2a-图2b是本发明实施例的三维成像***的工作原理示意图；
图3是本发明实施例的三维成像方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的三维成像***的示意图。
如图1所示，三维成像***包括投影装置1、图像获取装置2和控制装置3。
其中，投影装置1包括投影仪11、第一变焦镜头12，投影装置1用于根据用户设定的大小向成像对象投射结构光图案。
所述结构光图案可以为点阵图案或条纹图案或其它现有的适于进行光学三维成像的结构光图案。
具体地，第一变焦镜头12可以包括第一镜头组12a和第一伺服电机12b。第一伺服电机12b用于根据控制改变第一镜头组12a的镜片相对位置关系以改变其焦距，调整投影的大小。
图像获取装置2包括图像传感器21、第二变焦镜头22。图像获取装置2用于获取投射有所述结构光图案的成像对象的图像。
控制装置3与图像获取装置2连接，用于根据所述图像获取装置2获取的第一图像检测结构光图案的边界，并调节所述第二变焦镜头22的光学参数以使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案边界满足预定关系并获取第二图像，根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据。
其中，所述第一图像可以为图像获取装置基于变焦镜头的初始设置获取的动态影像或静态图像文件或通过图像传感器读出到内存中的中间图像数据等。第二图像为用于进行三维点云计算的图像文件。
在图1中，控制装置3还可选地与投影装置1连接，控制装置3可以通过通信连接向投影装置1提供投影结构光图案所需的数据。可选地，控制装置3也可以用于接收用户指令对第一变焦镜头12进行控制。
其中，第二变焦镜头22可以包括第二镜头组22a和第二伺服电机22b。第二伺服电机22b用于根据控制改变第二镜头组22a的镜片相对位置关系以改变其焦距和放大倍数以调整成像区域的大小。
如图2a和图2b所示，在使用时，用户调节第一变焦镜头12改变投影的结构光图案覆盖区域的大小(在图2a和图2b中表示为A)，以使得其与成像对象相适配(也即，刚好覆盖或稍大于成像对象)。由于结构光图案具有重复性，因此，控制装置3容易根据图像获取装置2获取的图像检测获得结构光图案的边界，并控制第二变焦镜头22使得图像传感器21的成像区域(视界)(在图2a和图2b中表示为B)与结构光图案的区域相适配，例如，刚好覆盖结构光图案的边界(也即边界重合)或稍微超出结构光图案覆盖的区域或稍微小于结构光图案覆盖的区域。由此，可以保证以在最清晰且放大倍数最合适的条件下来对成像对象成像。由此，无论成像对象的距离较远或较近，可以通过第一变焦镜头12调节结构光图案的大小，并引导图像获取装置2自动根据结构光图案的大小调整其第二变焦镜头22以获得最佳的成像焦距。
应理解，本实施例的控制装置3可以包括适于执行程序指令的处理器，该处理器根据可编程的程序指令进行控制。
由此，通过在三维成像***中引入变焦镜头，通过投影部分的变焦镜头来调节投影单元的投射视场和投影距离，通过图像获取部分的变焦镜头来调节其拍摄视场和光学放大倍数，从而实现了对物体的自动变焦结构光成像，克服了传统装置随着距离增加深度分辨率降低的缺陷，增大了结构光成像的作用距离，提高了三维成像的精确度。
图3是本发明实施例的三维成像方法的流程图
如图3所示，所述方法包括：
步骤S100、向成像对象投射预定尺寸的结构光图案。
其中，所述预定尺寸为用户设定的尺寸，用户可以通过直接调节第二镜头组获得具有预定尺寸的结构光图案。
步骤S200、获取第一图像，并根据所述第一图像检测所述结构光图案的边界。
具体地，根据获取的带有结构光图案的图像来检测其边界。其中，所述第一图像可以为图像获取装置基于变焦镜头的初始设置获取的动态影像或静态图像文件。
步骤S300、调整图像获取装置，使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案满足预定关系。
具体地，图像获取装置具有变焦镜头，通过调节所述图像获取装置的变焦镜头的焦距和放大倍数来调节其成像区域与结构光图案的关系。
所述的预定关系可以是成像区域与结构光图案的边界重合，或者稍大于或稍小于结构光图案覆盖的区域。
步骤S400、获取投射有所述结构光图案的成像对象的第二图像。
步骤S500、根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据。
在使用时，用户改变投影的结构光图案覆盖区域的大小，以使得其与成像对象相适配(也即，刚好覆盖或稍大于成像对象)。由于结构光图案具有重复性，因此，容易根据图像获取装置获取的图像检测获得结构光图案的边界，并控制成像区域(视界)与结构光图案的区域相适配，例如，刚好覆盖结构光图案的边界(也即边界重合)或稍微超出结构光图案覆盖的区域或稍微小于结构光图案覆盖的区域。由此，可以保证以最清晰的最大像素来对成像对象成像。由此，无论成像对象的距离较远或较近，可以通过调节结构光图案的大小，并引导图像获取装置自动根据结构光图案的大小调整其变焦镜头以获得最佳的成像焦距。
应理解，可以将具体实施方式部分描述的方法和过程具体化为代码和/或数据，该代码和/或数据可存储在如上所述的计算机可读存储介质中。当计算机***读取并执行计算机可读存储介质上存储的代码和/或数据时，计算机***执行具体化为数据结构和代码并存储于计算机可读存储介质内的方法和过程。
此外，可以将本文描述的方法和过程包括在硬件模块或装置中。这些模块或装置可以包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、在特定时间执行特定软件模块或一段代码的专用或共享处理器和/或其它现在已知或以后开发的可编程逻辑设备。当激活硬件模块或装置时，它们执行包括在其中的方法和过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维成像***，包括：
投影装置，具有第一变焦镜头，用于向成像对象投射结构光图案；
图像获取装置，具有第二变焦镜头，用于获取投射有所述结构光图案的成像对象的图像；
控制装置，用于根据所述图像获取装置获取的第一图像检测结构光图案的边界，并调节所述第二变焦镜头的光学参数以使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案的边界满足预定关系并获取第二图像，根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据；
其中，所述第一变焦镜头包括第一镜头组和第一伺服电机，第一伺服电机用于根据控制改变第一镜头组的镜片相对位置关系以改变焦距；
所述第二变焦镜头包括第二镜头组和第二伺服电机，第二伺服电机用于根据控制改变第二镜头组的镜片相对位置关系以改变焦距和放大倍数。
2.根据权利要求1所述的三维成像***，其特征在于，所述控制装置控制所述第二变焦镜头的光学参数以使得所述图像获取装置的成像区域的边界与所述结构光图案的边界重合。
3.根据权利要求1所述的三维成像***，其特征在于，所述控制装置通过控制所述第二变焦镜头的焦距来调整所述图像获取装置的成像区域。
4.一种三维成像方法，包括：
向成像对象投射预定尺寸的结构光图案；
获取第一图像，并根据所述第一图像检测所述结构光图案的边界；
调整图像获取装置光学成像参数，使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案的边界满足预定关系；
获取投射有所述结构光图案的成像对象的第二图像；
根据所述第二图像计算获取所述成像对象的三维点云数据。
5.根据权利要求4所述的三维成像方法，其特征在于，调整图像获取装置光学成像参数，使得所述图像获取装置的成像区域与所述结构光图案满足预定关系包括：
控制所述图像获取装置以使得所述图像获取装置的成像区域的边界与所述结构光图案的边界重合。
6.根据权利要求4所述的三维成像方法，其特征在于，调整图像获取装置光学成像参数包括：
调节所述图像获取装置的变焦镜头的焦距。
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